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水 利 学 报

２０２２年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）０６ － ０６６６ － ０８

半湿润区径流形成的力学分析

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陈敏建 ，邓 伟 １，２ ，赵 勇 ，汪 勇 １
（１．中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８；２．清华大学 水利水电工程系，北京 １０００８４）

摘要：本文针对包气带对径流形成的支撑作用，建立降雨径流与地下水埋深的定量变化关系。根据力学原理分析
降雨径流过程的作用力形成与变化，提出了径流形成力学分析理论，推导出降雨径流关系与包气带厚度的定量联
系。在此基础上，将自然常态下维持稳定的降雨径流关系的包气带厚度定义为产流基准埋深，针对地下水位下降
导致地表径流减少定义了地表径流消失临界埋深，完成了上述问题的计算公式推导。以华北平原为典型进行了初
步实证研究，分析计算并实证了产流基准埋深，初步提出了地表径流消失的临界埋深，结果表明与实测资料非常
吻合。包气带气体压强受土壤条件影响较大，是力学分析的关键，需要进一步深入研究。
关键词：降雨径流受力；包气带；土壤气体阻力；径流形成机制；产流基准埋深；地表径流消失临界埋深
文献标识码：Ａ
中图分类号：Ｐ３３３ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２１０７６６

１ 问题提出

降雨径流关系是水文循环的核心。自然条件下降雨径流关系在稳定的范围内波动。高强度的水土
资源开发利用导致许多区域降雨径流关系发生了改变，如处在半湿润区的华北平原，降雨量变化并不
显著，地表产水量却大幅度下降甚或基本不产流。降雨径流关系改变的原因是支撑产流机制的自然常
态条件发生了变化，越来越多的研究者意识到地下水位持续下降导致包气带增厚是主要原因。
通过研究径流形成过程的物理机制，或许可以揭示降雨径流关系变化的原因。而现有的产流理
论，如同水文学发展遇到的瓶颈：注重对结果的研究，缺乏对过程的理解与剖析。需要从物理学，尤
其是经典力学的角度，揭示降雨径流过程，探讨径流形成的内在机理。为水文学朝更具经典物理学、
力学支撑的方向发展进行有益探索，同时为以华北平原为代表的地下水治理提出理论依据和发展方向。

２ 径流形成的力学原理

２．１ 包气带的物理条件 在一定降水条件下，包气带对降雨径流关系有着决定性的影响，包括两个方
面：一是土壤初始含水量，二是包气带厚度。后者的重要性在华北平原陆续出现径流消失后被人们逐
渐认识，但研究深度远远不够。一般情况下，包气带土壤作为有孔介质，其孔隙被气体和水分充满。
除湿润地区外，包气带孔隙多数空间在一年里的大部分时间都被气体占据，尤其是降雨季节到来之
前。按物理学常识，孔隙中充斥的气体作为物质是不可忽略的存在，不难理解，如果是真空，水分进
入包气带土壤孔隙后将会迅速直达底部。但事实上降雨水体进入包气带会引起气体的强烈反应，表现
在对入渗水体的阻碍，这种气体阻力作用是不可忽视的。在降雨径流形成的过程中正面研究包气带气
体与降雨水体的相互作用可以提供研究径流形成的不同视角，支持新的发现。
［１］
气体阻力对水分下渗的影响已经有不少研究，早在 １９３４年就已被 Ｐｏｗｅｒｓ 在入渗实验中观察到。

收稿日期：２０２１ － ０８ － ２３；网络首发时间：２０２２ － ０４ － ２７
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０４２６．１０１８．００２．ｈｔｍｌ
作者简介：陈敏建（１９５７ － ），教授级高级工程师，主要从事生态水文、水资源规划与管理等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｍｊｃｈｅｎ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
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