探析产汇流理论的研究

崔庆峰

（黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080）

1 流域产流的研究

流域产流是指降雨转化为径流时流域中各种径流成分的生成过程，其实质是水分在下垫面垂向运动中，在各种因素综合作用下对降雨的再分配过程，主要取决于非饱和带地下水运动的机理、特性和运动规律。

早在1935年，霍顿就提出降雨径流的产生取决于以下4个因素：降雨强度i、地面下渗容量fp、包气带的土壤含水量（I-E）以及田间持水量D。霍顿认为：

1）当 i≤fp，I-E≤D 时，无径流产生。

2）当i＞fp，I-E≤D时，只产生地面径流，不产生地下径流。

3）当i≤fp，I-E≥D时，只产生地下径流，不产生地面径流。

4）当i＞fp，I-E≥D时，这时地面、地下两种径流成分均会生成。

1.1 流域产流机制及产流类型

目前产流机制可分为超渗地面径流产流机制、地下水径流产流机制、壤中水径流产流机制和饱和地面径流产流机制等4种。自然界包气带结构的复杂性和降雨特性时空分布的多样性导致了其在产流过程中一般要涉及到一种以上的产流机制。

对特定的包气带结构和降雨特性可能出现的产流机制的组合称为产流类型。因此，一种产流类型将包含一种或一种以上的径流成分。自然界可能出现的产流类型共9种：①总径流只包括超渗地面径流;②总径流由超渗地面径流和壤中水径流组成;③总径流由饱和地面径流和壤中水径流组成;④总径流由超渗地面径流和地下水径流组成;⑤总径流由壤中水径流和地下水径流组成;⑥总径流只包括壤中水径流;⑦总径流由超渗地面径流、壤中水径流和地下水径流组成。

1.2 流域产流模式

对自然界不同的包气带结构和降雨特性，如果以次降雨量-总径流量关系的形式作为分类的标准，则降雨产流可归纳为3种情况：

1）如果一次降雨只有超渗地面径流产生，则次降雨量—总径流量关系为：

2）如果一次降雨的总径流包含地下水径流，则次降雨量—总径流量关系为：

3）如果一次降雨的总径流有壤中流而无地下水径流，则次降雨量～总径流量关系为：

式中，R为径流量;P为降雨量;i为降雨强度;E为蒸散发量;W为土壤含水量。

进一步再把影响次降雨～径流关系的因素概括一下，则上述3类次降雨～径流关系又可变为自然界的两类基本的产流模式：超渗产流和蓄满产流。

1.2.1 超蓄产流或蓄满产流

包气带达到田间持水量，产生了地下径流。因降水使土壤包气带和饱水带基本饱和而产生径流的方式，是降雨径流的产流方式之一。在降雨量较充沛的湿润、半湿润地区，地下潜水位较高，土壤前期含水量大，由于一次降雨量大，历时长，降水满足植物截留、入渗、填洼损失后，损失不再随降雨延续而显著增加，土壤基本饱和，从而广泛产生地表径流。此时的地表径流不仅包括地面径流，也包括壤中流和其它形式的浅层地下水产流。蓄满产流方式往往不能在山区流域上普遍实现，在平原区则容易发生。在土层较薄的坡脚，由于饱和坡面流的存在，也具有蓄满产流意义。

蓄满产流这一术语是中国水文学家基于中国江淮流域，尤其是江南河网化地区具体情况提出的，它对产流理论和降雨径流形成规律的探索，雨洪预报方法的研究有一定的实际意义。

1.2.2 超渗产流

发生在包气带上界面（地面）的产流机制。地面径流的形成过程是在降雨、植物截留、填洼、雨期蒸发及下渗等几个过程组合下的发展过程。超渗产流是指地面径流产生的原因是同期的降水量大于同期植物截留量、填洼量、雨期蒸发量及下渗量等的总和，多余出来的水量产生了地面径流。一般来说，植物截留量、雨期蒸发量、填洼量一般较小;而下渗量一般较大、且变化幅度也很大，它从初渗到稳渗、在时程上具有急变特性，空间上也具有多变的特性。下渗量的时空变化一般表现为：同一种土壤情况下，土壤干燥时，下渗能力强;土壤湿润时，下渗能力小。由此可见，下渗对地面径流的产生影响很大。地面径流产生的前提条件是：产流界面是地面（包气带的上界面）;必要条件是要有供水源（降水）;充分条件是降雨强度要大于下渗能力。我国的学者通过对大量实测资料进行研究发现：年降雨量在800 mm以上、植被良好的地区包气带常年潮湿，以超蓄产流为主;年降雨量低于200 mm的地区，包气带缺水量大，以超渗产流为主。

1.3 产流计算方法

目前用于实际作业的产流预报方法主要有降雨径流经验相关法，下渗曲线法，流域水文模型法。

2 流域汇流的研究

降落在流域上的降水水滴，扣除损失后，从流域各处向流域出口断面汇集的过程成为流域汇流过程。流域汇流由坡地汇流和河网汇流两个子过程所组成。

2.1 坡地汇流

降雨产生的水流从它产生地点沿坡地向河槽的汇集过程。坡地是产流的场所，也是径流输移的场所。坡地汇流包括坡面、表层和地下3种径流成分的汇流。坡面上的水流多呈沟状或片状，从产流地点到河网的流程不长，因此汇流历时较短。由于坡面糙率大，坡度陡，水流惯性作用可以忽略。表层汇流和地下汇流均属有孔介质中的水流运动。它们的运动都比地面流缓慢。表层汇流速度比地下汇流高得多，地下汇流的速度最低。

在水文学中，通常采用水量平衡方程与坡地水流的蓄泄关系来描述水流在坡地上汇流的运动规律。坡面流的出流量过程可用包含有坡地汇流曲线的径流成因公式来推求，或用运动波来描述。表层流的出流变化，通常采用线性的蓄泄关系来描述。地下径流的流动规律，可用土壤中非饱和及饱和水流方程解算。

2.2 河网汇流

许多大小不同的河槽构成相互贯通的、完整的泄水系统，称为河网。水流沿着河槽向下游的运动过程称河槽汇流。在这个系统中各级河槽的水流向下游的流动称为河网汇流。河槽汇流实际上就是洪水波在河槽中的运动过程，其水流运动规律可用不稳定流的圣维南方成祖描述。在天然河槽，特别是在河网中，沿程旁侧入流的加入、干支流水流的相互影响和沿程水力特性的差异等，使洪水波的运动更为复杂。在水文学中，常采用水流连续定理和蓄泄关系来描述河网汇流，也就是应用径流成因公式来求其出流过程。随着流域面积增大，河网汇流时间越来越大于坡地汇流时间，以致河网在径流的时程再分配上起主要作用。相反，当流域面积减小时，坡地汇流对径流时程再分配的作用，则逐渐变得显著。

2.3 单位线法

单位线是指单位时段内，均匀分布的单位净雨量在流域出口断面形成的地面径流过程线。利用单位线来推求洪水汇流过程线，称为单位线法。单位净雨深一般取10 mm，单位时段则依流域性质不同，取3、6、12、24 h等。单位线反映了流域的坡地和河网综合调蓄后的洪水运动规律。

单位线存在的问题。首先，单位线的倍比和叠加线性假定不能完全符合实际，由各次大洪水分析得到的单位线并不完全相同。原因是：河槽水流非线性变化，大小洪水汇流的度速不相同。其次，净雨量在流域上的分布也不完全是均匀的，如前已述，暴雨中心分布与移动方向不同可使流量过程线峰值与峰型均发生变化。此外，地下水的多少也影响单位线，地面径流比重大的洪水，单位线尖瘦，洪峰提前，地下水径流比重大则单位线平缓，洪峰滞后。实用上按洪水的大小予以分级，每级规定一条单位线。把暴雨中心位置分为几种，每种定一条单位线，使用时根据具体情况选用。

3 结论

产汇流理论是水文学的分支学科之一，旨在探讨不同气候和下垫面条件下降雨径流形成的物理机制、不同介质中水流汇集的基本规律以及产汇流计算方法的基本原理。它的核心内容是回答流域降水后，在流域下垫面的作用下，在所考虑的流域上水的分配形式和运动状态，以及在流域内和在流域的边界上随时间和空间的分配形式和运动变化状态。是研制确定性水文模型、短期水文预报方法和解决许多水文、水资源实际问题的重要理论依据。它的研究对象是水—土—植系统水文循环和流域尺度的水文循环，主要理论与技术支柱是土壤水动力学、气象学、自然地理学、明渠水力学、渗流力学、实验水文学、系统分析和近代计算技术等。今后应注重如何运用水文学原理的知识解决实际工程应用问题。

[1]芮孝芳.关于降雨产流机制的几个问题的探讨[J].水利学报，1996（9）：22-25.

[2]芮孝芳，宫兴龙，张超，刘万贵.流域产流分析及计算[J].水利发电学报，2009，（28）6：146-150.

[3]芮孝芳.水文学原理.水利学报[M].中国水利水电出版社，1996.