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1、第十二章 流域产流 Contents 山坡流域的分类 1 流域产流特征的分析 2 产流面积的变化 3 蓄满产流总径流量计算 4 总径流量的划分 5 超渗地面径流量计算 6 Introduction 1 径流 1 Definition 降落在流域上的具有一定时空分布的降水 扣除损失后 在重力作用下 从地面和地下向流域出口断面汇集的水流现象称为 2 径流量 深 降水量扣除损失量的余额称为 降水量扣除蒸散发量的余额称为径流量 又称为净雨量 3 径流量的时程分配 降水的时程分配扣除损失量的时程分配的结果称为 又称净雨量的 时程分配 2 降雨径流形成过程 流域上承受一场具有一定时空分布降雨后 在其出口断
2、面形成流量过程 1 现象描述 降水 地面径流 壤中水径流 地下水径流 蒸散发 截留 填洼 出流 坡地河网 土壤持水量 2 降雨径流形成过程 2 降雨径流形成的子过程 在产流物理条件支配下 产生径流量的子过程 发生在坡地上 结果产 生各种径流成分径流量及其时程分配 流域产流 各种径流成分分别沿地面和地下向河网汇集的过程 发生在坡地上 结 果产生河网总入流 坡地汇流 地面 壤中水 地下水径流汇流 河网总入流加上河网水面降水向流域出口断面汇流的子过程 发生在河 网中 结果就是出口断面流量过程 河网汇流 坡地汇流 河网汇流 流域汇流 1 山坡流域的分类 流域类型土壤 岩石 植被 地下水 位 产流 典型
3、流量过 程线 第 类 土壤覆盖浅薄 下面为岩石 植被茂密 表土疏松 山坡较陡 Rsat Rint Rg Rsat Rint 第 类 包气带厚度中 非均质土壤 存在地下水位 植被良好 坡度中等 Rs Rint Rg 第 类 包气带很厚 均质土壤 地下水埋深大 植被很差 Rs 第 类冲积平原 地下水位高 地势平坦 透水性好 Rsat Rg 2 流域产流特征的分析 流域所处气候条件1 典型山坡流域的包气带结构和水分动态2 出口断面流量过程线的形状 退水规律 3 流域中地下水动态特点4 影响次降雨 径流关系的因素5 Key points 流域产流特征的分析应力求综合 相辅相成 不宜 孤立地 静止地看问
4、题 2 流域产流特征的分析 v 流域面积601km2 流域内雨量丰沛 气 候湿润 植被良好 有较大的森林覆盖 面积 流域坡度大 土层薄而疏松 糙 率较大 阻水明显 v 河谷地带土层相对较厚 且由于其临近 河流 土壤常年比较湿润 v 流域内灰岩在上 页岩在下 走向大体 指向河流 裂隙不够发育 透水性较差 v 枯季流量不大 历年最枯流量大约只有 3m3 s 枯季退水慢而稳定 由于流域 内地面高程变化大 故气温 降雨和蒸 散发的垂直变化规律比较明显 长江三峡地区沿渡河流域 2 流域产流特征的分析 v由于一个流域的径流形成特点取决于流域的降雨 特征和下垫面特征 而流域出口断面流量过程线 则是两方面特征
5、的综合产物 因此 通过对流量 过程线的多方面分析 一般可获得关于流域径流 形成的一些重要信息 2 流域产流特征的分析 v 次洪过程线大都是正偏 说明流速大的径流成分比流速小 的径流成分少 中等洪水尤其如此 v 长期无雨的退水段 流量小而稳定 说明存在比例不太大 的地下水径流成分 v 年初流量大体与年末流量相当 说明本年度降雨形成的地 下水径流大体上能在当年流出 流动十分缓慢的地下水 如深层裂隙水可能很少 2 流域产流特征的分析 v大雨强形成的洪水过程 线陡涨缓落 不对称性 大 v小雨强形成的洪水过程 缓涨缓落 对称性较好 v这表明各次洪水的地面 径流比重随雨强有较大 的差异 2 流域产流特征的
6、分析 v初步结论是 沿渡河流域的总径流中主要径流成 分是壤中水径流 其次是地面径流和存在于裂隙 中的地下水径流 v对于小洪水 由于雨强不大 仅在坡脚 河边等 易饱和地方产生饱和地面径流 所以地面径流的 比重较小 v对于大洪水 由于雨强大 先超后满 型的地面 径流就比较易于发生 对于前期干旱的大强度暴 雨 甚至会形成相当数量的 先超后满 型地面径 流 所以大洪水的地面径流比重就相对大得多 这当中 流域的坡度也要起一定作用 3 产流面积的变化 1 现象及原因 降雨过程中 流域上产生径流的部分称为产流区 产流区所包围的流域面积称为产流面积 Key points 产流面积是逐渐变化着的 Cause 降
7、雨空间分布不均匀 下垫面条件空间分布不均匀 3 产流面积的变化 v 降雨开始前 河流中的水量主要来自流域中包气带较厚的 中下游地区的地下水补给 v 降雨开始后 流域中易产流的地区先产流 因此河流中的 水量主要来自于易产流地区 这些易产流地区主要是土层 浅薄的地区 或河沟附近土壤含水量较大的地区 或雨强 大的地区 这时河沟开始逐渐向上游延伸 河网密度开始 增加 v 随着降雨的持续 产流面积不断扩大 河网密度不断增加 从而组成了不同时刻的出口断面流量过程线 3 产流面积的变化 流域内各点包气带的蓄水容量是不同的 将 各点包气带蓄水容量从小到大排列 以包气 带达到田间持水量时的土壤含水量Wm 为纵坐
8、 标 以流域内小于等于该 Wm 的面积占全流 域的面积比 a 为横坐标 所绘的曲线称为流 域蓄水容量面积分配曲线 1 流域蓄水容量面积分配曲线 2 蓄满产流条件下总径流的产流面积变化 Wm 流域蓄水容量曲线 0 流域的蓄水容量 流域的最大持水量 最大流域蓄水量 流域蓄水容量曲线 3 产流面积的变化 2 降雨空间分布均匀情况下 蓄满产流总径流产流面积的变化 特点 1 土壤缺水量小 先蓄满的地 方先产流 2 产流面积随着降雨继续而不 断增大 3 产流面积大小与降雨量和初 始土壤含水量有关 与降雨强 度无关 流域产流过程示意图 部分面积产流 全面产流 包气带 W0 Wm W0 W0 Wm 潜 水 P
9、 3 产流面积的变化 3 降雨空间分布不均匀情况下 蓄满产流总径流产流面积的变化 划分成许多子流域 每个子流域看成降雨分布均匀 分别对子流域讨论后 综合结果 3 产流面积的变化 特点 1 上包线 全流域干燥时 W0 0 2 下包线 流域含水量达田间 持水量时 W0 Wm 1 下渗容量分配曲线 3 超渗产流地面径流产流面积变化 3 产流面积的变化 v流域下渗容量分配曲线的基本性质是 v 1 对于一个流域来说 流域下渗容量分配曲线不 是惟一的 而是一组以初始流域土壤含水量W0为 参变数的曲线 v 2 全流域干燥时对应的流域下渗容量分配曲线是 流域下渗容量分配曲线簇的上包线 而全流域包 气带达到田间
10、持水量时对应的流域下渗容量分配 曲线是该曲线簇的下包线 它即为流域稳定下渗 率分配曲线 v 3 该曲线不能给出流域上具体地点的下渗容量 3 产流面积的变化 2 降雨空间分布均匀情况下 超渗产流面积的变化 特点 产流面积变化与降雨强度和初始土壤含水量有关 与降雨量无关 3 产流面积的变化 超渗地面径流的产流面积变化有下述特点 v随着降雨历时的增加 产流面积有时增大 有时 减小 v产流面积的大小与降雨强度和初始土壤含水量有 关 v一次降雨过程中 全流域超渗产流与局部流域超 渗产流可能是交替出现的 4 蓄满产流总径流量计算 1 降雨空间分布均匀情况 1 初始土湿分布与计算 W0 4 蓄满产流总径流量
11、计算 2 建立降雨径流关系 R W 4 蓄满产流总径流量计算 v在计算蓄满产流的总径流量时 通常取计算时段 长为1日 对于闭合流域 时段为1日的流域水量 平衡方程式为 vPt 本日降雨量 由实测资料给出 vWt 本日初之流域土壤含水量 为已知初始条件 vEt 本日之流域蒸散发量 可根据本日初之流域 土壤含水量Wt和本日之蒸散发能力来计算 vRt 本日降雨形成的总径流量 vWt 1 本日末之流域土壤含水量 PE W0 R相关图 W0 PE mm R mm 45 降雨径流相关图上 部属流域全面产流 状态 满足方程R PE Wm W0 表现 为一组平行等距离 的450直线 相关图下部属流域部 分产流
12、情况 产流量 随降雨量减少迅速降 低 表现为一组向下 凹的曲线 PE W0 R关系图 W0 0 20 40 60 80 100 PE mm R mm R1 R2 R3 R4 P4 P3 P2 P1 例 某次降雨前 W0 58mm 各时 段雨量分别为P1 P2 P3 P4 降雨径流相关图的应用 内插W0 58mm 相关线 红线 查得相应的 R1 R2 R3 R4 W0 0 20 40 60 80 10058 P mm R mm 18 38 63 88 130 105 80 50 P 50 30 25 25 R 18 38 63 88 已知 W0 58mm P 50 80 105 130 R 18
13、 20 25 25 降雨径流相关图的应用 3 产流量计算 1 根据前期实测降雨量和蒸散发计算模式 推算本次 降雨初始时的流域土湿W0 2 计算本次降雨的流域平均值P 扣除雨期蒸发后得 PE值 3 查降雨径流相关图或者根据公式计算R 4 蓄满产流总径流量计算 5 总径流量的划分 地面径流和地下径流汇流的规律是不相同的 因此 由已知PE求得径流量 R 后 还需再 分成地面和地下两部分 以便进行汇流计算 前面所求的为总径流量R R Rs Rg 5 总径流量的划分 v一场空间分布均匀的降雨究竟能形成多少地下水 径流取决于下面三项因素 v 1 产流面积 v 2 产流面积上雨强与稳定下渗率的对比关系 v
14、3 稳定下渗率在流域上的空间分布 按照蓄满产流模型 产流面积上 包气带缺水 量已经满足 产流量 R 按稳定下渗率fc下渗 下渗的水量形成地下径流 Rg 超过稳定下渗 率的部分形成地面径流 Rs 只有在产流面积 上才有地下径流产生 5 总径流量的划分 潜 水 fc Rg Rs PE R Rg Rs 5 总径流量的划分 Wm W0 0 PER Fr Fr R PE 5 总径流量的划分 如果已知稳定下渗率fc 可以根据净雨过程划分水源 无地面径流产生 5 总径流量的划分 5 总径流量的划分 v对于fc空间分布不均匀的情况 应采用划分单元 面积的方法来进行计算 单元面积根据满足fc大 体均匀的条件来划
15、分 例 已知某流域流域降雨径流相关 图和稳定入渗率fc 1 5mm h 一次实测暴雨 过程如表 1 2 栏 请根据 fc 将径流 划分为地表径流Rs和地下径流Rg fc 的应用 径流量的划分 fc 的应用 径流量的划分 月 日 时PE mm R mm FrFC mm Rg mm Rs mm 1 2 3 4 5 6 8 1 0 61 40 40 2869 00 40 124 31 50 3499 01 50 189 73 40 3519 03 20 2 8 2 0 2 30 90 3919 00 90 63 61 50 4179 01 50 125 42 40 4449 02 40 1828 1
16、160 5699 05 110 9 8 3 030 130 11 0009 09 021 1 610 510 51 0009 09 01 5 1215 315 31 0009 09 06 3 18551 0009 05 00 合计115 787 047 040 0 超渗产流 i fp RS 0 PE F PEF 一般 干旱地区 降雨强度大 历时短 E可忽略 PE可由P代替 RS 0 P F PF F的确定是关键 6 超渗地面径流量计算 考虑流域下渗容量和降雨强度空间分布都是均匀的情况 6 超渗地面径流量计算 v 任何时刻的地面下渗容量取决于该时刻的土壤含水量及其 垂线分布 v 如果假设地面下渗容量只与土壤含水量有关 而与土壤含 水量的垂线分布无关 或者说 土壤含水量的垂线分布总 是均匀的 则根据流域最干旱情况下的那条下渗曲线就可 以求出降雨过程中任何时刻的地面下渗容量 v 若某时刻土壤含水量为Wt 则按照上述假设 就可求得该 时刻的地面下渗容量 v 这个假设基本上是合理的 因为控制地面下渗容量的主要 是地面以下不太深的一个土层 在降雨下渗过程中 这层 土壤的含水量的垂线分布是近似均匀的
