半濕潤區(qū)徑流形成的力學(xué)分析

陳敏建，鄧 偉，2，趙 勇，汪 勇

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084）

1 問題提出

降雨徑流關(guān)系是水文循環(huán)的核心。自然條件下降雨徑流關(guān)系在穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。高強(qiáng)度的水土資源開發(fā)利用導(dǎo)致許多區(qū)域降雨徑流關(guān)系發(fā)生了改變，如處在半濕潤區(qū)的華北平原，降雨量變化并不顯著，地表產(chǎn)水量卻大幅度下降甚或基本不產(chǎn)流。降雨徑流關(guān)系改變的原因是支撐產(chǎn)流機(jī)制的自然常態(tài)條件發(fā)生了變化，越來越多的研究者意識(shí)到地下水位持續(xù)下降導(dǎo)致包氣帶增厚是主要原因。

通過研究徑流形成過程的物理機(jī)制，或許可以揭示降雨徑流關(guān)系變化的原因。而現(xiàn)有的產(chǎn)流理論，如同水文學(xué)發(fā)展遇到的瓶頸：注重對(duì)結(jié)果的研究，缺乏對(duì)過程的理解與剖析。需要從物理學(xué)，尤其是經(jīng)典力學(xué)的角度，揭示降雨徑流過程，探討徑流形成的內(nèi)在機(jī)理。為水文學(xué)朝更具經(jīng)典物理學(xué)、力學(xué)支撐的方向發(fā)展進(jìn)行有益探索，同時(shí)為以華北平原為代表的地下水治理提出理論依據(jù)和發(fā)展方向。

2 徑流形成的力學(xué)原理

2.1 包氣帶的物理?xiàng)l件在一定降水條件下，包氣帶對(duì)降雨徑流關(guān)系有著決定性的影響，包括兩個(gè)方面：一是土壤初始含水量，二是包氣帶厚度。后者的重要性在華北平原陸續(xù)出現(xiàn)徑流消失后被人們逐漸認(rèn)識(shí)，但研究深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。一般情況下，包氣帶土壤作為有孔介質(zhì)，其孔隙被氣體和水分充滿。除濕潤地區(qū)外，包氣帶孔隙多數(shù)空間在一年里的大部分時(shí)間都被氣體占據(jù)，尤其是降雨季節(jié)到來之前。……