流域产流模式与面积分布

8.3.3.1　影响流域产流特征的因素

影响流域产流特征的因素有两大类：流域下垫面的构成情况；流域上变化着的各种水分状况。

（1）流域下垫面的构成。天然流域的下垫面构成较为复杂，流域中存在着各类地形、地貌单元，例如高山、丘陵、平原、洼地、湖泊及沼泽等，而它们又有相应的地质构造、土壤与植被覆盖的分布以及不同的地下水位等。这种下垫面条件构成的差异，造成产流模式和产流条件的不同，从而形成了流域中不同产流模式的空间分布及其组合。但下垫面条件具有稳定性和缓变性，故对特定的流域而言，产流基本特征相对稳定。

（2）流域上的水分状况。流域上的水分状况包括较多的方面，如降雨、蒸发、下渗、土壤含水量、地下水位等。而这些水分状况随着时间和空间的变化相对较大，因而其时、空分布与组合，造成了不同产流模式在时程上的相互转换，产流过程中产流面积在空间上的发展，也决定了流域产流特征的变化。

8.3.3.2　产流模式在流域中的分布

为了讨论产流模式在流域中的分布情况，将流域划分为许许多多具有相对均一性质的单元流域，由各个单元流域的产流模式即可得出产流模式在流域中的分布情况。

1.具有相对均一性质的单元流域的产流模式

整个流域的下垫面尽管十分复杂，但依据土壤构成、包气带的厚度、地下水位、地形地貌和植被等情况，总可将其划分为若干具有相对均一性质的单元流域，这种单元流域可概括为几种典型状况：①土壤覆盖薄、下有基岩或相对不透水层、植被茂盛的山坡小流域，其对应的产流模式属于Rsat+Rss型。如下部岩层代之以地下水，则属于Rsat+Rss型。②包气带具有中等厚度、土壤非均质，下有地下水层、植被良好的丘陵地带的山坡小流域，其对应的产流模式为Rs+Rss+Rg型，当包气带较薄时，则属于Rsat+Rss+Rg型。③具有较厚包气带的黄土或壤土层，地下水埋深大的山坡流域，其产流模式属于Rs型。④地势平坦的冲积平原，透水性良好，地下水埋藏较浅的集水单元，其产流模式属于Rsat+Rg型，当地下水位较深时，则可能为Rsat+Rss+Rg型。

2.流域产流模式的分布及产流机制的基本规律

流域产流模式的分布取决于流域中不同类型单元流域的分布情况。一般在河槽两岸的低地、平原洼地、表土较薄的山坡，以Rsat型产流为主；而在包气带厚度大、透水性差的地方，则以Rs型模式为主。

整个流域的产流机制，由流域中各单元产流模式的集总而确定。对于一个流域，各种模式所占的比重是不相同的，而确定流域产流基本特征的是流域中占主导地位的产流模式。

图8.21为黑龙江省宾县径流实验站的流量过程线。该流域主导产流型为Rsat+Rss型，但其中一个单元小流域（新昌）则为Rs型。图8.22为伊斯特屯流域中，两个0.1km2的山坡流域同一次降雨的流量过程，该流域主导型为Rsat+Rss型，但其中上游小流域以Rsat径流为主体，而下游小流域则以Rss为主体。

图8.21　宾县径流实验站两个小流域的洪水过程[2]

图8.22　伊斯特屯两个0.1km2小流域同一次降雨的洪水过程线[2]

根据以上事实，可以概括出流域产流机制的基本规律：流域的产流机制是由许多不同单元流域的产流模式所组成的；其中必有一主导型，它是流域产流的主导机制，它确定了流域产流的基本特征；在一定条件下，流域中的非主导产流机制的特征，也可能在出口断面的流量过程线上显示出来。

流域中不同产流模式的空间分布及其主导型产流机制的确定，通常要借助于对流域下垫面状况的勘测调查资料的分析，以及对流量过程线形态和组成水源、降雨径流关系的分析论证。

8.3.3.3　流域上产流面积的变化和发展

在降雨过程中，流域上产生径流的区域称为产流区，它所笼罩的面积称为产流面积。由于流域内各处产流类型的差异、下垫面状况的差异以及降雨、下渗、土壤含水量在时、空分布上的不均一性等，流域中产流在空间上的发展也是不均一和不同步的。有的地方先满足产流条件而先产流，有的地方后产流，另外一些地方甚至不产流。在一次降雨过程中，产流面积随着各方面条件的变化不断地发展和变化着。这一事实，国内外通过大量的观测和实验，已被人们所公认。

1.湿润地区产流面积的发展特点

国内外对湿润地区植被良好的山坡流域的实验表明，由于土壤经常具有较强的下渗能力，超渗地面径流很难发生，地面径流主要以饱和地面径流的形式产生。地面径流首先产生于具有较大土壤含水量和极易达到饱和的相对不大的面积上，如沟边、河谷地、坡脚等处。随着降雨的继续，饱和面积不断由坡脚向上延伸和扩展，并逐次向次一级的河沟延伸，并扩向无河沟的谷地。虽然产流面积不断扩大，但很少能达到全流域产流。许多研究成果表明：全流域产流是罕见的，在大多数情况下，产流发生于局部流域面积上。

流域中饱和面积的发展与流域地形、土壤、前期土壤湿润程度及地下水位埋深有关。实验和分析结果表明，前期土壤越湿润、地下水位埋深越浅，饱和面积发展越迅速，发展范围越大，有人曾根据实验流域的资料，分别建立了饱和面积与前期影响雨量Pa、地下水位的关系，如图8.23、图8.24所示。由图中可看出，山坡流域饱和面积的发展与上述因素的关系非常明显。

图8.23　饱和面积A与前期影响雨量Pa的关系[2](www.xing528.com)

图8.24　饱和面积A与地下水位Hg的关系[2]

2.超渗地面径流产流面积发展的特点

超渗地面径流产流面积在空间分布上则具有很大的随机性，这是它与饱和地面径流面积发展的主要区别之处。在一般情况下，地面径流产流面积的大小与发展取决于降雨强度与下渗强度的相互关系，凡是i＞fP的地方便是产流区。对于一次具体的降雨而言，产流面积的大小及发展与当时的降雨特性、土壤类型、土壤湿润情况，甚至地面坡度等密切相关。根据对实验流域的观测分析，超渗地面径流产流面积的发展，可以概括为以下几点：流域中各处的产流是不同步的，产流最先发生于透水性较小或土壤湿度较大的地方；产流面积的变化与发展，与降雨强度关系密切，一次降雨过程中，产流面积的变化并非单调递增的，一般是随着降雨强度的增大或减小，产流面积也有增有减；全流域产流是很少见的现象。

对于壤中流产流面积的空间变化比地面径流的情况复杂得多。若干观测实验资料表明，整个土层的饱和面积在流域上的分布是不均匀的，同时也随时间不断变化。由于壤中流的产生与补给是一个三维空间问题，它的补给区的变化比地面径流要复杂得多，一般距地面越深，产流面积越大；此外还受到地形的影响。在流域中，饱和面积最大的时刻，并不是壤中流出流率最大的时刻。这主要是由于壤中流在向出口断面的汇集过程中，受到流域地面、地下的迟滞和调蓄作用，而表现出与地面径流的不同特征。

8.3.3.4　产流面积空间变化的统计特性曲线

产流面积的空间分布与发展，直接影响着流域产流过程的发展和产流量，它对产流计算是十分重要的。由于不可能获得整个流域上产流面积发展变化的资料，所以目前只能根据不同的产流特点，采用统计特征曲线来研究产流面积的分布变化规律。所采用的统计特征曲线通常有两种：流域蓄水容量面积分配曲线、流域下渗能力面积分配曲线。

1.流域蓄水容量面积分配曲线

对于湿润地区，地下水埋藏较浅，产流面积的形成是以包气带含水量达到蓄满为前提条件，所以在一次降雨过程中，产流面积的增长将随着包气带蓄水量的增长而变化。由于流域上各处包气带的厚度不均一，所以流域中每一个单元面积的包气带都具有一个最大蓄水量值Wm，称为点蓄水容量。将各点蓄水容量按从小到大的顺序排列，并逐一累加相应的单元面积（以占全流域面积的相对百分数，a/F，表示）。以蓄水容量Wm为纵坐标，等于或小于某一蓄水容量的相对面积（a/F）为横坐标，即可点绘流域蓄水容量面积分配曲线，也可称为流域蓄水容量曲线，如图8.25所示。

按照流域蓄水容量面积分配曲线的定义，它显然具有下列性质：流域蓄水容量面积分配曲线是一条单增曲线，其最小端表示流域中Wm的最小值，一般为零，但也可以不为零，其最大端表示流域中Wm的最大值，用Wmm表示；曲线上任一点的纵横坐标值表示流域中等于或小于Wm值的流域面积所占的比重；曲线所包围的全部面积等于流域蓄水容量或最大持水量，也就是当全流域各处包气带均达到田间持水量时流域包气带的含水量，用Wmm表示；对一个流域来说，流域蓄水容量面积分配曲线是唯一的，Wm为常数；曲线不能表示流域上具体地点包气带的缺水情况。

当流域降雨量为P时，在纵坐标轴上可找到相应的点，其对应的横坐标a/F即为相对产流面积，未产流面积为（1-a/F）。

图8.25　流域蓄水容量分配曲线

2.下渗能力面积分配曲线

当流域是以超渗地面径流为主导的产流机制时，其产流过程的发展受控于下渗规律。为此需要研究下渗能力在流域面上的分布，才能知道产流面积的发展过程。但要取得大量的流域面上的下渗资料是比较困难的，因而可以像蓄水容量曲线一样，也采用统计性质的流域下渗容量曲线来反映产流面积的变化。设想按流域各处的下渗特性，将全流域划分为很多单元面积，每一单元面积都有相应的下渗能力曲线，根据这些曲线，对于给定的前期土壤含水量，可求出各单元的相应下渗能力，然后统计并累加小于或等于该下渗能力的所有单元面积，并以占流域总面积的相对值表示。以下渗能力fp为纵坐标，小于或等于某一下渗能力的相对面积a/F为横坐标，即可点绘下渗能力fp与相对面积a/F的关系曲线，此曲线称为下渗能力面积分配曲线，如图8.26（a）所示。由于下渗能力是土壤含水量的函数，所以，当以起始土壤含水量为参数时，下渗能力面积分配曲线为一曲线簇。如图8.26（b）所示。

按照流域下渗能力面积分配曲线的定义，它显然具有下列性质：对于流域来说，流域下渗能力面积分配曲线不是唯一的，而是一组以初始流域土壤含水量（现阶段常以前期影响雨量Pa代替），即Pa（W0）为参数的曲线；全流域干燥时对应的流域下渗能力面积分配曲线是流域下渗能力面积分配曲线簇的上包线，而全流域包气带达到田间持水量时对应的流域下渗能力面积分配曲线是该曲线簇的下包线，即为流域稳定下渗率分配曲线；应当注意该曲线不能给出流域上具体地点的下渗能力。

对于特定流域平均降雨强度i 时，与该值对应的纵坐标水平线与曲线交点的左方为产流面积a/F，右方为不产流面积（1-a/F）。

图8.26　流域下渗能力面积分配曲线[2]

（a）流域下渗能力分配曲线；（b）以起始土壤含水量为参数的下能力分配曲线

应当指出的是：以上两种产流面积分配曲线所反映的产流面积的变化规律，只具有统计意义，而不能确定产流面积在空间上的具体分布地点。

3.产流面积分配曲线的线型

为了能应用产流面积分配曲线进行产流计算，可以对其配以一定的函数形式，目前我国常采用n次抛物线型或指数型曲线。

式中：F为流域面积，km2；a为产流面积，km2；W′m为流域上各点的蓄水容量，mm；W′mm为流域上各点蓄水容量的最大值，mm；β，k为经验常数。