1、第二章 流域产流,基本概念如何来表示流域的土壤含水量？（前期影响雨量Pa、流域的蓄水量W）流域最大蓄水量又称流域蓄水容量，相当于田间持水量与凋萎含水量的差值（田间持水量：土壤保持水分的最大量）蓄满产流模式：是指包气带土壤含水量达到田间持水量（称“蓄满”）前，降雨全部补充土壤缺水量，不产流；蓄满后开始产流，此后的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨。这种产流模式称为蓄满产流。适用于土壤缺水量不大的湿润地区。这些地区，一场较大的降雨常易使全流域土壤含水量蓄满。只有在蓄满的地方才产流，所以产流期的下渗为稳定下渗率fc。下渗的雨量形成地下径流，超渗的雨量成为地面径流。,2.6 蓄满产流,总产流直接径流Rs
2、浅层地下径流Rg,2.6 蓄满产流,基本概念蓄满产流用公式说明：蓄满前：蓄满后：蓄满产流以满足包气带缺水量为产流控制条件。就流域中某点而言，蓄满前的降雨不产流，蓄满后才产流，产流量（总净雨量）可以用水量平衡方程计算： 上式只适用于包气带各点蓄水容量相同的流域，或用于雨后全流域蓄满的情况。,蓄水容量,2.6 蓄满产流,若一场降雨不能使全流域蓄满，流域内也观测到径流，why?流域内各点包气带厚度不一致，各点蓄水容量（土壤缺水量）也不相同，先蓄满的地方先产流，后蓄满的地方后产流，产流面积逐渐增加，这种产流状态称之部分产流（局部产流），最后逐步过渡到全面产流。因此，蓄满有早有晚，产流有先有后，所以还要
3、考虑降雨开始时流域的蓄水分布情况（即流域蓄水容量分布曲线）。,蓄水容量曲线表征土壤缺水量空间分布的不均匀性流域部分产流主要是因为流域各处蓄水容量不同所致。如果将流域内各点的蓄水容量从小到大排列，并计算小于某一蓄水容量Wm的面积占流域面积的比重，便可绘出Wm 关系曲线，称为流域蓄水容量曲线。,2.6 蓄满产流,2.6 蓄满产流,蓄水容量曲线多数地区经验表明：蓄水容量曲线可由指数方程近似描述即:,WM流域平均蓄水容量,b是常数，反映了流域包气带蓄水容量分布的不均匀性，越大表示越不均匀。,流域蓄水容量曲线,2.6 蓄满产流,降雨产流量计算(蓄满)P分布均匀第1个时段：初始土壤含水量W01=0；蒸发量
4、E1；降雨量P1R1、I1、 a 1第2个时段：初始土壤含水量W02= I1 ；蒸发量E2；降雨量P2R2、I2、 a 2WMM有上限，降水总量达到一定深度后全流域产流。,R1,P2- E2,R2,I2,2.6 蓄满产流,降雨产流量计算(蓄满)一般情况下，降雨前初始土壤含水量W0不为零，对应的最大流域蓄水容量为A； 全流域有比例为a0的面积已经蓄满，降落在该面积的雨量形成径流，降在1-a0的面积上的降雨不能形成径流,2.6 蓄满产流,降雨产流量计算(蓄满)同,代入蓄水容量曲线 可得a0,2.6 蓄满产流,降雨产流量计算(蓄满)当A+PEWMM时（全流域产流）,汇总,2.6 蓄满产流,当A+PE
5、WMM时（全流域产流）,代入蓄水容量曲线 可得a0,作业：1. p36，蓄满产流模型产流量计算。,2.6 蓄满产流基本概念（蓄水容量、田间持水量 、蓄满产流） 蓄水容量曲线降雨产流量计算(蓄满)水源划分(蓄满)二水源重点难点：重点见红色部分；难点为降雨产流量计算,小结,水源划分1.二水源划分(直接径流地下径流)2.三水源划分*二水源划分(直接径流地下径流)Notes:1)超渗产流只有地面径流，水源划分主要针对蓄满产流；2)按蓄满产流方式，一次降雨所产生的径流总量包括地面径流和地下径流两部分，在推求洪水过程线时要分别处理。即将净雨R分成地面径流Rs和地下径流Rg。,2.6 蓄满产流,Pe,R,F
6、r,a R / Pe,产流面积,2.6 蓄满产流,二水源划分(直接径流地下径流)基本原理由蓄满产流概念可知，包气带土壤含水量达到田间持水量（称“蓄满”）前，降雨全部补充土壤缺水量，不产流；蓄满后开始产流，此后的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨。稳定下渗率fc：注意，只有在蓄满的地方才产流，产流期的下渗为稳定下渗率fc，且稳定下渗只有在产流面积上才发生。下渗的雨量形成地下径流rg ，降雨强度超过稳定入渗（超渗）的雨量成为地面径流rs。产流面积：只有在蓄满的地方产流，此时，时段的总产流量由水量平衡方程可知，由此可得即产流面积比等于径流系数。 根据产流面积和稳定下渗率fc可划分rs和rg。,2.6
7、蓄满产流,二水源划分基本原理,第1时段：PE1 fct (或FC)，总径流r2地下径流直接径流土壤水分增量划分的关键在于推求稳定下渗率fc 。,二水源划分fc 的推求 在水源划分中，fc 是一个重要参数，它是土壤、地质、植被等的综合反映，可根据实测雨洪资料分析得到。具体过程为：首先根据蓄满产流原理由降雨过程Pt推求净雨过程ht；根据本章2.4节方法推求相应的实测地下径流总量Rg ；然后采用试错法确定fc，即假设一个fc代入公式计算，当Rg计算 =Rg实测时,假设的fc即为所求 。分析多次洪水，定出流域fc的平均值。 已知： Pe ，r ,Rg实测=3 8.1mm,计算fc？设 fc= 2.0m
8、m/h ，得 Rg= 47.1mm ，不等于38.1mm 。再假设 fc= 1.6 mm/h ， Rg= 38.6 mm ，与 38.1 mm 相差很小。 fc= 1.6 mm/h,2.6 蓄满产流,2.7 超渗产流,主 要 内 容,2.7 超渗产流,基本概念下渗现象与下渗率下渗现象：水分通过下渗面向土壤中运动的现象。 影响因素内因土壤结构（具有空隙，分子力、毛管力、重力）土壤含水量外因供水条件（自然界降雨；人工灌溉）下渗率f：单位时间、单位面积下渗到土壤中的水量,2.7 超渗产流,基本概念下渗能力与下渗曲线下渗能力fp：供水充分情况下的下渗率。fp反映影响下渗率的内因，或反映除供水条件以外的
9、综合性因素。下渗曲线1.下渗能力曲线：下渗能力随时间的变化过程线，简称下渗曲线fp(t)t。2.累积下渗曲线：累积下渗量Fp随时间的增长曲线。以Fp(t)t表示。 3. fp(t) Fp(t),一次降雨的下渗过程可分为初渗、不稳定下渗、稳定下渗三个阶段。供水充分情况下若W0=0，土壤干燥， fp非常大分子引力、毛管力作用非常大，重力小多了，随着水分的慢慢增多，分子力、毛管力逐渐减小，重力作用逐渐增大。当W0=W田持，包气带达田间持水量时，重力在作用下渗能力基本是常数，fp是水平线，高度为fc。所以下渗曲线是一簇曲线，与W0有关,2.7 超渗产流,初渗阶段，降雨全部损失，不产流。i0f，产流Ri
10、f，下渗损失 后损,概述在干旱半干旱地区,地下水埋藏很深，包气带很厚，可达几十米甚至上百米，缺水量大，降雨过程中下渗的水量不易使包气带蓄满，一般不会产生地下径流。并且只有当降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流，所以降雨产流量R主要由地面径流RS组成,这种产流方式称为超渗产流。超渗产流模型原理一般，干旱地区，降雨强度大，历时短，E可忽略，PE可由P代替,2.7 超渗产流,式中：RS：时段地面径流量； PE：扣除蒸发量的时段降雨量； F： 时段下渗量。单位：mm/t,F的确定是关键 -下渗速率fc,非饱和带土壤水分运移方程在水文预报这一课程中，常用下渗曲线来代替K。不同的下渗关系形成了不同的超渗产
11、流计算下渗曲线1.物理概念公式2.经验下渗方程3.经验相关关系图,2.7 超渗产流,K为非饱和土壤水力传导度，L/T；D为土壤水力扩散度， L2/T ； 为土壤含水率；Z为固定基面以上高程。,加边界（上、下） 初始条件求解（数值）,下渗曲线1.物理概念公式1911年，格林和安普特提出在充分供水条件下均质土壤的入渗关系，并用有物理意义的量来表达：Hk为以土壤最大毛管上升高度表示的水柱下端毛管弯月面的吸引力,2.7 超渗产流,入渗速率地面积水深度湿润锋面的毛管压力饱和带垂直厚度饱和带的土壤导水率,实验：包德曼和考尔曼，不同均质土壤进行实得到的实验结果：下渗水流沿垂线含水量分布情况。,2.7 超渗产
12、流,下渗曲线1.物理概念公式水量平衡方程,注意到初始条件：,2.7 超渗产流,下渗曲线1.物理概念公式由公式可知，当t时，fKK在数值上等于稳定下渗率fcHk毛管吸引力取决于土壤结构空隙大小，与渗透系数K一样不随时间变化。因此f只是D和t的函数D为缺水率，反映初始土壤含水量的大小，因此，上式可建立以初始土壤含水量为参数的一组曲线fWt，如图所示。,下渗曲线2.经验公式Horton公式；Philip公式Horton公式：R.E.霍顿根据实验资料，建立了下渗能力曲线的经验公式为：f(t=0)=fM，每次降雨起始时刻下渗率不一定等于fM，起始时间不一定为0，设开始时刻下渗率为f0，相应t0:,2.7
13、 超渗产流,fc：稳定下渗率fM：最大下渗能力，即土壤干燥时下渗率k：参数，表示土壤物理性质,33,存在问题：,1)对任何时刻的雨强大于或等于下渗率时，公式是成立的。如果一次降雨过程中雨强小于下渗率时，公式则须随时修正。 2)不能适当地处理初始土壤含水量不同的情况。 3)如何把流域上点的下渗曲线，运用到整个流域面上去，是个不易解决的问题。,2.7 超渗产流,2.经验公式Horton公式Philip公式Philip公式： Philip累积下渗量公式： 将土壤含水量W代替Ft，即可获得ft,2.7 超渗产流,(Horton累积下渗量公式),超渗产流算例下渗方程采用Philip公式，A=0.1; B
14、=5.6。,2.7 超渗产流,2.7 超渗产流,Z f,2.7 超渗产流,3.经验关系,应用水文观测资料，可制作fWFt经验关系曲线,下渗曲线的制作1.分析法推求流域下渗曲线水量平衡法对于小流域，其气候条件、植被、土壤等比较均一，流域平均的下渗曲线具有较好的代表性。流域平均的下渗曲线可用降雨径流资料按水量平衡方程式分析求得。等号左边为已知项，右边两项为未知。？试算法先假设一条下渗曲线ft，得WS过程，点绘QWS，根据地面径流汇流蓄量与泄量应呈线性关系。否则，重新假设下渗曲线。,2.7 超渗产流,2.7 超渗产流,下渗曲线的制作1.分析法推求流域下渗曲线水量平衡法,2.7 超渗产流,下渗曲线的制
15、作2.菲利普下渗曲线的分析计算选择n次洪水，可得一组累积下渗量和相应下渗历时以及总累积量和下渗历时图中T轴是以F0=W0为起点的，该曲线下端外延到F=0时可得t0,2.7 超渗产流,下渗曲线的制作2.菲利普下渗曲线的分析计算由于Ft是曲线，外延时任意性较大，可用菲利普累积下渗量公式分析推求Philip累积下渗量公式： 假设不同的t0,用最小二乘法率定即可得上式相应的参数A和B，选择一个t0 ，使误差平方和E最小，其相应的参数值即为所求。,2.7 超渗产流,下渗曲线的制作3.经验下渗关系和霍顿下渗公式分析计算平割法得平均下渗率：图中作水平线de，使de线以上的雨量等于实测径流深。产流历时为T，按
16、照平均下渗率计算 处的超渗累积下渗量为超渗产流起始土湿对于n次洪水可得一组值点绘 相关图，该经验下渗关系可直接用于产流计算如图所示,2.7 超渗产流,下渗曲线的制作3.经验下渗关系和霍顿下渗公式分析计算利用该图可确定霍顿下渗公式中的参数，将图中数值Ft、fM、fc值代入可率定k这种方法误差主要来自Ft的计算，因为 处的实际超渗累积下渗量为为减小误差，要选择雨强大，历时短的资料进行分析。,2.7 超渗产流,4.计算机率定下渗曲线参数（*略）,2.7 超渗产流,超渗产流模型计算步骤下渗方程或者经验下渗关系建立之后，就可以做超渗产流量的分析计算。计算过程如图。,超渗产流优缺点优点：模型结构较简单，应
17、用较方便。缺点：实际使用的效果不是很好，分析原因，误差来源主要有：1.降雨的时段均化、2.地面以下径流、3.下渗率的空间变化降雨的时段均化产流计算中，用的是雨强，然而实际计算中瞬时值雨强无法直接获得，而采用的是时段降雨量，时段短更能反映雨强，即产流计算更准确，时段长会带来均化误差。例如表2-22，下渗曲线采用菲利普公式，取1min和5min两种时段。产流量差别很大，均化后使产流量计算值偏小。时段越长均化误差越大。,2.7 超渗产流,超渗产流优缺点2.地面以下径流超渗产流机制只计超渗地面径流，不考虑地下径流，实际上在干旱半干旱地区的许多流域，存在一定比例的地下径流，忽略会导致模型计算误差，这是超
18、渗产流模型不完美处。3.下渗率的空间变化下渗率的空间变化是由下垫面特征（土壤结构、植被、土湿等）的空间不均匀引起。若较大流域采用流域平均的下渗曲线来计算，常带来较大误差。,2.7 超渗产流,2.7 超渗产流,超渗产流优缺点3.下渗率的空间变化对t时段降雨量P，实际下渗量：,是点下渗能力 是下渗能力小于f的面积比 是流域平均下渗能力 为流域最大的点下渗能力,下渗能力分布曲线,2.7 超渗产流,第7节 超渗产流基本概念（下渗现象与下渗率、下渗能力与下渗曲线； 1.下渗能力曲线 2.累积下渗曲线3. fp(t) Fp(t)）超渗产流模型原理下渗能力的确定下渗方程经验下渗关系曲线超渗产流模型计算步骤超
19、渗产流模型优缺点,小结,蓄满产流（湿润地区）和超渗产流（干旱地区）是两种典型的产流模式。有时同一流域的产流方式也会交叉出现，如一场降雨前期是超渗产流，后期是蓄满产流。在较干旱地区，发生长期连绵的低强度降雨，可呈蓄满产流；在较湿润地区，若久旱后遇暴雨，可呈超渗产流。总之，对多数流域，往往两种产流方式并存，但是以其中一种产流方式为主的情况频繁发生。,2.8 混合产流,混合产流计算方法研究以蓄满和超渗两种产流模型为基础。介绍两种方法：1.面积比例法（水平组合）2.垂向混合法（垂直组合）,1.面积比例法（水平组合）,2.垂向混合法（垂直组合）是超渗产流和蓄满产流在垂向上组合的一种计算方法P到达地面，首先通过下渗能力分布曲线划分为RS和下渗水量FA（超渗产流）；FA再向下补充包气带缺水量，缺水量大的地方不产流，缺水量小的地方产生地下径流（蓄满产流）。,本章小结,
