教学第三章-教学第一节、教学第二节课件

第一节

陆地表面水的组成与结构——泰山学院旅游与资源环境学院第一节

陆地表面水的组成与结构——泰山学院旅游与资源环1【目的与要求】【教学内容】1.陆地表面水的组成与结构2.流域的产流机制；流域产流方式3.流域汇流分析【目的与要求】1.了解陆地表面水的组成与结构2.掌握流域产流的机制和方式；3.流域产流量的计算方法【教学重点与难点】1.流域产流机制和方式；等流时线法（难点）2.流域产流机制和方式；等流时线法（重点）【目的与要求】【教学内容】2陆地表面的基本水源来自大气降水。主要有类型： 地表水：冰川、湖泊、沼泽和河流、生物水。 地下水：陆地表面水中的89％固态冰川的水体形式分布在南极大陆，其余6大洲地表水的总量，仅占全球地表水的11％，而这11％中有10.16％还是冰川水体。因此除南极洲以外，陆地表面总水量中，冰川占92.84％，湖泊占6.65％，沼泽占0.43％，而河槽蓄水仅占0.08％。一、陆地表面水的组成陆地表面的基本水源来自大气降水。一、陆地表面水的组成3二、陆地表面水的结构冰川、湖泊、沼泽、河流，在地表水亚系统的水循环过程中，各具有其特殊的功能。这又是由其本身的水循环的机制和特性所决定的。河流槽蓄量最小，地表唯一的畅流液态水，它的水循环动力机制既受热力、更受重力作用所控制。因而，其交替更新的周期最短，也即水循环的活力最强。冰川：是地表第一大水体。具有稳定少变的特征，其水循环的活力最弱，交替更新的周期长。在地表水循环中发挥着储存和补给的功能，湖泊与沼泽：是地表洼地的滞流液态水体。水循环的活力较弱，在地表水水循环中，主要起着传递、调蓄的功能。地表水与海水交绥地区：即河流的河口区，它是河海传递的子系统。由于它兼受河川径流及海洋潮流等的影响，故河口子系统有着特殊的运动变化规律。二、陆地表面水的结构4第二节

流域产流与汇流第二节

流域产流与汇流5一、流域产流理论产流、汇流理论是河流水文学的核心理论，它是以综合分析自然现象各个因素之间的关系为基础的，是地理水文研究的重要课题，目前尚待完善。本节将分别介绍这两个过程的基本理论与分析方法。产流过程：是指流域中各种径流成分的生成过程，也是流域下垫面对降雨的再分配过程。产流实质：是流域降水后，水在具有不同的阻水、吸水、持水和输水特性的下垫面土层中垂向运行时，“供水与下渗”一组矛盾相互作用的产物。（一）产流机制产流机制：水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛盾在一定介质条件下的发展机理和过程。不同的供水和介质条件，径流的形成过程与机理各异，因而就出现不同的产流机制，呈现不同的径流特征。一、流域产流理论61.超渗地面径流的产流机制 概念：指供水与下渗矛盾发生在包气带上界面（地面）的产流机制。 地面径流的形成过程是在降雨、植物截留、填洼、雨期蒸发及下渗等几个过程组合下的发展过程。它们都是在相应作用力下垂向运行的过程。降雨P植物截留In填洼D植物散发ET下渗f蒸发E下渗f降雨径流的形成过程1.超渗地面径流的产流机制降雨P植物截留In填洼D植物散发E7

Rs（t）、为t时刻地面径流深；i、in、e、sd、f分别为降雨强度、截留率、蒸发率、填洼率、下渗率（mm/min）。上述降雨损失项中，植物截留量、雨期蒸发量、填洼量一般较小，而下渗量较大且变幅很大。下渗量可占降水量的百分之几到全部。故下渗在地面径流的产流中具决定性作用。前式忽略雨期蒸发和填洼损失项，并微分可得：自降雨开始至任一时刻的产流过程如下式：

Rs（t）、为t时刻地面径流深；i、in、e、sd、f分8

式中，rs为地面径流产流率（毫米/分）。由此可见，地面径流是供水与下渗矛盾发展的产物。即只有当i＞f时，才能产生地面径流。因此降雨强度大于下渗率是产生超渗地面径流的充分条件。超渗地面径流产生的前提条件是：①产流界面是地面（包气带的上界面） ②必要条件是要有供水源（降水） ③充分条件是降雨强度要大于下渗能力（i＞f）。ifp

ifp92.壤中径流的产流机制（1）概念：

是发生于非均质或层次性土壤中的透水层与相对不透水层界面上的产流机制，它可发生在饱和水流或非饱和水流情况下。（2）分析在包气带中，上层为粗质土壤，毛管传导度、下渗率较下层大。下层为相对较细的土壤，即fA﹥fBfAfBRI≦fA2.壤中径流的产流机制fAfBRI≦fA10现以ri

≦上层饱和传导度的降雨强度ri向土上层供水，则上层土壤中下渗率（fA）要大于（fB），当上层水流渗达两层界面上时，就在交界面上形成饱和积水。当上层土壤含水量﹥其田间持水量时，在相对隔水层上界面上形成自由水，随上层继续供水，水层增厚，形成临时饱和水带，从而形成壤中径流。两土层界面以上的水量平衡方程为：壤中流产流机制现以ri≦上层饱和传导度的降雨强度ri向土上层供水，则上层11式中，W（t）、W（0）分别为该层的t时刻和起始时刻的含水量；rss为壤中径流的产流率；余同前。只有当形成临时饱和带时，才能构成壤中径流的生成，即当土壤含水量大于田间持水量后，后续下渗的水流才能形成自由水。当界面以上土层达到饱和时，，

故：即：

3）壤中径流产流条件是：第三章-第一节、第二节课件12

①要有供水、即上层有下渗水（必要条件） ②要有比上层下渗能力小的界面（前提条件） ③供水强度要大于下渗强度（充分条件） ④产生临时饱和带，还要具有产生侧向流动的动力条件，即坡度及水流归槽条件（充分条件）。【说明】壤中径流的产生与降雨强度没有直接关系，它只取决于上层的下渗率。

若i﹤fA，只要fA﹥fB，形成临时饱和带，即可产生壤中径流，但无地面径流。 当i﹥fA﹥fB时，既有地面径流，又有壤中径流发生。 ①要有供水、即上层有下渗水（必要条件）133.地下径流的产流机制 1）概念： 是指包气带较薄、地下水位较高时的地下水产流机制。它同样也服从供水与下渗矛盾的产流规律。2）分析 其产流条件基本与壤中径流相同，只是其界面为包气带的下界面。 即可发生在非均质或层次性土壤层中，也可发生于均质土层中，或风化裂隙岩层中。 取常年稳定的浅层地下水位为基准，雨后，由上层补给水量而使水位升高的蓄水部分，就等于地下径流产流量。fCrg3.地下径流的产流机制fCrg14fCrg式中，fC为稳定下渗率；rg为地下径流产流率，余同前。对于非均质层则有：对于均质土层的水量平衡则有：当产生地下径流时，同样要形成临时饱和水带，即当土壤含水量大于田间持水量时产生自由水，此时Wt为常数，则rssfCrg式中，fC为稳定下渗率；rg为地下径流产流率，余同15

故有

rg=fC（均质土壤）即天然条件下入渗补给地下水水量全部转化为地下径流。。

非均质土壤：当

则有

rg=fC

-

rs

s（非均质土壤）

【说明】 天然条件下，当地下水位较高时，壤中径流与地下径流很难截然分开，通常将两者合并作为地下径流考虑。与壤中径流产流情况一样。只要i小于上层土壤下渗能力，甚至小于稳定下渗率时，只要包气带下缘形成临时饱和带，同样可以产生地下径流。

3）产流条件

故有

rg=fC（均质土壤）16

①要有供水，包气带要有下渗水 ②其产流界面为包气带的下界面（地下水面） ③要有稳定的下渗率（均质）或下渗要大于壤中流 ④包气带的下缘需形成临时饱和带（即使降雨强度i小于上层土壤下渗能力，甚至小于稳定下渗率时）4.饱和地面径流产流机制（1）概念：是在表层土壤具有较强透水性情况下的地面产流机制。 ①要有供水，包气带要有下渗水4.饱和地面径流产流机制17

在天然情况下，i﹤fA，故不易形成超渗产流，但在下层有弱透水层时，虽当i﹤fA（﹥fB），但i﹥fB，就可以形成壤中流。随着壤中流积水增加，包气带全变成临时饱和水带，此时，后继降雨就以地面径流的形式产出，该地面径流称饱和地面径流。 在天然情况下，i﹤fA，故不易形成超渗产流，但在下层有弱透18

可见，饱和地面径流生成的重要特征是：控制地面径流发生的并不是上层土层本身的界面和下渗能力，而是其下相对不透水层的界面和下渗能力，以及上层土层本身达到全层饱和的蓄水量。 水量平衡方程为：当全层饱和时，Wt=θs*HA=const，则

对前式积分，=

则

rsat=i-（rss+fB）

（3-9）式中，rsat为饱和地面径流产流率，余同前。

可见，饱和地面径流生成的重要特征是：控制地面径流发生的并19（3）产流条件 ①要有供水条件。且界面（弱透水层的上界面）供水fA要大于下渗强度fB ②在界面（弱透水层上界面）形成饱和积水带，且必须达到上层土层的全部饱和。【总结】四种产流机制可概括出共同规律：均服从于一定介质条件下供水与下渗矛盾规律。具体有：

①首先是任何产流机制其首要条件是要有供水，对地面径流是降水，对其它径流则是由上而下的下渗水流。

②要有足够的大于下渗率的供水强度。 对超渗地面径流，则i﹥上层土壤下渗率fA； 饱和地面径流降雨强度i﹥下层土壤下渗率fb； 壤中径流，上层土壤下渗率fa大于下层土壤下渗率fb； 对地下径流，则要稳定下渗率fc大于地下水的下渗率。（3）产流条件20③对壤中流和地下径流要求在界面上产生临时饱和带；对饱和地面径流，必须达到表层全层饱和，才具备了产流的充分条件。④所有产流都要有侧向运行的动力，如水力坡度、水流归槽的条件等。⑤所有产流都是发生在包气带的某些界面上。上界面：产生地面径流；中界面：产生壤中流和饱和地面径流（中界面以上达全包和）；下界面：产生地下径流。这些界面并不是任意界面，而是使供水和下渗矛盾激化的界面。它们的存在构成了不同产流机制，产生不同径流。故有的学者，概括为“界面产流规律”③对壤中流和地下径流要求在界面上产生临时饱和带；对饱和地面径21（2）遵循超渗地面径流产流机制和过程当始、末土壤含水量分别为WO、WE；土壤下渗量F=WE-WO由此计算产流量：

（二）流域产流方式 产流机制的组合为产流方式，它决定了流域产流的基本特征。常见的大流域的产流方式主要有以下3种。1.超渗产流方式（1）形成条件： 发生在地下水埋藏深，包气带厚度大，土壤透水性差、下渗能力小，植被较差的丘陵区和半干旱区。

（3-8）（2）遵循超渗地面径流产流机制和过程（二）流域产流方式（3-22

产流条件i〉f

产流量：Rs=p-F即降水量扣除下渗损失量。f与土壤的前期含水量有关，即土壤的前期含水量愈大，降水量愈多，则产流量愈大。（3）与降水的关系： 与降水强度i有关，与降水量大小关系不大。（4）区域分布：2.饱和产流（蓄满产流）方式（1）产流条件 多发生在包气带较薄、植被较好、土壤透水性强、下渗强度大的地区。（2）符合壤中流、地下径流和饱和地面径流的产流机制和过程。 由前已知，饱和产流总是与壤中流或地下径流相伴随，单纯的饱和产流是不存在的。 产流条件i〉f23产流过程：设包气带最大蓄水量为Wm，雨前含水量为W0，则下渗损失量为Wm－W0。当降雨量P>Wm-Wo，为饱和产流条件。

Wm对一定流域是不变的，故饱和产流决定于P和W0。饱和产流可据水量平衡方程确定产流量为：(3)与降水的关系：

与降水量有关，而与降水的强度关系不大。（4）分布区域：干旱地区以超渗产流为主。产流过程：(3)与降水的关系：24比较超渗产流与饱和产流的区别：①产生自然条件.②区域分布：湿润地区以饱和产流为主，干旱地区以超渗产流为主。③产流机制和产流量。④与雨强的关系。超渗产流决定于雨强，与降雨量关系不大。饱和产流决定于降水量，与雨强关系不大。比较超渗产流与饱和产流的区别：253.超渗与饱和产流交替型方式这种方式主要发生在包气带厚度约2—4米左右，土壤透水性中等，年内及多年降水量很不均匀，且地下水位变幅较大的地区。在干旱期，地下水位较低，降雨以超渗地面径流的产流机制为主。汛期到来，雨水比较集中，地下水位升高，有时甚至可上升至地面，则转变为以饱和地面径流的产流机制为主。【说明】在一些特殊下垫面地区，例如岩溶地区、水稻梯田地区、玄武岩承压水区，及三角洲圩田区等，其产流机制与方式均有其特殊性，有关院校及研究单位正在开展这方面的研究，并已取得了一些成果。3.超渗与饱和产流交替型方式264.我国一些地区的产流方式淮河以南、东北，冻土及永冻土带：以饱和地面产流类型为主。西北地区：多具超渗地面产流型特征。但高原草地和沼泽地带或有常年积雪补给的地区：以饱和地面产流为主。华北、东北的西南部：一般均以超渗地面产流居多。部分植被差的土石山区：呈现超渗径流和壤中径流复合型的产流特征。滨海平原，淮北地区：呈超渗、饱和产流交替型 前者由于地势低洼，地下水埋深浅，以及由于年内降水分配不均等；后者由于包气带较厚，年内和多年降水分布不均。4.我国一些地区的产流方式27三、流域汇流分析（一）流域汇流与汇流时间1、流域汇流：1）汇流过程： 流域上各处产生的各种成分的径流，经坡地到溪沟、河系，直到流域出口的过程，即为流域汇流过程。2）流域汇流： 坡地汇流和河网汇流的总和即为流域汇流。 流域出口断面的水位过程线，通常是由槽面降水，坡地表面径流，坡地地下径流（壤中和地下径流）等水源汇集到流域出口断面形成的。2、汇流时间三、流域汇流分析281）最大汇流历时：

距离流域出口断面上最远处的水质点，从产流开始，经坡面与河网汇流到达出口处的时间。 不同的水源汇流所经历的历时不同，在出口断面流量过程线上表现出不同的退水时刻。槽面降水〉坡地地面〉坡地地下径流汇流时间。（3-10）2）流域滞时：

是指流域出口断面洪水过程线的心形出现时间与净雨过程的心形出现时的时间的间隔。即净雨到产流滞后的时间。 如果流域各处流速变化不大，则流域滞时大体相当于流域平均汇流时间。1）最大汇流历时：29（二）流域汇流的影响因素1、降水特性的影响（1）雨强：雨强大，降水损失少，产流快，流量大，过程线尖陡（2）强度沿河流的移动方向。暴雨在下游，汇流历时短，洪峰出现时间越早，峰量大，峰形尖。从上游下移的洪水，汇流更快，峰量更大，更易引起中下游洪水的泛滥。（3-5）2、流域地形坡度的影响 地形坡度越陡，汇流速度越快，时间越短，地面径流的损失就越小，流量过程线越尖陡。（二）流域汇流的影响因素303、流域形状 在其它条件相同时，不同的流域形状会产生不同的流量过程线。狭长的比扇形的汇流慢，洪水涨落缓，峰形平缓。4、水力条件的影响 在畅流条件下，水位越高、流速越快，汇流时间越短，峰量越大，因而峰形越尖陡。3、流域形状31三、流域产、汇流计算方法现行的流域产汇流量的计算方法很多，现简要介绍。1.下渗曲线法 运用降雨过程和下渗曲线资料推求产流量的一种方法。2.径流系数法 一次降雨产生的径流量和降雨量的比值，称为本次降雨的径流系数。用径流系数求产流量时，只需把降雨量乘以径流系数即得。一般可将各地区的径流系数制成等值线图供查用。此方法是一种粗略估算的方法，精度较差。3.降雨径流关系法 将降雨量、产流量及其主要影响因素，通过一定的图线关系表达出来，便于实际查算应用。它主要是由实测数据点绘出的经验关系，例如降雨径流关系曲线等（图3-19）。可从相关图上直接查得径流量。三、流域产、汇流计算方法324、等流时线法：1）等流时线的基本概念流域内到达出口断面的汇流时间相同的各水质点连接而成的线，称为等流时线。也就是说，降落在这条线上的净降水量，形成地表径流以后，同时到达流域的出口断面。相邻两条等流时线间的面积称为等流时面积△W1、△W2、…△Wn。以W为纵坐标，以汇流时间为横坐标，既可作出直方图，也称等流时面积曲线。4、等流时线法：332）等流时线的绘制方法①选定汇流时段△τ。

汇流时段也就是相邻两条等流时线的汇流时间差。为方便，一般取△τ与降雨时段△t相同，即△τ=△t②确定一次洪水的流域平均流速。

对于较大流域其平均流速可用河槽汇流平均流速代替，对于较小流域，坡地汇流不能忽视，汇流历时为两者之和，流域平均汇流速度为： L1、L2为坡地和主河槽长度，为坡地和河槽汇流历时③确定等流时线间距以⊿S＝V*⊿τ为等流时线间距，从流域出口断面向上游绘等流时线，把流域分成若干等流时面积△W1、△W2、…△Wn。（上页图）2）等流时线的绘制方法343）利用等流时线计算出口断面流量过程把某区域分成五个等流时面积△ω1……△ω5，并将降雨过程分成三个时段的降雨，每一时段内净雨量用h1、h2、h3表示。根据等流时线概念，第一块等流时面积△ω1上的第一时段的净雨量h1第一时段内流到出口断面，第一时段平均流量为：3）利用等流时线计算出口断面流量过程35第二时段内：降落在△ω1上的净雨h2降落在△ω2上的净雨h1

第三时段内：降落在△ω1上的净雨h3降落在△ω2上的净雨h2降落在△ω3上的净雨h1

第四时段内：降雨停止：△ω1上产流为0。降落在△ω2上的净雨h3降落在△ω3上的净雨h2降落在△ω4上的净雨h1

第二时段内：第三时段内：第四时段内：36第五时段，无降雨第六时段，无降雨第七时段，无降雨第五时段，无降雨第六时段，无降雨第七时段，无降雨37三个时段净雨经过七个时段全部流出出口断面。利用求得的Q1、Q2、Q3……Q7，就可以绘制出口断面的流量过程线柱状图。

出口断面流量过程线柱状图三个时段净雨经过七个时段全部流出出口断面。出口断面流量过程线38等流时线法存在问题：1）实际流域的汇流速度是变化的，等流时线也应是变的，但绘制等流时线时，采用流域平均汇流速度，等流时线固定不变，不符合实际情况。2）没有考虑河网调蓄作用：降落在同一等流时面积上的净雨量，在同一时段内全部流出，没有考虑河槽的调蓄作用，故推得的流量过程线偏尖瘦，洪峰流量偏大。等流时线法存在问题：395、单位线法（舒尔曼单位线）：1）定义：单位线是指单位时段内均匀降落到流域上的单位净雨量在出口断面处所形成的地面径流过程线。单位时段：单位时段选取标准要视在该时段内净雨强度分布比较均匀。可取1，3，10，12…等小时。均匀降落：降雨在空间上是均匀的净雨。单位净雨量：扣除损失形成地面径流的那部分水量。一般取10mm。翻成通俗：单位线是指单位时段例如12小时内，均匀降落在流域内的单位净雨（取10mm），实际降落净雨可为5mm，20mm，…等。这10mm净雨在出口断面上所形成的地面径流过程线。5、单位线法（舒尔曼单位线）：402）基本假定： a.倍比定律假定：如果单位时段内的地面的净雨深不是一个单位，而是n个，则它所形成的流量过程线，总历时与时段单位线底长相同，各时刻的流量则为时段单位线的n倍。

b.叠加法则假定：如果净雨历时不是一个时段，而是m个，则各时段净雨深所形成的流量过程线之间互不干扰，出口断面的流量过程线等于m个部分流量过程错开时段叠加之和。该假设表明：前后期降雨量不影响单位线形状，流量可以迭加。2）基本假定：41（a）某流域3小时单位线（b）时段单位线倍比假定（c）时段单位线迭加假定

时段单位线及其假定示意图（a）某流域3小时单位线（b）时段单位线倍比假定（c）时段单423）单位线的分析与推求①资料选择：选择历时较短的暴雨及该段暴雨所产生的明显孤立洪峰作为分析对象。②计算各时段的净雨深hi：求出本次暴雨各时段流域平均降雨量，扣除损失，得到各时段净雨深hi③计算地面径流深y：据该次暴雨实测流量过程线割除地下径流求得地面径流深（也即由净雨所产生的径流），所以Σhi=yi为时段序号④推求单位线： 第一个时段：净雨量为h1，它所产生的地面径流量为Q1，10mm净雨量所产生的地面径流量为q1，则：

Q1=h1q1/10，q1=10Q1/h1 （据假设a）3）单位线的分析与推求43第二时段：如果有两个时段净雨量为h1，h2，则h1在第二时段产生的地面径流为h1q2/10 h2在第二时段产生的地表径流为h2q1/10， 故有： 求得第三时段：同理，在第三时段， h1经历了三个时段，产流为h1q3/10 h2经历了二个时段，产流为h2q2/10 h3经历了一个时段，产流为h3q3/10故有 则(假设a)第二时段：如果有两个时段净雨量为h1，h2，则h1在第二时段44以此类推。q1,q2,q3,…qn分别表示10mm降雨在第一、第二、第三时段的单位线纵坐标。4）单位线的应用①根据降雨量，扣除损失，求出各时段净雨量。②用与净雨时段相同的单位线推算出口断面处的地面径流过程线，以此类推。q1,q2,q3,…qn分别表示10mm降雨454）单位线存在的问题(1)单位线的倍比和叠加线性假定不能完全符合实际，由各次大洪水分析得到的单位线并不完全相同。原因是：河槽水流非线性变化，大小洪水汇流的度速不相同（如前已述）。(2)净雨量在流域上的分布也不完全是均匀的，如前已述，暴雨中心分布与移动方向不同可使流量过程线峰值与峰型均发生变化。(3)地下水的多少也影响单位线，地面径流比重大的洪水，单位线尖瘦，洪峰提前，地下水径流比重大则单位线平缓，洪峰滞后。实用上按洪水的大小予以分级，每级规定一条单位线。把暴雨中心位置分为几种，每种定一条单位线，使用时根据具体情况选用。4）单位线存在的问题46复习思考题复习思考题47第一节

陆地表面水的组成与结构——泰山学院旅游与资源环境学院第一节

陆地表面水的组成与结构——泰山学院旅游与资源环48【目的与要求】【教学内容】1.陆地表面水的组成与结构2.流域的产流机制；流域产流方式3.流域汇流分析【目的与要求】1.了解陆地表面水的组成与结构2.掌握流域产流的机制和方式；3.流域产流量的计算方法【教学重点与难点】1.流域产流机制和方式；等流时线法（难点）2.流域产流机制和方式；等流时线法（重点）【目的与要求】【教学内容】49陆地表面的基本水源来自大气降水。主要有类型： 地表水：冰川、湖泊、沼泽和河流、生物水。 地下水：陆地表面水中的89％固态冰川的水体形式分布在南极大陆，其余6大洲地表水的总量，仅占全球地表水的11％，而这11％中有10.16％还是冰川水体。因此除南极洲以外，陆地表面总水量中，冰川占92.84％，湖泊占6.65％，沼泽占0.43％，而河槽蓄水仅占0.08％。一、陆地表面水的组成陆地表面的基本水源来自大气降水。一、陆地表面水的组成50二、陆地表面水的结构冰川、湖泊、沼泽、河流，在地表水亚系统的水循环过程中，各具有其特殊的功能。这又是由其本身的水循环的机制和特性所决定的。河流槽蓄量最小，地表唯一的畅流液态水，它的水循环动力机制既受热力、更受重力作用所控制。因而，其交替更新的周期最短，也即水循环的活力最强。冰川：是地表第一大水体。具有稳定少变的特征，其水循环的活力最弱，交替更新的周期长。在地表水循环中发挥着储存和补给的功能，湖泊与沼泽：是地表洼地的滞流液态水体。水循环的活力较弱，在地表水水循环中，主要起着传递、调蓄的功能。地表水与海水交绥地区：即河流的河口区，它是河海传递的子系统。由于它兼受河川径流及海洋潮流等的影响，故河口子系统有着特殊的运动变化规律。二、陆地表面水的结构51第二节

流域产流与汇流第二节

流域产流与汇流52一、流域产流理论产流、汇流理论是河流水文学的核心理论，它是以综合分析自然现象各个因素之间的关系为基础的，是地理水文研究的重要课题，目前尚待完善。本节将分别介绍这两个过程的基本理论与分析方法。产流过程：是指流域中各种径流成分的生成过程，也是流域下垫面对降雨的再分配过程。产流实质：是流域降水后，水在具有不同的阻水、吸水、持水和输水特性的下垫面土层中垂向运行时，“供水与下渗”一组矛盾相互作用的产物。（一）产流机制产流机制：水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛盾在一定介质条件下的发展机理和过程。不同的供水和介质条件，径流的形成过程与机理各异，因而就出现不同的产流机制，呈现不同的径流特征。一、流域产流理论531.超渗地面径流的产流机制 概念：指供水与下渗矛盾发生在包气带上界面（地面）的产流机制。 地面径流的形成过程是在降雨、植物截留、填洼、雨期蒸发及下渗等几个过程组合下的发展过程。它们都是在相应作用力下垂向运行的过程。降雨P植物截留In填洼D植物散发ET下渗f蒸发E下渗f降雨径流的形成过程1.超渗地面径流的产流机制降雨P植物截留In填洼D植物散发E54

Rs（t）、为t时刻地面径流深；i、in、e、sd、f分别为降雨强度、截留率、蒸发率、填洼率、下渗率（mm/min）。上述降雨损失项中，植物截留量、雨期蒸发量、填洼量一般较小，而下渗量较大且变幅很大。下渗量可占降水量的百分之几到全部。故下渗在地面径流的产流中具决定性作用。前式忽略雨期蒸发和填洼损失项，并微分可得：自降雨开始至任一时刻的产流过程如下式：

Rs（t）、为t时刻地面径流深；i、in、e、sd、f分55

式中，rs为地面径流产流率（毫米/分）。由此可见，地面径流是供水与下渗矛盾发展的产物。即只有当i＞f时，才能产生地面径流。因此降雨强度大于下渗率是产生超渗地面径流的充分条件。超渗地面径流产生的前提条件是：①产流界面是地面（包气带的上界面） ②必要条件是要有供水源（降水） ③充分条件是降雨强度要大于下渗能力（i＞f）。ifp

ifp562.壤中径流的产流机制（1）概念：

是发生于非均质或层次性土壤中的透水层与相对不透水层界面上的产流机制，它可发生在饱和水流或非饱和水流情况下。（2）分析在包气带中，上层为粗质土壤，毛管传导度、下渗率较下层大。下层为相对较细的土壤，即fA﹥fBfAfBRI≦fA2.壤中径流的产流机制fAfBRI≦fA57现以ri

≦上层饱和传导度的降雨强度ri向土上层供水，则上层土壤中下渗率（fA）要大于（fB），当上层水流渗达两层界面上时，就在交界面上形成饱和积水。当上层土壤含水量﹥其田间持水量时，在相对隔水层上界面上形成自由水，随上层继续供水，水层增厚，形成临时饱和水带，从而形成壤中径流。两土层界面以上的水量平衡方程为：壤中流产流机制现以ri≦上层饱和传导度的降雨强度ri向土上层供水，则上层58式中，W（t）、W（0）分别为该层的t时刻和起始时刻的含水量；rss为壤中径流的产流率；余同前。只有当形成临时饱和带时，才能构成壤中径流的生成，即当土壤含水量大于田间持水量后，后续下渗的水流才能形成自由水。当界面以上土层达到饱和时，，

故：即：

3）壤中径流产流条件是：第三章-第一节、第二节课件59

①要有供水、即上层有下渗水（必要条件） ②要有比上层下渗能力小的界面（前提条件） ③供水强度要大于下渗强度（充分条件） ④产生临时饱和带，还要具有产生侧向流动的动力条件，即坡度及水流归槽条件（充分条件）。【说明】壤中径流的产生与降雨强度没有直接关系，它只取决于上层的下渗率。

若i﹤fA，只要fA﹥fB，形成临时饱和带，即可产生壤中径流，但无地面径流。 当i﹥fA﹥fB时，既有地面径流，又有壤中径流发生。 ①要有供水、即上层有下渗水（必要条件）603.地下径流的产流机制 1）概念： 是指包气带较薄、地下水位较高时的地下水产流机制。它同样也服从供水与下渗矛盾的产流规律。2）分析 其产流条件基本与壤中径流相同，只是其界面为包气带的下界面。 即可发生在非均质或层次性土壤层中，也可发生于均质土层中，或风化裂隙岩层中。 取常年稳定的浅层地下水位为基准，雨后，由上层补给水量而使水位升高的蓄水部分，就等于地下径流产流量。fCrg3.地下径流的产流机制fCrg61fCrg式中，fC为稳定下渗率；rg为地下径流产流率，余同前。对于非均质层则有：对于均质土层的水量平衡则有：当产生地下径流时，同样要形成临时饱和水带，即当土壤含水量大于田间持水量时产生自由水，此时Wt为常数，则rssfCrg式中，fC为稳定下渗率；rg为地下径流产流率，余同62

故有

rg=fC（均质土壤）即天然条件下入渗补给地下水水量全部转化为地下径流。。

非均质土壤：当

则有

rg=fC

-

rs

s（非均质土壤）

【说明】 天然条件下，当地下水位较高时，壤中径流与地下径流很难截然分开，通常将两者合并作为地下径流考虑。与壤中径流产流情况一样。只要i小于上层土壤下渗能力，甚至小于稳定下渗率时，只要包气带下缘形成临时饱和带，同样可以产生地下径流。

3）产流条件

故有

rg=fC（均质土壤）63

①要有供水，包气带要有下渗水 ②其产流界面为包气带的下界面（地下水面） ③要有稳定的下渗率（均质）或下渗要大于壤中流 ④包气带的下缘需形成临时饱和带（即使降雨强度i小于上层土壤下渗能力，甚至小于稳定下渗率时）4.饱和地面径流产流机制（1）概念：是在表层土壤具有较强透水性情况下的地面产流机制。 ①要有供水，包气带要有下渗水4.饱和地面径流产流机制64

在天然情况下，i﹤fA，故不易形成超渗产流，但在下层有弱透水层时，虽当i﹤fA（﹥fB），但i﹥fB，就可以形成壤中流。随着壤中流积水增加，包气带全变成临时饱和水带，此时，后继降雨就以地面径流的形式产出，该地面径流称饱和地面径流。 在天然情况下，i﹤fA，故不易形成超渗产流，但在下层有弱透65

可见，饱和地面径流生成的重要特征是：控制地面径流发生的并不是上层土层本身的界面和下渗能力，而是其下相对不透水层的界面和下渗能力，以及上层土层本身达到全层饱和的蓄水量。 水量平衡方程为：当全层饱和时，Wt=θs*HA=const，则

对前式积分，=

则

rsat=i-（rss+fB）

（3-9）式中，rsat为饱和地面径流产流率，余同前。

可见，饱和地面径流生成的重要特征是：控制地面径流发生的并66（3）产流条件 ①要有供水条件。且界面（弱透水层的上界面）供水fA要大于下渗强度fB ②在界面（弱透水层上界面）形成饱和积水带，且必须达到上层土层的全部饱和。【总结】四种产流机制可概括出共同规律：均服从于一定介质条件下供水与下渗矛盾规律。具体有：

①首先是任何产流机制其首要条件是要有供水，对地面径流是降水，对其它径流则是由上而下的下渗水流。

②要有足够的大于下渗率的供水强度。 对超渗地面径流，则i﹥上层土壤下渗率fA； 饱和地面径流降雨强度i﹥下层土壤下渗率fb； 壤中径流，上层土壤下渗率fa大于下层土壤下渗率fb； 对地下径流，则要稳定下渗率fc大于地下水的下渗率。（3）产流条件67③对壤中流和地下径流要求在界面上产生临时饱和带；对饱和地面径流，必须达到表层全层饱和，才具备了产流的充分条件。④所有产流都要有侧向运行的动力，如水力坡度、水流归槽的条件等。⑤所有产流都是发生在包气带的某些界面上。上界面：产生地面径流；中界面：产生壤中流和饱和地面径流（中界面以上达全包和）；下界面：产生地下径流。这些界面并不是任意界面，而是使供水和下渗矛盾激化的界面。它们的存在构成了不同产流机制，产生不同径流。故有的学者，概括为“界面产流规律”③对壤中流和地下径流要求在界面上产生临时饱和带；对饱和地面径68（2）遵循超渗地面径流产流机制和过程当始、末土壤含水量分别为WO、WE；土壤下渗量F=WE-WO由此计算产流量：

（二）流域产流方式 产流机制的组合为产流方式，它决定了流域产流的基本特征。常见的大流域的产流方式主要有以下3种。1.超渗产流方式（1）形成条件： 发生在地下水埋藏深，包气带厚度大，土壤透水性差、下渗能力小，植被较差的丘陵区和半干旱区。

（3-8）（2）遵循超渗地面径流产流机制和过程（二）流域产流方式（3-69

产流条件i〉f

产流量：Rs=p-F即降水量扣除下渗损失量。f与土壤的前期含水量有关，即土壤的前期含水量愈大，降水量愈多，则产流量愈大。（3）与降水的关系： 与降水强度i有关，与降水量大小关系不大。（4）区域分布：2.饱和产流（蓄满产流）方式（1）产流条件 多发生在包气带较薄、植被较好、土壤透水性强、下渗强度大的地区。（2）符合壤中流、地下径流和饱和地面径流的产流机制和过程。 由前已知，饱和产流总是与壤中流或地下径流相伴随，单纯的饱和产流是不存在的。 产流条件i〉f70产流过程：设包气带最大蓄水量为Wm，雨前含水量为W0，则下渗损失量为Wm－W0。当降雨量P>Wm-Wo，为饱和产流条件。

Wm对一定流域是不变的，故饱和产流决定于P和W0。饱和产流可据水量平衡方程确定产流量为：(3)与降水的关系：

与降水量有关，而与降水的强度关系不大。（4）分布区域：干旱地区以超渗产流为主。产流过程：(3)与降水的关系：71比较超渗产流与饱和产流的区别：①产生自然条件.②区域分布：湿润地区以饱和产流为主，干旱地区以超渗产流为主。③产流机制和产流量。④与雨强的关系。超渗产流决定于雨强，与降雨量关系不大。饱和产流决定于降水量，与雨强关系不大。比较超渗产流与饱和产流的区别：723.超渗与饱和产流交替型方式这种方式主要发生在包气带厚度约2—4米左右，土壤透水性中等，年内及多年降水量很不均匀，且地下水位变幅较大的地区。在干旱期，地下水位较低，降雨以超渗地面径流的产流机制为主。汛期到来，雨水比较集中，地下水位升高，有时甚至可上升至地面，则转变为以饱和地面径流的产流机制为主。【说明】在一些特殊下垫面地区，例如岩溶地区、水稻梯田地区、玄武岩承压水区，及三角洲圩田区等，其产流机制与方式均有其特殊性，有关院校及研究单位正在开展这方面的研究，并已取得了一些成果。3.超渗与饱和产流交替型方式734.我国一些地区的产流方式淮河以南、东北，冻土及永冻土带：以饱和地面产流类型为主。西北地区：多具超渗地面产流型特征。但高原草地和沼泽地带或有常年积雪补给的地区：以饱和地面产流为主。华北、东北的西南部：一般均以超渗地面产流居多。部分植被差的土石山区：呈现超渗径流和壤中径流复合型的产流特征。滨海平原，淮北地区：呈超渗、饱和产流交替型 前者由于地势低洼，地下水埋深浅，以及由于年内降水分配不均等；后者由于包气带较厚，年内和多年降水分布不均。4.我国一些地区的产流方式74三、流域汇流分析（一）流域汇流与汇流时间1、流域汇流：1）汇流过程： 流域上各处产生的各种成分的径流，经坡地到溪沟、河系，直到流域出口的过程，即为流域汇流过程。2）流域汇流： 坡地汇流和河网汇流的总和即为流域汇流。 流域出口断面的水位过程线，通常是由槽面降水，坡地表面径流，坡地地下径流（壤中和地下径流）等水源汇集到流域出口断面形成的。2、汇流时间三、流域汇流分析751）最大汇流历时：

距离流域出口断面上最远处的水质点，从产流开始，经坡面与河网汇流到达出口处的时间。 不同的水源汇流所经历的历时不同，在出口断面流量过程线上表现出不同的退水时刻。槽面降水〉坡地地面〉坡地地下径流汇流时间。（3-10）2）流域滞时：

是指流域出口断面洪水过程线的心形出现时间与净雨过程的心形出现时的时间的间隔。即净雨到产流滞后的时间。 如果流域各处流速变化不大，则流域滞时大体相当于流域平均汇流时间。1）最大汇流历时：76（二）流域汇流的影响因素1、降水特性的影响（1）雨强：雨强大，降水损失少，产流快，流量大，过程线尖陡（2）强度沿河流的移动方向。暴雨在下游，汇流历时短，洪峰出现时间越早，峰量大，峰形尖。从上游下移的洪水，汇流更快，峰量更大，更易引起中下游洪水的泛滥。（3-5）2、流域地形坡度的影响 地形坡度越陡，汇流速度越快，时间越短，地面径流的损失就越小，流量过程线越尖陡。（二）流域汇流的影响因素773、流域形状 在其它条件相同时，不同的流域形状会产生不同的流量过程线。狭长的比扇形的汇流慢，洪水涨落缓，峰形平缓。4、水力条件的影响 在畅流条件下，水位越高、流速越快，汇流时间越短，峰量越大，因而峰形越尖陡。3、流域形状78三、流域产、汇流计算方法现行的流域产汇流量的计算方法很多，现简要介绍。1.下渗曲线法 运用降雨过程和下渗曲线资料推求产流量的一种方法。2.径流系数法 一次降雨产生的径流量和降雨量的比值，称为本次降雨的径流系数。用径流系数求产流量时，只需把降雨量乘以径流系数即得。一般可将各地区的径流系数制成等值线图供查用。此方法是一种粗略估算的方法，精度较差。3.降雨径流关系法 将降雨量、产流量及其主要影响因素，通过一定的图线关系表达出来，便于实际查算应用。它主要是由实测数据点绘出的经验关系，例如降雨径流关系曲线等（图3-19）。可从相关图上直接查得径流量。三、流域产、汇流计算方法794、等流时线法：1）等流时线的基本概念流域内到达出口断面的汇流时间相同的各水质点连接而成的线，称为等流时线。也就是说，降落在这条线上的净降水量，形成地表径流以后，同时到达流域的出口断面。相邻两条等流时线间的面积称为等流时面积△W1、△W2、…△Wn。以W为纵坐标，以汇流时间为横坐标，既可作出直方图，也称等流时面积曲线。4、等流时线法：802）等流时线的绘制方法①选定汇流时段△τ。

汇流时段也就是相邻两条等流时线的汇流时间差。为方便，一般取△τ与降雨时段△t相同，即△τ=△t②确定一次洪水的流域平均流速。

对于较大流域其平均流速可用河槽汇流平均流速代替，对于较小流域，坡地汇流不能忽视，汇流历时为两者之和，流域平均汇流速度为： L1、L2为坡地和主河槽长度，为坡地和河槽汇流历时③确定等流时线间距以⊿S＝V*⊿τ为等流时线间距，从流域出口断面向上游绘等流时线，把流域分成若干等流时面积△W1、△W2、…△Wn。（上页图）2）等流时线的绘制方法813）利用等流时线计算出口断面流量过程把某区域分成五个等流时面积△ω1……△ω5，并将降雨过程分成三个时段的降雨，每一时段内净雨量用h1、h2、h3表示。根据等流时线概念，第一块等流时面积△ω1上的第一时段的净雨量h1第一时段内流到出口断面，第一时段平均流量为：3）利用等流时线计算出口断面流量过程82第二时段内：降落在△ω1上的净雨h2降落在△ω2上的净雨h1

第三时段内：降落在△ω1上的净雨h3降落在△ω2上的净雨h2降落在△ω3上的净雨h1

第四时段内：降雨停止：△ω1上产流为0。降落在△ω2上的净雨h3降落在△ω3上的净雨h2降落在△ω4上的净雨h1

第二时段内：第