水文学课件ppt版 课件第八章

第八章产流机制MechanismofRunoffGeneration降雨径流过程降雨到达下垫面后，在截留、填洼、土壤持水、下渗和蒸散发等因素作用下的余额～产流产生的径流从流域各处向流域出口断面汇集的过程～汇流过程本章主要内容包气带及其结构(Aeration(vadose)zoneanditsstructure)1包气带的水分动态及对降雨的再分配作用(Soilmoisturedynamicinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall)2产流的物理条件(Physicalconditionsforrunoffgeneration)3基本产流模式(Basicmodesofrunoffgeneration)4Part1Aerationzoneanditsstructure包气带和饱和带(Aerationzone&saturatedzone)1包气带结构(Thestructureofaerationzone)2特殊包气带(Specialaerationzone)3Part1Aerationzoneanditsstructure1-1Aerationzoneandsaturatedzone包气带和饱水带(AerationZoneorVadoseZoneandSaturatedZone)包气带：三相系统（three-phasesystem(liquid,gaseous,solid))没有水压力，有分子力和毛管力饱水带：二相系统（two-phasesystem(liquid,solid))地下水面包气带饱和带地下水面地面毛管悬着水带毛管上升水带中间带Part1Aerationzoneanditsstructure1-1AerationzoneandsaturatedzoneBedrockPart1Aerationzoneanditsstructure1-2Thestructureofaerationzone1)土壤结构(Soilstructure)在湿润条件下(P>800mm/a),溶提、淀积作用，土壤形成不同层次。残积层(plantresidues)溶提层（leaching)(颗粒较粗、孔隙较大）淀积层（accumulation)（颗粒较细、孔隙较小）母质层（parentmaterial)基岩（bedrock）在干旱条件下，土壤剖面的形成可能与上述不同。以中国黄土高原（LoessPlateau)为例，其不同深度的土壤颗粒的级配大致相同Part1Aerationzoneanditsstructure1-2Thestructureofaerationzone1)土壤结构(Soilstructure)在干旱条件下，土壤剖面的形成可能与上述不同。以中国黄土高原（LoessPlateau)为例，其不同深度的土壤颗粒的级配大致相同Part1Aerationzoneanditsstructure1-2ThestructureofaerationzoneP(mm/a)类型<200干旱200~400半干旱400~800半干旱半湿润>800湿润1)土壤结构(Soilstructure)Part1Aerationzoneanditsstructure1-2Thestructureofaerationzone2)岩石裂隙和溶隙结构(Structureofrockfractureandsolutioncrack)按裂隙的含水性和导水性，裂隙可分为：按裂隙的成因可分为：成岩裂隙(originalfracture)、构造裂隙(tectonicfracture)、风化裂隙(weatheringfracture)当不透水基岩出露地表时，包气带厚度为零。但当裂隙发育的岩石出露地表时，则表明包气带由岩石及其裂隙构成。含水性和导水性较好开裂隙不具有导水性闭裂隙不具有含水性和导水性隐裂隙Part1Aerationzoneanditsstructure1-2Thestructureofaerationzone溶隙：可溶性岩石，如石灰岩、白云岩、大理岩等分布地区，由于岩溶作用形成的各种孔隙，包括溶洞、溶蚀裂隙和溶孔等。Part1Aerationzoneanditsstructure1-3SpecialaerationzoneKarstinChina3.44millionkm2karstareainChina.TheSouthwestChinaKarstterrain,centeredbyGuizhouProvinceandcoveringsome540,000km2,

isbelievedthelargestcontinuouskarstareaintheworldPopulationinthesouthwestkarstareaisover100million90%ismountainousplateauPart1Aerationzoneanditsstructure1-3SpecialaerationzoneExample1:高寒地带的包气带(aerationzoneinahighandcoldarea)

Example2:不透水的下垫面Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall包气带水分动态(Soilmoisturedynamicsinaerationzone)A包气带对降雨的再分配作用(Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall)B包气带水量平衡方程式(Waterbalanceequationforaerationzone)CPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-1Soilmoisturedynamicsinaerationzone包气带水分动态是指包气带中水分含量及水分剖面的增长和消退过程a.包气带水分的增长(Soilmoistureincreaseinaerationzone)一次降雨中湿润锋面所能达到的最大深度取决于降雨历时、强度、土壤的透水性(permeability)和前期土壤含水量(antecedentsoilmoisturecontent)。上界面的降水（或灌溉）是包气带水分增长的主要原因。上界面以上的大气降水导致包气带水分增长的机理是下渗。Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-1Soilmoisturedynamicsinaerationzoneb.包气带水分的消退(Recessionofsoilmoistureinaeration

zone)---等于或稍小于田间持水量---介于凋萎含水量与毛管断裂含水量之间上界面的蒸散发是包气带水分消退的主要原因。根据蒸散发理论，蒸散发消耗水分取决于气象条件和土壤含水量。Part2SoilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfallPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-2Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall

1.包气带地面对降雨的再分配作用

(地面起“筛子”作用)Roleofgroundsurfaceinpartitioningrainfall(groundsurfaceservesasasieve)PRsIPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-2Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall2.包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”(threshold)作用)Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall下渗水量I，成为土壤持水量的一部分，其中部分以蒸散发形式返回大气。(a)Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-2Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall(b)2.包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”(threshold)作用)TheroleofaerationzoneinredistributingrainfallPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-2Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall(c)非均质土层请写出土层A和B的I、D、Rsub之间的关系表达式FA2.包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”(threshold)作用)TheroleofaerationzoneinredistributingrainfallPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-3Waterbalanceequationforaerationzone取决于和的相对大小。对某一场降雨1)P-E<D(当降雨终止时未达田间持水量)Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-3Waterbalanceequationforaerationzone对某一场降雨2)P-E>D(当降雨终止时达到田间持水量)Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-3WaterbalanceequationforaerationzoneEAEBECEDIFAFBFCA层C层B层Rsub,ARsub,BRsub,CFDD层EEΔWAΔWBΔWCΔWDRsub,D分层建立Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-3Waterbalanceequationforaerationzone各分层的水量平衡式Part3PhysicalconditionsforrunoffgenerationHorton理论(HortonTheory)ADunne产流理论(DunneTheory)BPart3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-1HortonTheory1935年，Horton在论文“地表径流现象”中提出：降雨强度必须大于地面下渗能力，是产生地面径流的条件；包气带缺水量必须满足，是产生地下水径流的条件（备注：设下雨前，河槽正在退水）

Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-1HortonTheoryacdb3-1HortonTheory均质包气带产流的物理条件：超渗地面径流(RS)的产流机制ifp物理条件： (1)要有界面，即地面(下渗容量fp)；

(2)要有供水，即降雨(雨强i)；

(3)要雨强大于地面下渗容量，即i>fp

，Rs=i–fp3-1HortonTheoryRS的计算3-1HortonTheory均质包气带产流的物理条件：地下水径流(Rg)的产流机制物理条件：整个包气带土壤含水量达到田间持水量Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-1HortonTheoryHorton产流理论并不能解释自然界存在的形形色色的产流现象。主要原因：Horton理论考虑的是均质土壤。而自然界的土层很少是均匀的，说明产流理论还需要发展。(Hortonianoverlandflow,超渗地面径流）(Rainfallexcess)Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory非均质包气带-层次包气带的情况

A粗B细iRint0fcAfpBfczPart3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory必要条件：①在包气带中存在相对不透水层②A层（上层）土壤含水量必须达到田间持水量，并具有侧向排水条件。壤中水径流产流(throughflow/subsurfaceflow/interflow)Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory壤中水径流产流(throughflow/subsurfaceflow/interflow)fpAfpBPart3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory必要条件：①在包气带中存在相对不透水层，上土层较薄，上层土壤透水性远强于下层土壤透水性。②A层（上层）土壤含水量必须达到饱和。饱和地面径流产流条件（Saturatedoverlandflow）Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory饱和地面径流计算fpAfpBi当下层为不透水岩层时：Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory回归流(Returnflow)不是一种产流成分，不影响产流计算，但是一种客观存在的径流现象，影响汇流计算相对不透水层物理条件：(1)壤中流发育；(2)坡脚处易形成出露地面的饱和带；(3)要具备有利于壤中流流出的坡度及地形。3-2DunneTheorySummary:四种径流成分(超渗地面径流、壤中流、饱和地面径流、地下水径流)的产生条件。产流机制的统一性和相互转化产流的基本条件：1)在两种不同透水性物质的界面上产生的2)上层介质的透水性必须好于下层介质的透水性产流量的分析计算：1)产流量的大小取决于对下渗面的供水强度与下渗面下渗容量的对比关系－“筛子”作用2)土层的水量平衡方程式－I=E+(We-W0)+F+R：“门槛”作用Part4Basicmodesofrunoffgeneration1、可能径流成分的组合(9种)成份总径流表达式总径流影响因素RsR=RsR=f(P,E,i,W0)Rs,RintR=Rs+RintR=f(P,i,W0A,E)Rsat,RintR=Rsat+RintR=f(P,i,W0A,W0B,E)Rs,RgR=Rs+RgR=f(P,E,W0)Rint,RgR=Rint+RgR=f(P,E,W0)RintR=RintR=f(P,i,W0A,W0B,E)Rs,Rint,RgR=Rs+Rint+RgR=f(P,E,W0)Rsat,Rint,RgR=Rsat+Rint+RgR=