chr8_产流机制.pdf

水文学原理教学课件水文学原理教学课件水文学原理教学课件水文学原理教学课件(for(for水文水文水文水文07)07) 第八章第八章第八章第八章 产流机制产流机制产流机制产流机制 Mechanism of Runoff GenerationMechanism of Runoff Generation 2 Contents ?包气带及其结构包气带及其结构 •(Aeration (vadose) zone and its structure) ?包气带的水分动态及对降雨的再分配作用包气带的水分动态及对降雨的再分配作用 •(Soil moisture dynamic in aeration zone and its roles in partitioning rainfall) ?产流的物理条件产流的物理条件 •(Physical conditions for runoff generation) ?基本产流模式基本产流模式 •(Basic modes of runoff generation) 3 Part 1 Aeration zone and its structure 1 1 包气带和饱和带 (Aeration zone & saturated zone) 包气带和饱和带 (Aeration zone & saturated zone) 2 2 包气带结构 (The structure of aeration zone) 包气带结构 (The structure of aeration zone) 3 3 特殊包气带 (Special aeration zone) 特殊包气带 (Special aeration zone) 1-1 Aeration zone and saturated zone 包气带和饱水带包气带和饱水带 (Aeration Zone or Vadose Zone and Saturated Zone) 包气带：三相系统（包气带：三相系统（three-phase system (liquid,gaseous, solid)) 没有水压力，有分子力和毛管力没有水压力，有分子力和毛管力 饱水带：二相系统（饱水带：二相系统（two-phase system (liquid,solid)) 地下水面地下水面地下水面地下水面 包气带包气带包气带包气带 饱和带饱和带饱和带饱和带 地下水面地下水面地下水面地下水面 地面地面地面地面 毛管悬着水带毛管悬着水带毛管悬着水带毛管悬着水带 毛管上升水带毛管上升水带毛管上升水带毛管上升水带 中间带中间带中间带中间带 (zone of rising capillary water) (zone of suspended capillary water) (intermediate zone) 1-1 Aeration zone and saturated zone Bedrock 6 1-2 The structure of aeration zone 1) 土壤结构土壤结构(Soil structure) 在湿润条件下在湿润条件下(P800mm/a), (P800mm/a), 溶提、淀积作用，土壤形成不同层溶提、淀积作用，土壤形成不同层 次。

次 在干旱条件下，土壤在干旱条件下，土壤 剖面的形成可能与上剖面的形成可能与上 述不同以中国黄土述不同以中国黄土 高原（高原（Loess Plateau)Loess Plateau) 为例，其不同深度的土为例，其不同深度的土 壤颗粒的级配大致相同壤颗粒的级配大致相同 残积层残积层(plant residues) 溶提层（溶提层（leaching) (颗粒较粗、孔隙较大）颗粒较粗、孔隙较大） 淀积层（淀积层（accumulation) （颗粒较细、孔隙较小）（颗粒较细、孔隙较小） 母质层（母质层（parent material) 基岩（基岩（bedrock）） 7 1-2 The structure of aeration zone P(mm/a)类型类型 800湿润湿润 8 按裂隙的含水性和导水性，裂隙可分为： 1-2 The structure of aeration zone 2) 岩石裂隙和溶隙结构岩石裂隙和溶隙结构 (Structure of rock fracture and solution crack) 含水性和导 水性较好 开裂隙开裂隙 不具有导水 性 闭裂隙闭裂隙 不具有含水 性和导水性 隐裂隙隐裂隙 按裂隙的成因可分为：按裂隙的成因可分为：成岩裂隙成岩裂隙(original fracture) original fracture) 、、构造裂隙构造裂隙(tectoni(tectonic c fracture) fracture) 、、风化裂隙风化裂隙(weatheri(weatherin ng fracture)g fracture) 当不透水基岩出露地表时，包气带厚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时，则表明包气带由岩石及其裂隙构成 9 1-3 Special aeration zone Example: Example: 高寒地带的包气带高寒地带的包气带 (aeration zone in a high and cold area)(aeration zone in a high and cold area) 10 Part 2 Soil moisture dynamics in aeration zone and its roles in partitioning rainfall 包气带水分动态 (Soil moisture dynamics in aeration zone) A 包气带对降雨的再分配作用 (The role of aeration zone in redistributing rainfall) B 包气带水量平衡方程式 (Water balance equation for aeration zone) C 11 2-1 Soil moisture dynamics in aeration zone 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。

• 包气带水分的增长(Soil moisture increase in aeration zone) (1) (2) (3) 一次降雨中湿润锋面所能达到的最大深度取决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、土壤的透水性于降雨历时、强度、土壤的透水性 (permeability)和前期土壤含水量和前期土壤含水量(antecedent soil moisture content) 上界面的降水（或灌溉）是包气带水分增长上界面的降水（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气带水分增长的机理是下渗 ∑∑ ≤ Δ+Δ= pp fifi p titfI 12 2-1 Soil moisture dynamics in aeration zone • 包气带水分的消退包气带水分的消退(Recession of soil moisture in ae(Recession of soil moisture in aerationration zone)zone) ---等于或稍小于田间持水量---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---介于凋萎含水量与毛管断裂含水量之间 b θ 上界面的蒸散发是包气带水分消退的主要原因。

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 a θ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤= ≤≤ =+=+ =− =+ ∫∫∫∫ ∫ •包气带地面对降雨的再分配作用 (地面起“筛子”作用) •Role of ground surface in partitioning rainfall (ground surface serves as a sieve) 14 •包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”(threshold)作用) •The role of aeration zone in redistributing rainfall () () sub IED D IEDR − −−= 为包气带缺水量 地面以下径流 0 0 0 (). subf fsub f IEDRDWW IEWWR WW =++=− =+−+ 其中 田间持水量，土壤初始含水量 下渗水量I，成为土壤持水量的一部下渗水量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分，其中部分以蒸散发形式返回大气。

(a) 2-2 The role of aeration zone in redistributing rainfall 15 0 , () e eef IED I IEWW WWW − =+− 被分成两部分： 为雨末包气带含水量， (b) 2-2 The role of aeration zone in redistributing rainfall •包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”作用) •The role of aeration zone in redistributing rainfall 16 2-2 The role of aeration zone in redistributing rainfall •包气带土层对降雨的再分配作用(土层起“门槛”作用) •The role of aeration zone in redistributing rainfall F FA A (c)(c)非均质土层非均质土层 请写出土层请写出土层A A和和B B的的I I、、D D、、R Rsu sub b之间的 之间的 关系表达式关系表达式 17 2-3 Water balance equation for aeration zone )( )( )( 0 0 0 WWEPR RWWEP WWEI RIP es se e s −−−=⇒ +−+= ⎭ ⎬ ⎫ −+= += e W p f i取决于和的相对大小。

),,,( 0 WiEPfRs= 对某一场降雨 1) P-ED(当降雨终止时达到田间持水量) ),,( 0 WEPfR = 19 Part 3 Physical conditions for runoff generation Horton理论(Horton Theory) A Dunne产流理论(Dunne Theory) B 20 3-1 Horton Theory 1935年，年，Horton在论文在论文 “地表径流现象地表径流现象 ”中提出：中提出： •降雨强度必须大于地面下渗能力降雨强度必须大于地面下渗能力，是产生地面径流的条，是产生地面径流的条 件；件； •包气带缺水量必须满足包气带缺水量必须满足，是产生地下水径流的条件（备，是产生地下水径流的条件（备 注：设下雨前，河槽正在退水）注：设下雨前，河槽正在退水） 21 3-1 Horton Theory b b , p s ifIED R −− +涨落洪不对称，,为超渗地面径流, 为地下径流 , p g ifIED R 峰低量大，涨落对称， c c , p ifIED− 不产流，降雨后河槽流量没有变化 d d 22 3-1 Horton Theory Horton 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 (Hortonian overland flow, 超渗地面径流） (。