水文學(xué)課件ppt版 課件第八章

第八章產(chǎn)流機(jī)制MechanismofRunoffGeneration降雨徑流過程降雨到達(dá)下墊面后，在截留、填洼、土壤持水、下滲和蒸散發(fā)等因素作用下的余額～產(chǎn)流產(chǎn)生的徑流從流域各處向流域出口斷面匯集的過程～匯流過程本章主要內(nèi)容包氣帶及其結(jié)構(gòu)(Aeration(vadose)zoneanditsstructure)1包氣帶的水分動態(tài)及對降雨的再分配作用(Soilmoisturedynamicinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall)2產(chǎn)流的物理?xiàng)l件(Physicalconditionsforrunoffgeneration)3基本產(chǎn)流模式(Basicmodesofrunoffgeneration)4Part1Aerationzoneanditsstructure包氣帶和飽和帶(Aerationzone&saturatedzone)1包氣帶結(jié)構(gòu)(Thestructureofaerationzone)2特殊包氣帶(Specialaerationzone)3Part1Aerationzoneanditsstructure1-1Aerationzoneandsaturatedzone包氣帶和飽水帶(AerationZoneorVadoseZoneandSaturatedZone)包氣帶：三相系統(tǒng)（three-phasesystem(liquid,gaseous,solid))沒有水壓力，有分子力和毛管力飽水帶：二相系統(tǒng)（two-phasesystem(liquid,solid))地下水面包氣帶飽和帶地下水面地面毛管懸著水帶毛管上升水帶中間帶Part1Aerationzoneanditsstructure1-1AerationzoneandsaturatedzoneBedrockPart1Aerationzoneanditsstructure1-2Thestructureofaerationzone1)土壤結(jié)構(gòu)(Soilstructure)在濕潤條件下(P>800mm/a),溶提、淀積作用，土壤形成不同層次。殘積層(plantresidues)溶提層（leaching)(顆粒較粗、孔隙較大）淀積層（accumulation)（顆粒較細(xì)、孔隙較?。┠纲|(zhì)層（parentmaterial)基巖（bedrock）在干旱條件下，土壤剖面的形成可能與上述不同。以中國黃土高原（LoessPlateau)為例，其不同深度的土壤顆粒的級配大致相同Part1Aerationzoneanditsstructure1-2Thestructureofaerationzone1)土壤結(jié)構(gòu)(Soilstructure)在干旱條件下，土壤剖面的形成可能與上述不同。以中國黃土高原（LoessPlateau)為例，其不同深度的土壤顆粒的級配大致相同Part1Aerationzoneanditsstructure1-2ThestructureofaerationzoneP(mm/a)類型<200干旱200~400半干旱400~800半干旱半濕潤>800濕潤1)土壤結(jié)構(gòu)(Soilstructure)Part1Aerationzoneanditsstructure1-2Thestructureofaerationzone2)巖石裂隙和溶隙結(jié)構(gòu)(Structureofrockfractureandsolutioncrack)按裂隙的含水性和導(dǎo)水性，裂隙可分為：按裂隙的成因可分為：成巖裂隙(originalfracture)、構(gòu)造裂隙(tectonicfracture)、風(fēng)化裂隙(weatheringfracture)當(dāng)不透水基巖出露地表時(shí)，包氣帶厚度為零。但當(dāng)裂隙發(fā)育的巖石出露地表時(shí)，則表明包氣帶由巖石及其裂隙構(gòu)成。含水性和導(dǎo)水性較好開裂隙不具有導(dǎo)水性閉裂隙不具有含水性和導(dǎo)水性隱裂隙Part1Aerationzoneanditsstructure1-2Thestructureofaerationzone溶隙：可溶性巖石，如石灰?guī)r、白云巖、大理巖等分布地區(qū)，由于巖溶作用形成的各種孔隙，包括溶洞、溶蝕裂隙和溶孔等。Part1Aerationzoneanditsstructure1-3SpecialaerationzoneKarstinChina3.44millionkm2karstareainChina.TheSouthwestChinaKarstterrain,centeredbyGuizhouProvinceandcoveringsome540,000km2,

isbelievedthelargestcontinuouskarstareaintheworldPopulationinthesouthwestkarstareaisover100million90%ismountainousplateauPart1Aerationzoneanditsstructure1-3SpecialaerationzoneExample1:高寒地帶的包氣帶(aerationzoneinahighandcoldarea)

Example2:不透水的下墊面Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall包氣帶水分動態(tài)(Soilmoisturedynamicsinaerationzone)A包氣帶對降雨的再分配作用(Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall)B包氣帶水量平衡方程式(Waterbalanceequationforaerationzone)CPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-1Soilmoisturedynamicsinaerationzone包氣帶水分動態(tài)是指包氣帶中水分含量及水分剖面的增長和消退過程a.包氣帶水分的增長(Soilmoistureincreaseinaerationzone)一次降雨中濕潤鋒面所能達(dá)到的最大深度取決于降雨歷時(shí)、強(qiáng)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）是包氣帶水分增長的主要原因。上界面以上的大氣降水導(dǎo)致包氣帶水分增長的機(jī)理是下滲。Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-1Soilmoisturedynamicsinaerationzoneb.包氣帶水分的消退(Recessionofsoilmoistureinaeration

zone)---等于或稍小于田間持水量---介于凋萎含水量與毛管斷裂含水量之間上界面的蒸散發(fā)是包氣帶水分消退的主要原因。根據(jù)蒸散發(fā)理論，蒸散發(fā)消耗水分取決于氣象條件和土壤含水量。Part2SoilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfallPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-2Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall

1.包氣帶地面對降雨的再分配作用

(地面起“篩子”作用)Roleofgroundsurfaceinpartitioningrainfall(groundsurfaceservesasasieve)PRsIPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-2Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall2.包氣帶土層對降雨的再分配作用(土層起“門檻”(threshold)作用)Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall下滲水量I，成為土壤持水量的一部分，其中部分以蒸散發(fā)形式返回大氣。(a)Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-2Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall(b)2.包氣帶土層對降雨的再分配作用(土層起“門檻”(threshold)作用)TheroleofaerationzoneinredistributingrainfallPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-2Theroleofaerationzoneinredistributingrainfall(c)非均質(zhì)土層請寫出土層A和B的I、D、Rsub之間的關(guān)系表達(dá)式FA2.包氣帶土層對降雨的再分配作用(土層起“門檻”(threshold)作用)TheroleofaerationzoneinredistributingrainfallPart2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-3Waterbalanceequationforaerationzone取決于和的相對大小。對某一場降雨1)P-E<D(當(dāng)降雨終止時(shí)未達(dá)田間持水量)Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-3Waterbalanceequationforaerationzone對某一場降雨2)P-E>D(當(dāng)降雨終止時(shí)達(dá)到田間持水量)Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-3WaterbalanceequationforaerationzoneEAEBECEDIFAFBFCA層C層B層Rsub,ARsub,BRsub,CFDD層EEΔWAΔWBΔWCΔWDRsub,D分層建立Part2Soilmoisturedynamicsinaerationzoneanditsrolesinpartitioningrainfall2-3Waterbalanceequationforaerationzone各分層的水量平衡式Part3PhysicalconditionsforrunoffgenerationHorton理論(HortonTheory)ADunne產(chǎn)流理論(DunneTheory)BPart3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-1HortonTheory1935年，Horton在論文“地表徑流現(xiàn)象”中提出：降雨強(qiáng)度必須大于地面下滲能力，是產(chǎn)生地面徑流的條件；包氣帶缺水量必須滿足，是產(chǎn)生地下水徑流的條件（備注：設(shè)下雨前，河槽正在退水）

Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-1HortonTheoryacdb3-1HortonTheory均質(zhì)包氣帶產(chǎn)流的物理?xiàng)l件：超滲地面徑流(RS)的產(chǎn)流機(jī)制ifp物理?xiàng)l件： (1)要有界面，即地面(下滲容量fp)；

(2)要有供水，即降雨(雨強(qiáng)i)；

(3)要雨強(qiáng)大于地面下滲容量，即i>fp

，Rs=i–fp3-1HortonTheoryRS的計(jì)算3-1HortonTheory均質(zhì)包氣帶產(chǎn)流的物理?xiàng)l件：地下水徑流(Rg)的產(chǎn)流機(jī)制物理?xiàng)l件：整個包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-1HortonTheoryHorton產(chǎn)流理論并不能解釋自然界存在的形形色色的產(chǎn)流現(xiàn)象。主要原因：Horton理論考慮的是均質(zhì)土壤。而自然界的土層很少是均勻的，說明產(chǎn)流理論還需要發(fā)展。(Hortonianoverlandflow,超滲地面徑流）(Rainfallexcess)Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory非均質(zhì)包氣帶-層次包氣帶的情況

A粗B細(xì)iRint0fcAfpBfczPart3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory必要條件：①在包氣帶中存在相對不透水層②A層（上層）土壤含水量必須達(dá)到田間持水量，并具有側(cè)向排水條件。壤中水徑流產(chǎn)流(throughflow/subsurfaceflow/interflow)Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory壤中水徑流產(chǎn)流(throughflow/subsurfaceflow/interflow)fpAfpBPart3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory必要條件：①在包氣帶中存在相對不透水層，上土層較薄，上層土壤透水性遠(yuǎn)強(qiáng)于下層土壤透水性。②A層（上層）土壤含水量必須達(dá)到飽和。飽和地面徑流產(chǎn)流條件（Saturatedoverlandflow）Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory飽和地面徑流計(jì)算fpAfpBi當(dāng)下層為不透水巖層時(shí)：Part3Physicalconditionsforrunoffgeneration3-2DunneTheory回歸流(Returnflow)不是一種產(chǎn)流成分，不影響產(chǎn)流計(jì)算，但是一種客觀存在的徑流現(xiàn)象，影響匯流計(jì)算相對不透水層物理?xiàng)l件：(1)壤中流發(fā)育；(2)坡腳處易形成出露地面的飽和帶；(3)要具備有利于壤中流流出的坡度及地形。3-2DunneTheorySummary:四種徑流成分(超滲地面徑流、壤中流、飽和地面徑流、地下水徑流)的產(chǎn)生條件。產(chǎn)流機(jī)制的統(tǒng)一性和相互轉(zhuǎn)化產(chǎn)流的基本條件：1)在兩種不同透水性物質(zhì)的界面上產(chǎn)生的2)上層介質(zhì)的透水性必須好于下層介質(zhì)的透水性產(chǎn)流量的分析計(jì)算：1)產(chǎn)流量的大小取決于對下滲面的供水強(qiáng)度與下滲面下滲容量的對比關(guān)系－“篩子”作用2)土層的水量平衡方程式－I=E+(We-W0)+F+R：“門檻”作用Part4Basicmodesofrunoffgeneration1、可能徑流成分的組合(9種)成份總徑流表達(dá)式總徑流影響因素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=