水文学原理(第八章产流计算)

（三） 地下径流的产流机制
地下径流的产流机制是指包气带较薄、 地下径流的产流机制是指包气带较薄、地 下水位较高的地下水产流机制。 下水位较高的地下水产流机制。 对于均质土层的水量平衡方程则有： 对于均质土层的水量平衡方程则有：
Wt = W0 + ∫ f c dt − ∫ rg dt
0 0
t
t
dWt = f c − rg = 0 dt 所以：f c = rg
超渗地面径流总量计算公式
Rs = ∫(i − f p )dt= ∑(i − f p )∆t
i>f p i>f p
超渗产流发生地区： 超渗产流发生地区： 主要发生在地下水埋藏深、 主要发生在地下水埋藏深、包气带厚度 大 、 土壤透水性差、 植被也较差的丘陵区 土壤透水性差 、 或干旱地区。 或干旱地区 。 这些地区的土壤含水量经常 较低， 在通常降水条件下， 较低 ， 在通常降水条件下 ， 下渗达不到整 个包气带的厚度。 个包气带的厚度。
（六）、产流机制的相互转化 ）、产流机制的相互转化
对某特定包气带， 对某特定包气带，当雨强小时可能只生 成地下水径流或壤中水径流， 成地下水径流或壤中水径流，而对于久旱以 后的大暴雨却可能只生成超渗地面径流。 后的大暴雨却可能只生成超渗地面径流。
如果在考虑到降雨历时， 如果在考虑到降雨历时，则较短历时的小雨 可能只生成地下径流或壤中流，而长历时的小雨 可能只生成地下径流或壤中流， 却可能还要生成饱和地面径流。 却可能还要生成饱和地面径流。 若再考虑植被和前期土壤含水量，这种产流机 若再考虑植被和前期土壤含水量， 制的转化关系可能还要变得更复杂。 制的转化关系可能还要变得更复杂。
三、流域产流面积的变化与发展概述 1.蓄满产流面积的发展特点（湿润地区） 1)首先发生于含水量大已达到饱和的相对不大的 面积上； 2）饱和面积在降雨期间不断扩大； 3）面积的发展与坡度有关系； 4）面积的发展与前期土壤湿润程度，地下水埋藏 深度有关；
2.超渗产流面积的发展特点 1）流域中各处的产流是随机的； 2）产流面积的发展与雨强关系密切； 3）很难全流域产流；
非均质土壤： 非均质土壤：
Wt = W0 + ∫ f c dt − ∫ rss dt − ∫ rg dt
0 0 0 t t t
dWt = f c − rss − rg = 0 dt 所以：rg = f c − rss
（四）、饱和地面径流产流机制 ）、饱和地面径流产流机制 在表层土壤具有很强透水性的情况下， 在表层土壤具有很强透水性的情况下， 虽然雨强超过地面下渗容量几乎不可能， 虽然雨强超过地面下渗容量几乎不可能， 但因为下层是相对不透水层， 但因为下层是相对不透水层，所以却可能 发生雨强大于下层下渗容量的情况。按照 发生雨强大于下层下渗容量的情况。 壤中水径流产生的条件， 壤中水径流产生的条件，这时首先会产生 壤中径流。 壤中径流。
当水分在AB界面上积聚形成临时饱和 当水分在AB界面上积聚形成临时饱和 AB 带，在适当的条件下可产生侧向流动。这 在适当的条件下可产生侧向流动。 种在两种不同透水性土壤的界面上形成的、 种在两种不同透水性土壤的界面上形成的、 在适当条件下可以沿界面流动的径流称为 壤中水径流。 壤中水径流。
一场降雨产生的壤中径流总量可按下式计算： 一场降雨产生的壤中径流总量可按下式计算：
四.产流面积空间变化统计特 征曲线 （1）流域蓄水容量面积分配 曲线 1）一条单值递增曲线；
′ 2）Wmm在数值上等于包气带最 大点的缺水量；
（2）蓄满产流面积变 化的特点 a.随着降雨量的增加， 产流面积随之增加； b.产流面积的变化与雨 强无关；
（2）流域下渗能力分配曲线源自超渗产流情况下产流面积的变化特点： 超渗产流情况下产流面积的变化特点： a.随降雨历时的增长，产流面积时大时小； 随降雨历时的增长，产流面积时大时小； 随降雨历时的增长 b.产流面积的大小与降雨时段流域蓄水量及降雨强 产流面积的大小与降雨时段流域蓄水量及降雨强 度有关； 度有关；
饱和产流生成的主要特征： 饱和产流生成的主要特征： 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， 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 的界面和下渗能力 ， 全层饱和的蓄水量。 全层饱和的蓄水量。
由此可见， 由此可见，饱和地面径流产生的物理 条件是： ）存在相对不透水层， 条件是：1）存在相对不透水层，且上层土 壤的透水性很强， 壤的透水性很强，而下层土壤的透水性却 弱得多； ） 弱得多；2）上层土壤含水量达到饱和含水 量。 一场降雨产生的饱和地面径流量为： 一场降雨产生的饱和地面径流量为：
Wt = W0 + ∫0 idt − ∫0 f B dt − ∫0 rss dt − ∫0 rrat dt
t
t
t
t
其特点是土壤比较湿润， 其特点是土壤比较湿润，且接近地下水 面有毛管水带， 土壤缺水量较小， 面有毛管水带 ， 土壤缺水量较小 ， 一次降 水下渗锋面很容易与毛管水建立水力联系， 水下渗锋面很容易与毛管水建立水力联系 ， 包气带很容易达到饱和。 包气带很容易达到饱和。 饱和产流取决于降雨量的大小和土壤雨 前含水量， 而与雨强无关。 前含水量 ， 而与雨强无关 。 （ 与超渗产流 区别） 区别）
一、蓄满产流模型的基本概念 1.降雨使包气带土壤达到田间持水量之前不产流， 降雨使包气带土壤达到田间持水量之前不产流， 降雨使包气带土壤达到田间持水量之前不产流 此前的降雨全部用以补充土层的缺水量； 此前的降雨全部用以补充土层的缺水量； 2.土层水分达田间持水量（蓄满）后开始产流，以 土层水分达田间持水量（蓄满）后开始产流， 土层水分达田间持水量 后的降雨（除去雨期蒸发）全部变为净雨。 后的降雨（除去雨期蒸发）全部变为净雨。 3.流域上只有蓄满的地方才产流，故产流期的下渗 流域上只有蓄满的地方才产流， 流域上只有蓄满的地方才产流 为稳渗率，其中下渗至潜水层的部分成为地下径流， 为稳渗率，其中下渗至潜水层的部分成为地下径流， 超渗的部分成为地面径流。 超渗的部分成为地面径流。
dR dP <1
，
两种产流方式的对比
产流方式 产流条件 损失量 产流量 径流成分 决定产流 量的因素 蓄满产流 包气带土湿达田间持水量 包气带雨始土湿达田间持水 量的缺水量 包气带达田间持水量后的后 续降雨量 地面径流与地下径流 超渗产流 雨强超过渗强 雨期下渗量 超渗时期雨强与渗 强之差 地面径流
第三节
1 单 点 产 流 类 型
产流模式
2.流域产流模式 流域产流模式 （1）地表径流为主 ） （2）饱和产流为主 ） （3）地表径流和饱和产流的相互转型 ）
二 流域产流模式和产流特征
1.影响流域产流特征因素分析 1.影响流域产流特征因素分析 （1）流域下垫面的构成因素 （2）流域上的水分因素
壤中径流的产生它只取决于上层的下渗 当雨强小于上层下渗率时， 率。当雨强小于上层下渗率时，只要上层下 渗率大于下层下渗率，形成临时饱和带， 渗率大于下层下渗率，形成临时饱和带，即 可产生壤中流， 可产生壤中流，而且此时只有壤中流而无地 面径流。雨强最大，下层下渗率最小时， 面径流。雨强最大，下层下渗率最小时，既 有地面径流，又有壤中径流。 有地面径流，又有壤中径流。
对于壤中流和地下水径流， 2） 对于壤中流和地下水径流，还需要 在界面上产生临时饱和带；对饱和地面径流， 在界面上产生临时饱和带；对饱和地面径流， 还必须达到表层全层饱和。 还必须达到表层全层饱和。 3）不管何种产流，都要有侧向的径流动 不管何种产流， 力条件，如水力坡度、水流归槽的条件等。 力条件，如水力坡度、水流归槽的条件等。 4）无论那种产流，都是发生在包气带的 无论那种产流， 某些界面上。 某些界面上。
饱和产流的主要特点： 饱和产流的主要特点： 1）先满足包气带最大蓄水容量的地方先产流； 先满足包气带最大蓄水容量的地方先产流； 2）一次降雨过程中，随着降雨的继续，产流 一次降雨过程中，随着降雨的继续， 面积不断增大，产流量也相应增大; 面积不断增大，产流量也相应增大;
3）同一降雨量，包气带起始蓄水量大，则产 同一降雨量，包气带起始蓄水量大， 流大，则产流量也大，反之产流量也小； 流大，则产流量也大，反之产流量也小； 4）当未满足流域的最大蓄水容量以前 满足以后 dR dP = 1 。
超渗产流的发生取决于雨强， 超渗产流的发生取决于雨强，而与降 雨量大小关系不大。 雨量大小关系不大。其径流量与产流面积 并不随降雨的继续而增长，而是有增有减。 并不随降雨的继续而增长，而是有增有减。
（二）、壤中径流产流机制 ）、壤中径流产流机制 1. 层次包气带的情况 为简便计， 为简便计，设包气带由 两种质地的土壤构成。 两种质地的土壤构成。如图 所示。上层土壤质地较粗， 所示。 上层土壤质地较粗， 用 A 表示 。 下层土壤质地较 表示。 细，用B表示。 表示。
霍 顿 产 流 理 论
（一）、超渗地面径流的产流机制 ）、超渗地面径流的产流机制
Rs (t ) = ∫ idt − ∫ in dt − ∫ edt − ∫ sd dt − ∫ fdt
0 0 0 0 0
t
t
t
t
t
前提条件：产流界面是地面（包气带的上界面）； 前提条件：产流界面是地面（包气带的上界面）； 必要条件：要有供水源； 必要条件：要有供水源； 充分条件：降雨强度大于下渗能力； 充分条件：降雨强度大于下渗能力；
降雨量， 降雨量，雨始土湿
雨强， 雨强，雨始土湿
（五）、产流机制的统一性 ）、产流机制的统一性
无论是超渗地面径流、地下水径流、 无论是超渗地面径流、地下水径流、 壤中水径流，还是饱和地面径流， 壤中水径流，还是饱和地面径流，其产流 机制都是建立在以下条件下， 机制都是建立在以下条件下，即： 1）任何一种径流成分都是在两种不同透 水性物质的界面上产生的， 水性物质的界面上产生的 ， 而且上层介质 的透水性必须好于下层介质的透水性。 的透水性必须好于下层介质的透水性。