产流机制

产流机制

一、包气带结构及其对降水的再分配

（一）包气带

- 定义：地下水水面以上，地面以下的土层，土壤含水量未达饱和，含有土壤、固体颗粒、水与空气，此土层为包气带或非饱和带。
- 构成：固液气
- 总势：重力势 + 基模势
- 结构：
- 由土壤颗粒组成，较为常见。
- 由岩石裂隙组成，无土壤覆盖处存在风化或地壳运动造成的大量岩石裂隙。
- 包气带既有土壤又有岩石裂隙。若地表不透水，包气带厚度可视为等于零，如水泥、沥青铺设的道路、广场。
- 包气带地面对降水的再分配作用：
- 筛子作用：包气带地面对降雨有筛子作用。地面承接降雨分为下渗水和地面积水，因土壤有孔隙，下渗能力f_p如筛孔。降雨强度小于下渗能力时，实际下渗率为雨强；降雨强度大于下渗能力时，实际下渗率为下渗能力，其余成地面积水。下渗能力随土壤含水量增加而减小，包气带达田间持水量时，下渗能力达稳定下渗率。（下渗能力 - 雨强 - 下渗率）
- 门槛作用：包气带土层对下渗水量有再分配作用。田间持水量是重要门槛，土壤含水量不超此门槛，降雨不补充地下水；超过则可形成地下水径流。（田间持水量 - 地下水）
- 包气带水量平衡方程：指包气带在某时段内水量收支平衡。若降雨使包气带达田间持水量，收入水量是降水量，支出水量有蒸散发、包气带缺水量、地面积水和补充给地下水。若降雨未使包气带达田间持水量，收入水量是降水量，支出水量有蒸散发、土壤含水量增加和地面积水。

（二）饱和带

- 定义：地下水水面以下基岩以上的土壤含水量是饱和含水量，称这部分土层为饱和带或保水袋。其中只包含土壤固体颗粒和填充带孔隙里的水两种物质。
- 构成：水 + 土壤固体颗粒
- 总势：重力势 + 压力势

二、经典产流理论

（一）霍顿产流理论

- 名词解释：
- 超渗地面径流：降雨强度超过地面下渗能力而形成的径流。在河道中产生尖瘦洪峰，涨水快，退水也快，以洪峰出现时间为分界，涨水过程与退水过程较对称。
- 地下水径流：降雨历时足够长，下渗水量扣除蒸散发后超包气带缺水量产生的径流。因流动速度慢，涨水慢，退水也慢，流量过程线矮胖且对称。
- 径流退水曲线：一次降雨或融雪形成径流后，流量随时间逐渐减小的过程曲线，反映径流消退情况。
- 流域退水曲线：流域出口断面流量随时间消退递减的过程。
- 流域涨水曲线：流域出口断面流量随时间增加递增的过程。
- 产流情况分析：
- 若降雨强度小且总小于下渗能力，降雨全下渗到土壤中，且降雨历时短，下渗水量扣除蒸散发后小于包气带缺水量，不产流，河道流量和水位无变化。
- 若降雨强度大，大于地面下渗能力，但历时短，无法满足包气带缺水量，产生单一地面径流，使原退水河流水位和流量有反应，形成尖瘦洪峰，涨水快，退水快。
- 若降雨强度大，大于地面下渗能力，降雨历时长，下渗水量扣除蒸散发后超包气带缺水量，形成超渗地面径流与地下水径流，在河流中表现为矮胖洪水过程线上叠加尖瘦洪水过程。
- 若降雨强度小于地面下渗能力，但降雨历时长，产生足够下渗水量使包气带缺水量满足，形成地下水径流，河流中出现矮胖且对称性好的流量过程线。

（二）邓恩产流理论

- 在以\ln Q为纵坐标，时间t为横坐标的退水曲线上，拐点越多意味包气带结构层次越多，组成洪水的径流成分越多。因霍顿理论仅超渗产流和地下径流两种，最多一个拐点。
- 创新点：
- 发现壤中水径流现象及其产生物理条件。
- 发现产生地面径流的另一种机制——饱和地面径流形成机制。
- 壤中水径流的发现：
- 物理条件：
- 包气带中须存在相对不透水层。原因有“溶提”作用（雨水渗透使岩石裂隙发育，可溶性矿物质增加水浓度，岩石风化细小颗粒被水携带着向下渗透）和“淀积”作用（下层岩石分化程度小，裂隙小，渗透速度向下渐慢，水携带的泥沙颗粒和矿物质在下层沉淀）。
- 至少上层即A层的土壤含水量须达田间持水量。
- 过程：若包气带上层透水性好，下层透水性差，下层为相对不透水层。降雨经地面再分配后的下渗水量先补给A层土壤，A层缺水量满足后出现稳定下渗。继续下渗水分遇相对不透水层，A层下渗能力大，b层下渗能力小。相对不透水层的供水强度为A层稳定下渗率与降雨强度中较小者。当供水强度大于b层下渗能力时，相对不透水层面产生积水形成饱和带，此饱和带在降雨期间可能出现，降雨结束后很快消失，称临时饱和带，其中重力水即壤中水径流。若河槽切入深，可观测到临时饱和带重力水汇入河槽成壤中水径流。
- 饱和地面径流的发现：
- 条件：包气带中须存在相对不透水层；至少上层即a层须达饱和含水量。
- 过程：包气带中有相对不透水层，降雨历时长时，相对不透水层上土壤含水量满足成临时饱和带。继续降雨，临时饱和带水面升至与地面同一高程，降雨扣除蒸散发和稳定下渗率后，沿与地面一致的水面流动形成地面径流，即饱和地面径流。

（三）山坡产流

- 创新点：霍顿产流理论和邓恩残留理论未考虑地形坡度变化对径流形成影响，山坡产流过程考虑此影响，发现回归流现象。
- 回归流：
- 壤中水径流：因包气带存在相对不透水层，上层缺水量满足后在相对不透水层上形成临时饱和带产生壤中水径流。相对不透水层有坡度，壤中水径流运动使山坡坡脚处水深较大，坡脚附近包气带土层先达饱和含水量有了形成饱和地面径流条件。因坡脚先达饱和含水量，在饱和与非饱和土壤分界处成土壤应力薄弱环节。流域继续降雨，壤中水径流增加并向坡角流动，遇此薄弱环节从土层冲出，变为地面径流，与饱和地面径流混在一起，称回归流。
- 窜流：坡面上超渗地面径流沿总坡度方向流动，遇地形突出部分部分钻进土壤成壤中水径流，遇低洼地形又从土壤钻出成地面径流，这种在土壤与地面交替流动的水流称窜流。