水文过程与响应解析

# 水文过程与响应解析 水在自然界中的循环和运动是一个复杂而又关键的过程，对生态系统、水资源管理以及自然灾害防御等方面都有着深远的影响。了解不同的水文过程及其响应机制，有助于我们更好地理解和应对各种与水相关的问题。下面将详细介绍几种重要的水文过程。 ## 1. 地表径流过程 地表径流是指降水在地表形成的水流，主要分为两种类型：超渗地表径流和饱和地表径流。 ### 1.1 超渗地表径流 当降雨强度超过土壤的入渗能力时，就会产生超渗地表径流。土壤的水动力特性，包括入渗能力，在不同区域可能会有很大差异，通常能相差几个数量级。这种径流过程还伴随着再入渗现象，即入渗能力降低区域的超渗水流可能会以地表径流的形式流动，当流到流域下游入渗能力较高的区域时，又会再次入渗。不过，这种地表径流和再入渗的假设有时被认为过于简单，因为微地形往往会使水流迅速汇聚到微通道中，从而减少了水再入渗的可能性。超渗地表径流对于解释半干旱气候地区或遭受暴雨袭击的流域的水文响应非常有用。即使在温带和湿润气候下具有高导水率的天然土壤，其入渗能力也可能低于有记录的最大降水强度。 ### 1.2 饱和地表径流 当土壤耗尽了蓄水能力，并且超过了侧向输水能力（即地下水流现象）时，就会出现饱和地表径流。传统上认为这种径流仅由降水产生，但在Dune的分类中，饱和地表上的降水只是这种径流的一个组成部分，另一个组成部分是回归流。土壤表面的饱和可以由深层或上层滞水层的侧向水流导致，也可能是地下水从相对不透水层或现有地下水位上升引起的，这些情况都属于“从下而上”的饱和。这种饱和形式与“从上而下”的饱和相反，“从上而下”的饱和通常由强降水和浅层相对不透水层等条件促进。总体而言，地表径流主要有两种模式：一种是土壤入渗能力超过时发生的超渗地表径流（霍顿地表径流），另一种是土壤表面饱和时发生的饱和地表径流。前者的饱和从顶部开始，而后者通常是从底部开始饱和，主要发生在斜坡底部。 ### 1.3 确定饱和表面 土壤和地形在侧向水流以及饱和表面形成过程中起着重要作用，这可以通过地形指数来识别。然而，这些指数在实际应用中存在争议，因为其应用主要基于土壤处于稳定状态（土壤厚度保持不变）这一难以验证的假设，以及对土壤性质空间变化的了解（这也很少能确切知晓）。例如，在一次降雨事件中，饱和表面和排水网络会随着时间不断扩展和发展。 ## 2. 地下水流过程 地下水流是指在土壤浅层中发生的水流，主要特征是水在入渗过程后进行侧向运动。 ### 2.1 活塞效应 在分析地下水流过程时，为了解释洪水过程线中老水比例较高的现象，一些学者提出了活塞效应的概念。该效应认为，斜坡上的一股水流脉冲会通过压力波向下游传播，导致斜坡底部立即发生渗出。可以将其类比为在饱和土壤柱顶部施加一负载水，水在重力作用下向下移动，将柱底部土壤中的水挤出。需要注意的是，要区分土壤中水流的“虚拟”速度（相对较慢，决定了水在斜坡上的平均传输时间）和压力波的传播速度（可以反映流域的反应速度）。不过，活塞效应也有一定局限性，当土壤储存能力非常低时，一定量的水流脉冲会伴随着等量或近乎等量的渗出。 ### 2.2 大孔隙流 大孔隙流是近二十年来水文工作者开始关注的现象。大孔隙在加速地下水补给的同时，还能通过提高渗流速度来促进活塞效应的发生。 #### 2.2.1 大孔隙的定义 由于土壤孔隙率与水在土壤中的行为之间的关系复杂，很难准确定义大孔隙。常见的方法是通过解释含水量与压力势之间的关系来确定孔隙大小分布，但这种研究难以明确给出大孔隙的单一定义。大孔隙的定义部分取决于有效孔径的任意选择以及实地实践经验。随着孔隙率的增加，水在土壤中的行为类似于一组毛细管（等效直径概念）的观点变得值得怀疑，因此根据导水率而不仅仅是尺寸标准（如等效直径）对孔隙类型进行分类可能更有用。有一种相对容易记住的定义是：大孔隙是没有毛细现象的孔隙。以下是一些不同学者对大孔隙的定义： | 参考学者 | 毛细势（kPa） | 等效直径（μm） | | --- | --- | --- | | Nelson and Baver [1940] | > -3.0 | - | | Marshall [1959] | > -10.0 | > 30 | | Brewer [1964] | 大孔隙：5000<br>中孔隙：2000 - 5000<br>小孔隙：1000 - 5000<br>非常小孔隙：75 - 1000 | - | | Mc Donald [1967] | > -6.0 | - | | Webster [1974] | > -5.0 | - | | Ranken [1974] | > -1.0 | - | | Bullock and Thomasson [1979] | > -5.0 | > 60 | | Reeves [1980] | 大裂缝：2000 - 10000<br>裂缝：200 - 2000 | - | | Luxmoore [1981] | > -0.3 | > 1000 | | Beven and Germann [1981] | > -0.1 | > 3000 | #### 2.2.2 大孔隙的类型和成因 大孔隙的形成有多种方式： - **土壤动物形成的孔隙**：直径在1到50毫米之间，由土壤中的微型动物活动形成，通常位于土壤表面附近，深度很少超过1米。 - **植被形成的孔隙**：植物根系穿透土壤形成，植物死亡后，孔隙为空，可供水通过。但区分新老根系形成的孔隙比较困难，因为年轻植物往往会优先沿着老根系的路径生长。因此，大孔隙网络的结构取决于植被类型和植物发育阶段。 - **天然大孔隙**：当土壤具有高初始导水率、结构凝聚力低和高水力梯度时，地下水流的作用会形成天然大孔隙。 - **裂缝**：这种孔隙是由化学或物理过程引起的，如黏土土壤中水分含量减少（收缩现象）。一些农业实践也可能人为地创造大孔隙。 #### 2.2.3 大孔隙的实验测定 实验测定大孔隙的存在需要区分对水文和水力行为有重要作用的大孔