第2章_01_03-蒸發(fā)模式

1、 第2章 流域產(chǎn)流2.1 水量平衡方程 水量平衡原理是水文學(xué)的基本原理。水量平衡法是分水量平衡原理是水文學(xué)的基本原理。水量平衡法是分析水文現(xiàn)象，建立水文要素之間定性或定量關(guān)系，了解其析水文現(xiàn)象，建立水文要素之間定性或定量關(guān)系，了解其時空變化規(guī)律等的主要方法之一。時空變化規(guī)律等的主要方法之一。 根據(jù)水量平衡原理，可列出水量平衡方程。對某一區(qū)根據(jù)水量平衡原理，可列出水量平衡方程。對某一區(qū)域，有域，有 I-O=S 式中式中I、O給定時段內(nèi)輸入、輸出該區(qū)域的總水量；給定時段內(nèi)輸入、輸出該區(qū)域的總水量； S時段內(nèi)區(qū)域蓄水量的變化量，可正可負(fù)。時段內(nèi)區(qū)域蓄水量的變化量，可正可負(fù)。 大陸的水量平衡方程：大陸

2、的水量平衡方程： 大陸多年平均水量平衡大陸多年平均水量平衡方程為：方程為： 海洋的水量平衡方程：海洋的水量平衡方程： 海洋的多年平均水量平海洋的多年平均水量平衡方程為：衡方程為：cccSERPccERPoooSERPooERP 從上面分析看，則從上面分析看，則全球多年平均水量平衡全球多年平均水量平衡方程為：方程為： 即即 說明全球多年平均降水量與多年平均蒸發(fā)量相等。說明全球多年平均降水量與多年平均蒸發(fā)量相等。 EP ococEEPP 例題：某水庫例題：某水庫1993年測得其入庫年平均流量為年測得其入庫年平均流量為110m3/S，出庫年平均流量為，出庫年平均流量為120 m3/S，區(qū)間，區(qū)間來水

3、年平均流量為來水年平均流量為20 m3/S，總灌溉引水量為，總灌溉引水量為108 m3，庫區(qū)水面平均面積為，庫區(qū)水面平均面積為100km2,測得年測得年降水量為降水量為1100mm，年水面蒸發(fā)量為，年水面蒸發(fā)量為1200mm；（1）寫出水庫的水量平衡方程式；）寫出水庫的水量平衡方程式；（2）當(dāng)年水庫的蓄水量是增加還是減少？試求）當(dāng)年水庫的蓄水量是增加還是減少？試求出水庫蓄量的變化量。出水庫蓄量的變化量。 流域水量平衡方程流域水量平衡方程 無雨期土壤含水量消耗無雨期土壤含水量消耗 一次降水的產(chǎn)流量一次降水的產(chǎn)流量 Wt+1 = WtEt P R E = W Rt = Pt Et +WtWt+1

4、第2章 流域產(chǎn)流 流域從降雨開始流域從降雨開始，到流域出口斷面流域從降雨開始流域從降雨開始，到流域出口斷面流量過程的形成，是降雨形成徑流的一個完整、不可流量過程的形成，是降雨形成徑流的一個完整、不可分割的物理過程。但為了分析、計算方便，人為地將分割的物理過程。但為了分析、計算方便，人為地將這個過程分為流域產(chǎn)流、流域匯流兩個階段。這個過程分為流域產(chǎn)流、流域匯流兩個階段。流域產(chǎn)流流域產(chǎn)流流域匯流流域匯流降雨降雨降雨徑流過程降雨徑流過程出流過程出流過程 流域產(chǎn)流是從降雨發(fā)生開始，到凈雨出現(xiàn)的流域產(chǎn)流是從降雨發(fā)生開始，到凈雨出現(xiàn)的階段。階段。 流域匯流是從凈雨出現(xiàn)開始，到流域出口斷流域匯流是從凈雨出現(xiàn)

5、開始，到流域出口斷面流量過程形成的階段。面流量過程形成的階段。一、產(chǎn)流計算的作用一、產(chǎn)流計算的作用 1、小流域洪水預(yù)報。、小流域洪水預(yù)報。2、區(qū)間降雨徑流預(yù)報。、區(qū)間降雨徑流預(yù)報。4、水庫防洪和興利計算的需要。、水庫防洪和興利計算的需要。3、水文流域模型計算的需要。、水文流域模型計算的需要。第二節(jié)第二節(jié) 產(chǎn)流機(jī)制分析產(chǎn)流機(jī)制分析 一、產(chǎn)流機(jī)制分析一、產(chǎn)流機(jī)制分析產(chǎn)流機(jī)制指流域產(chǎn)流的物理過程。產(chǎn)流機(jī)制指流域產(chǎn)流的物理過程。 1、產(chǎn)流機(jī)制、產(chǎn)流機(jī)制 runoff yield mechanism 為分析和計算的需要，將流域產(chǎn)流過程概化為蓄滿為分析和計算的需要，將流域產(chǎn)流過程概化為蓄滿產(chǎn)流、超滲產(chǎn)流兩

6、種最基本的產(chǎn)流模式。產(chǎn)流、超滲產(chǎn)流兩種最基本的產(chǎn)流模式。 2、產(chǎn)流機(jī)制的分析、產(chǎn)流機(jī)制的分析 根據(jù)流域產(chǎn)流所表現(xiàn)出來的特點（結(jié)果）以及影響產(chǎn)根據(jù)流域產(chǎn)流所表現(xiàn)出來的特點（結(jié)果）以及影響產(chǎn)流過程的因素（原因），分析一個具體流域所屬的產(chǎn)流流過程的因素（原因），分析一個具體流域所屬的產(chǎn)流模式。模式。 3、產(chǎn)流機(jī)制分析的主要內(nèi)容、產(chǎn)流機(jī)制分析的主要內(nèi)容 影響產(chǎn)流過程的主要因素：氣候、下墊面等。影響產(chǎn)流過程的主要因素：氣候、下墊面等。 氣候氣候 climate 下墊面下墊面 underlaying surface 降水、蒸發(fā)、氣溫、濕度、風(fēng)速風(fēng)向等。降水、蒸發(fā)、氣溫、濕度、風(fēng)速風(fēng)向等。 地形、地質(zhì)、土壤

7、、植被等。地形、地質(zhì)、土壤、植被等。 產(chǎn)流機(jī)制分析產(chǎn)流機(jī)制分析三、氣候、地理和下墊面特征分析三、氣候、地理和下墊面特征分析 氣候干燥時，蒸發(fā)量大、土壤易缺水，容易出現(xiàn)超滲產(chǎn)流氣候干燥時，蒸發(fā)量大、土壤易缺水，容易出現(xiàn)超滲產(chǎn)流。 土壤結(jié)構(gòu)密實、植被差、地下水埋深大時，多出現(xiàn)超滲土壤結(jié)構(gòu)密實、植被差、地下水埋深大時，多出現(xiàn)超滲產(chǎn)流。產(chǎn)流。n氣候?qū)Ξa(chǎn)流影響較大。氣候?qū)Ξa(chǎn)流影響較大。n下墊面對產(chǎn)流影響也較大。下墊面對產(chǎn)流影響也較大。 雨強(qiáng)大時，容易出現(xiàn)超滲產(chǎn)流。雨強(qiáng)大時，容易出現(xiàn)超滲產(chǎn)流。產(chǎn)流機(jī)制分析產(chǎn)流機(jī)制分析二、流量過程線分析二、流量過程線分析 不同流域的降水，經(jīng)產(chǎn)匯流形成的流量過程線具有不同不同

8、流域的降水，經(jīng)產(chǎn)匯流形成的流量過程線具有不同的特征。的特征。 兩種典型的流量過程線兩種典型的流量過程線 023sm /31510 15 2025 30地面徑流為主地面徑流為主 Qtmin100015050sm /3612 180612地面、地下徑流兼有地面、地下徑流兼有Qth15蓄滿產(chǎn)流超滲產(chǎn)流多年平均降雨量1000mm0.41? OR 1? 我國現(xiàn)有的水面蒸發(fā)觀測儀器中，改進(jìn)后的我國現(xiàn)有的水面蒸發(fā)觀測儀器中，改進(jìn)后的E601型蒸發(fā)器，其代表性、穩(wěn)定性、規(guī)律性較好，所測型蒸發(fā)器，其代表性、穩(wěn)定性、規(guī)律性較好，所測得的蒸發(fā)量可近似代表天然水體水面的蒸發(fā)量。得的蒸發(fā)量可近似代表天然水體水面的蒸發(fā)量

9、。 實際計算中，水面蒸發(fā)折實際計算中，水面蒸發(fā)折算系數(shù)的取值常按不同時段算系數(shù)的取值常按不同時段（月、年、冰期、汛期、非汛（月、年、冰期、汛期、非汛期等）來劃分。期等）來劃分。流域蒸發(fā)量的計算流域蒸發(fā)量的計算 流域蒸發(fā)量決定了無雨期流域蓄水量的消耗量，流域蒸發(fā)量決定了無雨期流域蓄水量的消耗量，也影響降雨期的產(chǎn)流量。也影響降雨期的產(chǎn)流量。 流域蒸發(fā)量很難直接由觀測資料確定，常通過數(shù)流域蒸發(fā)量很難直接由觀測資料確定，常通過數(shù)學(xué)模型計算獲得。學(xué)模型計算獲得。三、流域蒸發(fā)量推求三、流域蒸發(fā)量推求 流域蒸發(fā)量計算方法有兩類：水量平衡法；模式計流域蒸發(fā)量計算方法有兩類：水量平衡法；模式計算法。算法。 根據(jù)

10、降水、徑流、流域蓄水量變化等資料估算總蒸根據(jù)降水、徑流、流域蓄水量變化等資料估算總蒸發(fā)量。發(fā)量。（一）水量平衡法（一）水量平衡法 在資料充分而可靠的條件下，推求多年平均總蒸發(fā)在資料充分而可靠的條件下，推求多年平均總蒸發(fā)量，精度較高。但隨著計算時段的縮短，運用這種方法量，精度較高。但隨著計算時段的縮短，運用這種方法，要正確給定時段始末的流域蓄水量是有困難的。，要正確給定時段始末的流域蓄水量是有困難的。 根據(jù)土壤含水量的垂直分布，流域蒸發(fā)量的計算方法根據(jù)土壤含水量的垂直分布，流域蒸發(fā)量的計算方法可根據(jù)情況選用一層、二層、三層模式?？筛鶕?jù)情況選用一層、二層、三層模式。 （二）模式計算法（二）模式計算

11、法 土壤蒸發(fā)過程土壤蒸發(fā)過程 土壤蒸發(fā)隨土壤含水率的變化關(guān)系E/ /EP = E/ /EP = 1.0E/ /EP = C 土壤含水量是表示包氣帶土壤濕潤程度的物理量，土壤保持水分的最大量稱為田間持水量。田間持水量與凋萎含水量的差值稱流域蓄水容量（W Wm m ）。土壤含水量與前期降雨有密切關(guān)系，可以用參數(shù) 前期影響雨量（P Pa a ）來反映。WMEPWEWMWEPE/流域蓄水容量流域蓄水容量( (WMWM): ): 選取久旱無雨后一次降雨量較大選取久旱無雨后一次降雨量較大且全流域產(chǎn)流的雨洪資料計算且全流域產(chǎn)流的雨洪資料計算 一層蒸發(fā)模型假定：流域蒸發(fā)量與土壤含水量成正比【例】【例】 某流域

12、某流域WM=100mm，試用一層模型計算表中各天的，試用一層模型計算表中各天的 蒸發(fā)量。蒸發(fā)量。日日 期期PEPWE08-108.010.008-110.56.508-121.05.0一層模型蒸發(fā)計算一層模型蒸發(fā)計算 （單位（單位:mm）0.89.20.69.10.5E = EP W / WM Wt+1=WtPtRtEt缺陷：未考慮土壤水分垂直分布的情況 一層蒸發(fā)模型的主要缺陷 當(dāng)久旱期間降小雨時會使計算的蒸發(fā)量偏小。因為此時原土壤中含水量已很小，降小雨后，若由一層模型計算蒸發(fā)量E，則E很小。但實際上這部分雨水主要分布于土壤表層，很容易蒸發(fā)。 同時，若植被良好，則還有相當(dāng)部分雨水停滯于植物截留

13、。這種分布于表土和植物截留、填洼的水分，其蒸發(fā)接近于蒸發(fā)能力，不能和原土壤中的水分一并計算。 于是，有必要將一層計算模式改為兩層計算模式?；炯俣ǎ和寥篮萘炕炯俣ǎ和寥篮萘縒M分為上層分為上層WUM和下層和下層WLM，上層按流域蒸發(fā)能力蒸發(fā)，下層蒸發(fā)量與下層土壤含水量上層按流域蒸發(fā)能力蒸發(fā)，下層蒸發(fā)量與下層土壤含水量成正比。蒸發(fā)先消耗上層土壤含水量再消耗下層，降雨先成正比。蒸發(fā)先消耗上層土壤含水量再消耗下層，降雨先補充上層再補充下層。補充上層再補充下層。 兩層蒸發(fā)模型兩層蒸發(fā)模型可以表述為：兩層蒸發(fā)模型可以表述為： 上層蒸發(fā)：上層蒸發(fā)： EU = EP 下層蒸發(fā)：下層蒸發(fā)： EL =

14、 EP WL/WLM 總蒸發(fā)：總蒸發(fā)： E = EU + EL 兩層蒸發(fā)模型WU+PEP時時: EU = EP, EL = 0;WU+P 100 取取1006.29 0.94494.4Pa0.94410094.46.30 0.94489.1Pa0.94494.489.17.1 0.93284.1Pa0.94489.184.17.220.20.93278.4Pa0.93284.178.47.321.90.9327.42.20.932K K6 61 15.6/100=0.944 5.6/100=0.944 K K7 7 1 16.8/100=0.9326.8/100=0.932pa=0.932(2

15、0.2+78.4)=91.9pa=0.932(21.9+91.9)=106.1100,取取100洪號洪號PPa(W0）R750712567423750901498923760819119569177050278966577100380323778062465573079042445219810823368718820701427816某流域降雨徑流要素測驗與計算結(jié)果某流域降雨徑流要素測驗與計算結(jié)果降雨徑流關(guān)系圖降雨徑流關(guān)系圖根據(jù)流域內(nèi)多次暴雨的雨量根據(jù)流域內(nèi)多次暴雨的雨量P(扣除蒸發(fā)扣除蒸發(fā)量）量），對應(yīng)的徑流量，對應(yīng)的徑流量R，初始土壤含水量，初始土壤含水量Pa，可點繪可點繪以以Pa為參數(shù)的

16、為參數(shù)的PPaR相關(guān)圖相關(guān)圖。相關(guān)圖的建立相關(guān)圖的建立aP降雨徑流相關(guān)圖降雨徑流相關(guān)圖PR降雨徑流關(guān)系圖降雨徑流關(guān)系圖P PP PaR R相關(guān)圖相關(guān)圖 Pa P (mm)R(mm)45。2)轉(zhuǎn)折點：以上為450直線，以下為下凹的曲線。相關(guān)相關(guān)圖下部屬流域部分產(chǎn)流情圖下部屬流域部分產(chǎn)流情況，產(chǎn)流量隨降雨量減少況，產(chǎn)流量隨降雨量減少迅速降低，表現(xiàn)為一組向迅速降低，表現(xiàn)為一組向下凹的曲線。下凹的曲線。3)Pa直線段之間水平間距相等。1)曲線簇在450直線上方(why?)；Pa越大，越靠近450直線。特征：特征：R=P-E-(Wm-Pa)Pa = 0 20 40 60 80 58 P(mm)R(mm) 1818 3838 6363 8888130 130 105105 80 80 50 50已知已知 Pa = 58mm降雨徑流相關(guān)圖的應(yīng)用降雨徑流相關(guān)圖的應(yīng)用P P5050303025252525RR1818383863638888PP50508080105105130130R R181820202525252545。 降雨徑流關(guān)降雨徑流關(guān)系也可采用簡化系也可采用簡化形式，以形式，以P Pe e+ +P Pa a為為縱坐