第2-1章-流域产流

第2章流域产流第二章流域产流2.1概述2.2产流机制分析2.3流域蒸发2.4实测径流分析2.5降雨径流相关法2.6蓄满产流2.7超渗产流2.8混合产流2.1概述产汇流研究内容：从定量上研究降雨形成径流的原理和计算方法，包括流域的产流计算和汇流计算。产流计算：由降雨量计算能达到流域出口断面的径流深。即研究流域上一场降雨，扣除植物截留、填洼、蒸发、下渗等损失后，形成净雨量的计算方法；汇流计算：研究净雨沿地面和地下汇入河网，并沿河网汇集形成流域出口断面径流。分为坡地和河网汇流。降水蒸发蒸腾坡面流壤中流下渗冠层截留河流基流降雨冠层截留地表调蓄土壤调蓄地下调蓄蒸散发河网调蓄径流流域产流计算的意义：①流域产流计算是由降雨量直接计算流域出口断面的径流量，较河段洪水预报（根据河段上断面的水位或流量，推求下断面的水位或流量）来说，预见期长。②当河段上、下断面区间面积较大时，为了提高洪水预报精度，考虑区间降雨径流的影响，也常用降雨产流计算方法处理；③另外，一些调节库容大的水库，通常只需计算一场降雨形成的洪量或一段时间的降雨产流量，就可以进行防洪与兴利调度了。④常用的水文模型，将降雨径流过程分为产流和汇流两种机制。因此，降雨产流计算，既是生产实际的需要，也是研制水文模型的重要组成部分。2.1概述流域产流量计算流域水量平衡原理非闭合流域闭合流域2.1概述基本原理基本原理——闭合流域和非闭合流域2.1概述PP基本原理非闭合流域水量平衡R=P-E-WP-WS-ΔW±R交±R引±R其他2.1概述In:P(降水)Out:E(流域蒸散发量)WP(植物截留量)WS(地面坑洼储水量)ΔW（土壤蓄水量变化）R(径流量)R引(跨流域引水量，引入为正，引出为负)R交(流域不闭合径流交换量)R其他(其他因素引起的水量增减)一般植被条件：10mm发育完好的森林：次洪降雨量的15%~25%WP中等或平缓山坡：5~15mm耕地：10~40mm平整的土表面：10mmWS基本原理闭合流域水量平衡Rt=Pt-Et+Wt-Wt+1无大的跨流域引水工程：R引=0无大的其他影响流域蓄水量增减的因素：R其他=0将冠层截留、填洼与土壤蓄水合并Rt流域产流量Pt时段降雨量Et时段蒸发量Wt,Wt+1分别为时段初、末土壤蓄水量2.1概述R=P-E-WP-WS-ΔW±R交±R引±R其他=0已知：Pt和Wt还需计算：1.Et利用蒸发计算模式（2.3节）计算2.Rt通过建立Pt~Rt关系（相关图2.4、蓄满产流2.5、超渗产流2.6、混合产流2.7），利用Pt、Wt、Et推求Rt3.由上式计算Wt+1，返回1按上述方法逐时段推求Rt+1？与流域产流机制有关2.2产流机制分析产流机制：即产生径流的物理条件。由于流域的地理、气候等特征的差异，导致流域降雨产流机制的不同。因此，根据流域的自然地理和气候特征，对复杂的流域产流物理过程进行必要的概化描述，是建立数学模型的前提。为简化模型结构，把降雨产流过程概化为超渗产流和蓄满产流两种基本模式。2.2产流机制分析蓄满产流：包气带土壤含水量达到田间持水量（蓄水容量,Wm）的产流情况。当土壤蓄满后，降雨入渗到土壤中的部分将形成地下径流（Rg）；降雨超过入渗强度（fc）的部分形成地表径流（Rs）。总径流量：R=Rg+Rs。水量平衡平衡方程：R=P-E-(Wm-W0)超渗产流是指降雨强度过大，导致降雨强度超过下渗率，未渗入土壤的水量,便形成地表径流的产流过程。总径流量：R=Rs。水量平衡平衡方程：R=P-E-(We-W0)流域产流过程就是水分经过流域下垫面（包括地面和包气带）作用之后对降水的再分配的过程。因此，不同的下垫面条件对应不同的流域产流机制，从而进一步影响到整个流域径流发展的过程也不相同。s未达到饱和2.2产流机制分析产流机制论证方法流量过程线分析气候、地理和下垫面特征分析1.流量过程线分析地面与地下径流向流域出口断面运动过程中，因流经的介质和路径不同，所受流域的调蓄作用不同，反映在流域出口断面的流量过程线（Q~t）的涨落特征上有明显差异，为流域产流方式的论证提供信息。超渗产流和蓄满产流最本质的差别是：在一次洪水过程中，超渗产流没有或基本没有地下径流，蓄满产流地下径流比例大2.2产流机制分析超渗产流蓄满产流当降雨强度大于下渗率时，产生地面径流。下渗的水量不能满足包气带缺水量，没有或基本没有地下径流渗入地面以下的降水在满足土壤缺水后，形成地下径流，比例大地面径流汇集过程运动在地面，汇集速度快，运动路径短，受流域调蓄作用小，Q~t线呈陡涨陡落，形状尖瘦，对称性好。地下径流汇集过程运动于土壤空隙中，流速小，运动路径长，受流域调蓄作用大，形成的Q~t线呈缓涨缓落，时间上滞后地面径流，形状不对称。2.2产流机制分析形状不对称系数CS－定量描述洪水过程线的对称性流量过程线转化为总量为1的比例过程线Cs—不对称系数qt—比例过程线的纵坐标tB—过程线重心的时间t—时间Cs=-0.0099Cs=0.72323))(()(BtBtSttqttqC2.2产流机制分析2.气候、地理和下垫面特征分析蓄满产流超渗产流混合产流气候湿润地区，土壤缺水量少长年干旱、蒸发量大、土壤缺水量大下垫面土壤颗粒大、质地疏松、植被好、地下水埋深浅植被差、土壤颗粒细、地下水埋深大地理位置长江以南地区：年降雨量1000mm，年径流系数0.4西北干旱地区：年降雨量400mm，年径流系数0.2其他地区：年降雨量400~1000mm，年径流系数0.2~0.4表2-1、2-2列出了全国主要河流和各省、自治区、直辖市典型站点水文特征值编号对比分析内容蓄满产流超渗产流1多年平均降雨量1000mm400mm2多年平均径流系数0.40.23流量过程线不对称系数大小4降雨强度小大5影响产流因素初始土湿和降雨量初始土湿和降雨强度6表层土质结构疏松、不易超渗密实、易超渗7缺水量小、易蓄满大、不易蓄满8地下径流比例大比例小9产流与降雨特征关系与降雨量关系密切与降雨强度关系密切统计学2.2产流机制分析综合分析2.2产流机制分析r2=0.632r2=0.234r2=0.98r2=-0.104不同流域产流机制是什么？？综合分析小结2.1概述产流计算定义及研究内容产流计算研究意义产流计算基本原理（闭合、非闭合流域）2.2产流机制分析产流机制蓄满产流和超渗产流产流机制论证方法①流量过程线分析②气候、地理和下垫面特征分析③综合分析重点难点：见红色部分。2.3流域蒸发量计算1.流域蒸发量计算重要性在产流计算中流域蒸发量计算是产流计算的重要内容，既影响降雨期的产流量，也决定了无雨期土壤含水量的消耗，特别对于长时期的产流量估计，蒸发量是决定因素。Rt=Pt-Et+Wt-Wt+1Wt+1=Wt-Et无雨期降雨期Rt=Pt-Et长时期产流量估计中Wt-Wt+1=02.流域蒸散发：流域上不同蒸发面（水面、裸土、岩石、植被等）的蒸发和散发总称为流域蒸散发。一般流域内水面所占比重不大，所以土壤蒸发是流域蒸散发决定性部分。蒸发类型水面蒸发土壤蒸发植物蒸腾2.3流域蒸发量计算陆面蒸发3.蒸发模型的概化控制土壤蒸发的条件气象条件能量--蒸发面上水分子获得能量的多少动力--蒸发面上空气水汽输送的速度如何下垫面条件供水--蒸发面储存水量的多少土壤结构—土壤颗粒组成有关的因素。2.3流域蒸发量计算Es=Es（气象因素，土壤供水条件，土壤结构）Es=Es（气象因素，土壤供水条件）针对某一指定流域，土壤结构随时间变化不大，由蒸发公式中的常参数来反映，蒸发模型中可不考虑。Es=Es（E0，W）E0=f（气象要素）2.3流域蒸发量计算3.蒸发模型的概化蒸发能力：充分供水条件下，单位时间从单位面积逸散到大气中的水分子与从大气中返回蒸发面的水分子数之差值。土壤蒸发能力Ep：土壤充分供水条件下的土壤蒸发量。是在当日气象条件下流域蒸发量的上限。Ep=f（气象要素）=f(E0)Es=Es（Ep，W）Es=Es（E0，W）2.3流域蒸发量计算4.流域蒸发能力的确定在本课程中，通过水面蒸发值折算来获得EP＝KC*E0蒸散发折算系数蒸发器实测Ep=f（气象要素）=f(E0)蒸发器2.3流域蒸发量计算4.流域蒸发能力的确定EP＝KC*E0水面与陆面差异K1水面与陆面地理位置差异K3器皿与水面蒸发差异K25.水面蒸发E0估计通常由蒸发皿实测而得，没有实测资料时，常用公式计算求得。计算方法①水库水量平衡法②空气动力学法③彭曼经验公式将空气动力学和能量平衡方程结合得出2.3流域蒸发量计算)(10dnEQEΔ：温度－饱和水汽压曲线中气温T0处的斜率γ：湿度计常数，常取0.66Qn：以蒸发单位表示的净辐射Ed：气温等于水温时的蒸发量•6.流域蒸发量推求地下水面（水位）：地下一定深度岩石中的空隙被重力水充满，形成一个自由水面，以海拔高度表示，称为地下水位。图包气带与饱水带示意图2.3流域蒸发量计算饱水带：岩石空隙被水完全充满固、液二相介质水的存在形式：重力水、结合水重力水连续分布（孔隙是连通）→传递压力→在水头差作用下，地下水可以连续运动。包气带：岩石空隙未被水充满固、液、气三相介质并存水的存在形式（多样）：结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水包气带水的垂直分带毛管悬着水带中间过渡带支持毛细水带Es=Es（Ep，W）2.3流域蒸发量计算6.流域蒸发量推求包气带水分动态包气带水分的增长：下渗包气带水分的消退：蒸散发、内排水26不同时间的土壤水分下渗剖面不同时间的土壤水分蒸发剖面2.3流域蒸发量计算6.流域蒸发量推求土壤蒸发三阶段土壤蒸发随土壤含水率θ的变化关系第一阶段：θ=θc1,Es/EP=1.0第二阶段：θc2θθc1，Es/EP=f(θ)=α*θ第三阶段：θ=θc2,Es/EP=Cθc1、θc2为临界点含水率θc2θc1第一阶段第二阶段第三阶段2.3流域蒸发量计算6.流域蒸发量推求土壤蒸发三阶段分析第一阶段：θ=θc1蒸发特点：主要发生在土壤表层，表层土壤因蒸发而减少的水量通过毛管作用由下层得到充分补充，因此，E=Ep影响因素：气象因素第二阶段：θc2θθc1蒸发特点：E继续，θ减小，上层土壤毛管水开始断裂。随毛管水断裂程度的加重，下层对上层供水速率变慢，因此，E减小影响因素：气象因素和土壤含水率第三阶段：θ=θc2蒸发特点：毛管水完全断裂，即毛管输送水分完全破坏，只能以膜状水或气态水形式移动，速度慢，数量小，因此，E小而稳定影响因素：气象因素和地下水埋深6.流域蒸发量推求流域蒸散发计算模式——三层蒸发模型EU,WU,WUmEL,WL,WLmED,WD,WDm上层(Upperlayer)下层(Lowerlayer)深层(Deeplayer)上土层蒸发量：EU=Em下土层蒸发量：EL=Em.WL/WLm深土层蒸发量：ED=C.Em土壤蒸发量：E=EU+EL+ED(notes:同时刻相加）2.3流域蒸发量计算6.流域蒸发量推求流域蒸散发计算模式——三层蒸发模型2.3流域蒸发量计算土壤蒸发量WU+P=EPWU+PEPWL=C.WLmC.(Ep-EU)=WLC.WLmWLC.(Ep-EU）EUEmWU+PWU+PWU+PEL0(Ep-EU)*WL/WLmC*(Ep-EU)WLED000C*(Ep-EU)-EL总蒸发量E=EU+EL+ED(notes:同时刻相加）供水充分供水不充分毛管未完全断裂毛管完全断裂大气蒸发控制阶段水汽扩散运行阶段EP流域蒸发能力C.WLm毛管完全断裂含水量，即下层土壤最大扩散能力C.(Ep-EU)下层土壤扩散能力2.3流域蒸发量计算6.流域蒸发量推求一层蒸发模式假定流域蒸发量与土壤含水量成正比二层蒸发模式将流域蓄水量WM分为上层WUM和WLM。假定蒸发先消耗上层土壤含水量，再消耗下层。上层按流域蒸发能力蒸发下层蒸发量与下层土壤含水量成正比mpWE