探析產匯流理論的研究

崔慶峰

（黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080）

1 流域產流的研究

流域產流是指降雨轉化為徑流時流域中各種徑流成分的生成過程，其實質是水分在下墊面垂向運動中，在各種因素綜合作用下對降雨的再分配過程，主要取決于非飽和帶地下水運動的機理、特性和運動規律。

早在1935年，霍頓就提出降雨徑流的產生取決于以下4個因素：降雨強度i、地面下滲容量fp、包氣帶的土壤含水量（I-E）以及田間持水量D。霍頓認為：

1）當 i≤fp，I-E≤D 時，無徑流產生。

2）當i＞fp，I-E≤D時，只產生地面徑流，不產生地下徑流。

3）當i≤fp，I-E≥D時，只產生地下徑流，不產生地面徑流。

4）當i＞fp，I-E≥D時，這時地面、地下兩種徑流成分均會生成。

1.1 流域產流機制及產流類型

目前產流機制可分為超滲地面徑流產流機制、地下水徑流產流機制、壤中水徑流產流機制和飽和地面徑流產流機制等4種。自然界包氣帶結構的復雜性和降雨特性時空分布的多樣性導致了其在產流過程中一般要涉及到一種以上的產流機制。

對特定的包氣帶結構和降雨特性可能出現的產流機制的組合稱為產流類型。因此，一種產流類型將包含一種或一種以上的徑流成分。自然界可能出現的產流類型共9種：①總徑流只包括超滲地面徑流;②總徑流由超滲地面徑流和壤中水徑流組成;③總徑流由飽和地面徑流和壤中水徑流組成;④總徑流由超滲地面徑流和地下水徑流組成;⑤總徑流由壤中水徑流和地下水徑流組成;⑥總徑流只包括壤中水徑流;⑦總徑流由超滲地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流組成。

1.2 流域產流模式

對自然界不同的包氣帶結構和降雨特性，如果以次降雨量-總徑流量關系的形式作為分類的標準，則降雨產流可歸納為3種情況：

1）如果一次降雨只有超滲地面徑流產生，則次降雨量—總徑流量關系為：

2）如果一次降雨的總徑流包含地下水徑流，則次降雨量—總徑流量關系為：

3）如果一次降雨的總徑流有壤中流而無地下水徑流，則次降雨量～總徑流量關系為：

式中，R為徑流量;P為降雨量;i為降雨強度;E為蒸散發量;W為土壤含水量。

進一步再把影響次降雨～徑流關系的因素概括一下，則上述3類次降雨～徑流關系又可變為自然界的兩類基本的產流模式：超滲產流和蓄滿產流。

1.2.1 超蓄產流或蓄滿產流

包氣帶達到田間持水量，產生了地下徑流。因降水使土壤包氣帶和飽水帶基本飽和而產生徑流的方式，是降雨徑流的產流方式之一。在降雨量較充沛的濕潤、半濕潤地區，地下潛水位較高，土壤前期含水量大，由于一次降雨量大，歷時長，降水滿足植物截留、入滲、填洼損失后，損失不再隨降雨延續而顯著增加，土壤基本飽和，從而廣泛產生地表徑流。此時的地表徑流不僅包括地面徑流，也包括壤中流和其它形式的淺層地下水產流。蓄滿產流方式往往不能在山區流域上普遍實現，在平原區則容易發生。在土層較薄的坡腳，由于飽和坡面流的存在，也具有蓄滿產流意義。

蓄滿產流這一術語是中國水文學家基于中國江淮流域，尤其是江南河網化地區具體情況提出的，它對產流理論和降雨徑流形成規律的探索，雨洪預報方法的研究有一定的實際意義。

1.2.2 超滲產流

發生在包氣帶上界面（地面）的產流機制。地面徑流的形成過程是在降雨、植物截留、填洼、雨期蒸發及下滲等幾個過程組合下的發展過程。超滲產流是指地面徑流產生的原因是同期的降水量大于同期植物截留量、填洼量、雨期蒸發量及下滲量等的總和，多余出來的水量產生了地面徑流。一般來說，植物截留量、雨期蒸發量、填洼量一般較小;而下滲量一般較大、且變化幅度也很大，它從初滲到穩滲、在時程上具有急變特性，空間上也具有多變的特性。下滲量的時空變化一般表現為：同一種土壤情況下，土壤干燥時，下滲能力強;土壤濕潤時，下滲能力小。由此可見，下滲對地面徑流的產生影響很大。地面徑流產生的前提條件是：產流界面是地面（包氣帶的上界面）;必要條件是要有供水源（降水）;充分條件是降雨強度要大于下滲能力。我國的學者通過對大量實測資料進行研究發現：年降雨量在800 mm以上、植被良好的地區包氣帶常年潮濕，以超蓄產流為主;年降雨量低于200 mm的地區，包氣帶缺水量大，以超滲產流為主。

1.3 產流計算方法

目前用于實際作業的產流預報方法主要有降雨徑流經驗相關法，下滲曲線法，流域水文模型法。

2 流域匯流的研究

降落在流域上的降水水滴，扣除損失后，從流域各處向流域出口斷面匯集的過程成為流域匯流過程。流域匯流由坡地匯流和河網匯流兩個子過程所組成。

2.1 坡地匯流

降雨產生的水流從它產生地點沿坡地向河槽的匯集過程。坡地是產流的場所，也是徑流輸移的場所。坡地匯流包括坡面、表層和地下3種徑流成分的匯流。坡面上的水流多呈溝狀或片狀，從產流地點到河網的流程不長，因此匯流歷時較短。由于坡面糙率大，坡度陡，水流慣性作用可以忽略。表層匯流和地下匯流均屬有孔介質中的水流運動。它們的運動都比地面流緩慢。表層匯流速度比地下匯流高得多，地下匯流的速度最低。

在水文學中，通常采用水量平衡方程與坡地水流的蓄泄關系來描述水流在坡地上匯流的運動規律。坡面流的出流量過程可用包含有坡地匯流曲線的徑流成因公式來推求，或用運動波來描述。表層流的出流變化，通常采用線性的蓄泄關系來描述。地下徑流的流動規律，可用土壤中非飽和及飽和水流方程解算。

2.2 河網匯流

許多大小不同的河槽構成相互貫通的、完整的泄水系統，稱為河網。水流沿著河槽向下游的運動過程稱河槽匯流。在這個系統中各級河槽的水流向下游的流動稱為河網匯流。河槽匯流實際上就是洪水波在河槽中的運動過程，其水流運動規律可用不穩定流的圣維南方成祖描述。在天然河槽，特別是在河網中，沿程旁側入流的加入、干支流水流的相互影響和沿程水力特性的差異等，使洪水波的運動更為復雜。在水文學中，常采用水流連續定理和蓄泄關系來描述河網匯流，也就是應用徑流成因公式來求其出流過程。隨著流域面積增大，河網匯流時間越來越大于坡地匯流時間，以致河網在徑流的時程再分配上起主要作用。相反，當流域面積減小時，坡地匯流對徑流時程再分配的作用，則逐漸變得顯著。

2.3 單位線法

單位線是指單位時段內，均勻分布的單位凈雨量在流域出口斷面形成的地面徑流過程線。利用單位線來推求洪水匯流過程線，稱為單位線法。單位凈雨深一般取10 mm，單位時段則依流域性質不同，取3、6、12、24 h等。單位線反映了流域的坡地和河網綜合調蓄后的洪水運動規律。

單位線存在的問題。首先，單位線的倍比和疊加線性假定不能完全符合實際，由各次大洪水分析得到的單位線并不完全相同。原因是：河槽水流非線性變化，大小洪水匯流的度速不相同。其次，凈雨量在流域上的分布也不完全是均勻的，如前已述，暴雨中心分布與移動方向不同可使流量過程線峰值與峰型均發生變化。此外，地下水的多少也影響單位線，地面徑流比重大的洪水，單位線尖瘦，洪峰提前，地下水徑流比重大則單位線平緩，洪峰滯后。實用上按洪水的大小予以分級，每級規定一條單位線。把暴雨中心位置分為幾種，每種定一條單位線，使用時根據具體情況選用。

3 結論

產匯流理論是水文學的分支學科之一，旨在探討不同氣候和下墊面條件下降雨徑流形成的物理機制、不同介質中水流匯集的基本規律以及產匯流計算方法的基本原理。它的核心內容是回答流域降水后，在流域下墊面的作用下，在所考慮的流域上水的分配形式和運動狀態，以及在流域內和在流域的邊界上隨時間和空間的分配形式和運動變化狀態。是研制確定性水文模型、短期水文預報方法和解決許多水文、水資源實際問題的重要理論依據。它的研究對象是水—土—植系統水文循環和流域尺度的水文循環，主要理論與技術支柱是土壤水動力學、氣象學、自然地理學、明渠水力學、滲流力學、實驗水文學、系統分析和近代計算技術等。今后應注重如何運用水文學原理的知識解決實際工程應用問題。

[1]芮孝芳.關于降雨產流機制的幾個問題的探討[J].水利學報，1996（9）：22-25.

[2]芮孝芳，宮興龍，張超，劉萬貴.流域產流分析及計算[J].水利發電學報，2009，（28）6：146-150.

[3]芮孝芳.水文學原理.水利學報[M].中國水利水電出版社，1996.