第2章-01-03-蒸發(fā)模式課件

第2章流域產(chǎn)流2.1水量平衡方程第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。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I-O=△S式中I、O——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。

大陸的水量平衡方程：大陸多年平均水量平衡方程為：海洋的水量平衡方程：海洋的多年平均水量平衡方程為：大陸的水量平衡方程：海洋的水量平衡方程：從上面分析看，則全球多年平均水量平衡方程為：即說明全球多年平均降水量與多年平均蒸發(fā)量相等。

從上面分析看，則全球多年平均水量平衡方程為：例題：某水庫1993年測得其入庫年平均流量為110m3/S，出庫年平均流量為120m3/S，區(qū)間來水年平均流量為20m3/S，總灌溉引水量為108m3，庫區(qū)水面平均面積為100km2,測得年降水量為1100mm，年水面蒸發(fā)量為1200mm；（1）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？試求出水庫蓄量的變化量。例題：某水庫1993年測得其入庫年平均流量為110m3/S，流域水量平衡方程無雨期土壤含水量消耗一次降水的產(chǎn)流量Wt+1=Wt－EtP–R–E=ΔWRt=Pt

－

Et+Wt－Wt+1流域水量平衡方程Wt+1=Wt－EtP

第2章流域產(chǎn)流第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)流流域匯流降雨降雨徑流過程出流過程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

流域產(chǎn)流是從降雨發(fā)生開始，到凈雨出現(xiàn)的階段。

流域匯流是從凈雨出現(xiàn)開始，到流域出口斷面流量過程形成的階段。 流域產(chǎn)流是從降雨發(fā)生開始，到凈雨出現(xiàn)的階段。 流域一、產(chǎn)流計算的作用

1、小流域洪水預(yù)報。2、區(qū)間降雨徑流預(yù)報。 4、水庫防洪和興利計算的需要。3、水文流域模型計算的需要。一、產(chǎn)流計算的作用1、小流域洪水預(yù)報。2、區(qū)間降雨徑流預(yù)報第二節(jié)產(chǎn)流機制分析一、產(chǎn)流機制分析產(chǎn)流機制指流域產(chǎn)流的物理過程。

1、產(chǎn)流機制runoffyieldmechanism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)流兩種最基本的產(chǎn)流模式。

2、產(chǎn)流機制的分析

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)流過程的因素（原因），分析一個具體流域所屬的產(chǎn)流模式。

第二節(jié)產(chǎn)流機制分析一、產(chǎn)流機制分析產(chǎn)流機制指流域產(chǎn)流的3、產(chǎn)流機制分析的主要內(nèi)容

影響產(chǎn)流過程的主要因素：氣候、下墊面等。

氣候climate下墊面underlayingsurface降水、蒸發(fā)、氣溫、濕度、風(fēng)速風(fēng)向等。

地形、地質(zhì)、土壤、植被等。

3、產(chǎn)流機制分析的主要內(nèi)容影響產(chǎn)流過程的主要因素：氣候、下產(chǎn)流機制分析三、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。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。氣候?qū)Ξa(chǎn)流影響較大。下墊面對產(chǎn)流影響也較大。雨強大時，容易出現(xiàn)超滲產(chǎn)流。產(chǎn)流機制分析三、氣候、地理和下墊面特征分析氣候干燥時產(chǎn)流機制分析二、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的特征。

兩種典型的流量過程線

023151015202530地面徑流為主

Qtmin100015050612180612地面、地下徑流兼有Qth產(chǎn)流機制分析二、流量過程線分析不同流域的降水，經(jīng)產(chǎn)15蓄滿產(chǎn)流超滲產(chǎn)流多年平均降雨量>1000mm<400mm多年平均徑流系數(shù)>0.4<0.2流量過程的對稱性大小降雨對產(chǎn)流的影響小大影響產(chǎn)流的因素初始土濕、降水量初始土濕、降水強度表層土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松、不易超滲密實、易超滲缺水量小、易蓄滿大、不易蓄滿地下徑流比例大比例小降雨與產(chǎn)流特征的關(guān)系與降雨量關(guān)系密切與降雨強度關(guān)系密切

要正確識別一個流域某場降水的產(chǎn)流模式，通常需要進行綜合性分析。

15蓄滿產(chǎn)流超滲產(chǎn)流多年平均降雨量>1000mm<400mm流域蒸發(fā)由水面蒸發(fā)、陸面蒸發(fā)（土壤蒸發(fā)）、植物蒸散發(fā)三部分構(gòu)成。

流域蒸發(fā)量計算是產(chǎn)流計算的重要內(nèi)容之一。

第三節(jié)流域蒸發(fā)陸地上的年降水量有60～70％通過流域蒸發(fā)返回大氣。流域蒸發(fā)由水面蒸發(fā)、陸面蒸發(fā)（土壤蒸發(fā)）、植物蒸散發(fā)一般情況下，流域內(nèi)水面占的比重不大，所以土壤蒸發(fā)是流域蒸散發(fā)決定性部分。

流域蒸發(fā)一般情況下，流域內(nèi)水面占的比重不大，所以土壤蒸發(fā)是流域蒸散發(fā)流域水量平衡方程無雨期土壤含水量消耗一次降水的產(chǎn)流量Wt+1=Wt－EtP–R–E=ΔWRt=Pt

－

Et+Wt－Wt+1流域水量平衡方程Wt+1=Wt－EtP一、蒸發(fā)的影響因素1、影響水面蒸發(fā)的因素主要是氣象因素，如水汽壓差、風(fēng)速、氣溫等。

流域蒸發(fā)水汽壓差水汽壓差：水面的飽和水汽壓與水面上空一定高度的實際水汽壓之差。蒸發(fā)量與水汽壓差成正比。水面的飽和水汽壓e：一、蒸發(fā)的影響因素1、影響水面蒸發(fā)的因素主要是氣象因素流域蒸發(fā)風(fēng)速的大小，決定著紊動擴散的強弱。風(fēng)速越大，水面蒸發(fā)也越大。風(fēng)速氣溫主要控制空氣濕度，間接影響水面蒸發(fā)。氣溫流域蒸發(fā)風(fēng)速的大小，決定著紊動擴散的強弱。風(fēng)速越大，水蒸發(fā)的影響因素2、影響土壤蒸發(fā)的因素除了影響水面蒸發(fā)的氣象因素因素之外，還包括土壤含水量、地下水埋深、土壤結(jié)構(gòu)、土壤色澤、土壤表面特征、地形等。

地下水埋小的，潛水位經(jīng)常保持在毛細管作用范圍內(nèi)，則土壤含水量能持久地得到補充，蒸發(fā)均勻；反之，地下水埋深大，則蒸發(fā)率減小的變化幅度大。地下水埋深蒸發(fā)的影響因素2、影響土壤蒸發(fā)的因素除了影響水面蒸發(fā)的影響土壤蒸發(fā)的因素團粒結(jié)構(gòu)的土壤，蒸發(fā)量?。环菆F粒結(jié)構(gòu)的土壤，蒸發(fā)量大。土壤結(jié)構(gòu)土壤色澤土壤色澤改變土壤表面反射率，從而影響蒸發(fā)。土壤顏色愈深，蒸發(fā)量愈大。棕色土壤的蒸發(fā)量比白色的大19％，黑色土壤的蒸發(fā)量比白色的大32％。影響土壤蒸發(fā)的因素團粒結(jié)構(gòu)的土壤，蒸發(fā)量??；非團粒結(jié)構(gòu)影響土壤蒸發(fā)的因素土壤表面特征土壤表面特征影響風(fēng)的紊動作用。粗糙地面的蒸發(fā)量比平滑地面的大。地形高處風(fēng)速大，高地蒸發(fā)量比盆地的大；地表坡向不同，影響吸收輻射，蒸發(fā)量也不同。地形3、植物蒸散發(fā)

植物蒸散發(fā)機理復(fù)雜，分析和計算較為困難。

影響土壤蒸發(fā)的因素土壤表面特征土壤表面特征影響風(fēng)的紊二、流域蒸發(fā)能力的確定流域蒸發(fā)能力：充分供水條件下，流域蒸發(fā)量。流域蒸發(fā)能力不能靠實測，只能估算。流域蒸發(fā)能力估算方法：根據(jù)水面蒸發(fā)量估算；根據(jù)輻射平衡值估算；根據(jù)經(jīng)驗公式估算。

這里只討論根據(jù)水面蒸發(fā)量估算流域蒸發(fā)能力。二、流域蒸發(fā)能力的確定流域蒸發(fā)能力：充分供水條件下流域蒸發(fā)能力（EP）

是在當(dāng)日氣象條件下流域蒸發(fā)量的上限?？赏ㄟ^水面蒸發(fā)值（E0）折算來獲得。

EP

=KC

·E0蒸發(fā)折算系數(shù)>1?OR<1?流域蒸發(fā)能力（EP）是在當(dāng)日氣象條件下流域蒸發(fā)我國現(xiàn)有的水面蒸發(fā)觀測儀器中，改進后的E601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。實際計算中，水面蒸發(fā)折算系數(shù)的取值常按不同時段（月、年、冰期、汛期、非汛期等）來劃分。我國現(xiàn)有的水面蒸發(fā)觀測儀器中，改進后的E601型蒸流域蒸發(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，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)學(xué)模型計算獲得。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，也三、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；模式計算法。根據(jù)降水、徑流、流域蓄水量變化等資料估算總蒸發(fā)量。（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)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。三、流域蒸發(fā)量推求流域蒸發(fā)量計算方法有兩類：水量根據(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。

（二）模式計算法根據(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

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θ的變化關(guān)系E/EP=α·θ

E/EP

=1.0E/EP

=C土壤蒸發(fā)隨土壤含水率θ的變化關(guān)系E/EP=α·θ

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（Wm

）。

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（Pa

）來反映。土壤含水量是表示包氣帶土壤濕潤程度的物理量，土壤保持流域蓄水容量(WM):選取久旱無雨后一次降雨量較大且全流域產(chǎn)流的雨洪資料計算一層蒸發(fā)模型假定：流域蒸發(fā)量與土壤含水量成正比流域蓄水容量(WM):選取久旱無雨后一次降雨量較大且全流【例】

某流域WM=100mm，試用一層模型計算表中各天的蒸發(fā)量。日期PEPWE08-108.010.008-110.56.508-121.05.0一層模型蒸發(fā)計算（單位:mm）0.89.20.69.10.5E=EP·W/WM

Wt+1=Wt＋Pt－Rt－Et【例】某流域WM=100mm，試用一層模型計算表中各天的缺陷：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。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。缺陷：未考慮土壤水分垂直分布的情況一層蒸發(fā)模型的主要基本假定：土壤含水容量WM分為上層WUM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。兩層蒸發(fā)模型兩層蒸發(fā)模型可以表述為：上層蒸發(fā)：EU=

EP下層蒸發(fā)：EL=

EP·WL/WLM總蒸發(fā)：E=EU+EL

基本假定：土壤含水容量WM分為上層WUM和下層WLM，上層按兩層蒸發(fā)模型WU+P≥EP時:EU=

EP,EL=

0;WU+P

<EP時:EU

=

WU+P，EL=

(EP－EU)×WL/WLM.

E=EU+EL含水量W兩層蒸發(fā)模型WU+P≥EP時:EU=EP,【例】

某流域WUM=20mm，WLM=80mm，試用兩層模型計算表中各天的蒸發(fā)量。日期PEPWUWLEUELE08-108.010.001.01.008-110.56.5090.50.71.208-121.05.008.31.00.41.4兩層模型蒸發(fā)計算（單位:mm）【例】某流域WUM=20mm，WLM=80mm，試用兩日期PEPWUWLEUELE08-108.010.001.01.008-110.56.5090.50.71.208-121.05.008.31.00.41.4兩層模型蒸發(fā)計算（單位:mm）日期PEPWE08-108.010.00.808-110.56.59.20.608-121.05.09.10.5一層模型蒸發(fā)計算（單位:mm）日期PEPWUWLEUELE08-108.010.001.兩層蒸發(fā)模型的主要缺陷

上述單層和雙層計算，都是規(guī)定蒸散發(fā)與包氣帶蓄水量成正比，這樣隨著蓄水量趨于零，蒸發(fā)量也必趨于零。事實上，當(dāng)下層蓄水量低于某下限值后，深層含水量也會以薄膜水或汽態(tài)水形式向上移動，供蒸散發(fā)消耗。尤其在濕潤地區(qū)，深層含水量比較豐富，這種向上的水分移動量雖然不大，卻源源不斷。同時，植物根系能吸取深處含水量以供給植物散發(fā)。為此，蒸發(fā)計算可用三層模型。兩層蒸發(fā)模型的主要缺陷上述單層和雙層計算，都是規(guī)三層蒸發(fā)模型

以兩層蒸發(fā)模式為基礎(chǔ)，增加了一個深層，當(dāng)下層含水量低于某下限值后，深層以穩(wěn)定蒸發(fā)量蒸發(fā)。

Wdm深層含水量W三層蒸發(fā)模型以兩層蒸發(fā)模式為基礎(chǔ)，增加了一個上層蒸發(fā)：EU=

EP下層蒸發(fā)：EL=

EP·WL/WLM

深層蒸發(fā)：ED=C·

EP總蒸發(fā)：E=EU+EL

+ED三層蒸發(fā)模型三層蒸發(fā)模型三層蒸發(fā)模型EL=新安江模型三層蒸發(fā)模型EL=新安江模型土壤含水量一般是根據(jù)流域前期降雨、蒸發(fā)及徑流過程，依據(jù)水量平衡采用遞推公式推求——第t時段初始時刻土壤含水量——第t時段徑流量——第t時段降雨量——第t時段蒸發(fā)量土壤含水量一般是根據(jù)流域前期降雨、蒸發(fā)及徑流過程，依據(jù)水量平（1）選擇前期流域出現(xiàn)大暴雨的次日作為起始日，相應(yīng)的土壤含水量為Wm（2）選擇流域長時間干旱期作為起始日，相應(yīng)的土壤含水量為0或者較小值（3）提前較長時間，eg：15-30天，假定一個土壤含水量（如0.5Wm）作為初值，經(jīng)過演算，誤差會減小到允許的程度起始含水量選擇（1）選擇前期流域出現(xiàn)大暴雨的次日作為起始日，相應(yīng)的土壤含水在實際工作中，Wm可看作流域十分干旱情況下降雨產(chǎn)流過程的最大損失量。對于包氣帶不厚且雨量充沛地區(qū)，可選取久旱不雨（雨前Pa=0）后一次降雨量較大資料（雨后Pa=Wm

），則

Wm=P-R-E雨在實際工作中，Wm可看作流域十分干旱情況下降雨產(chǎn)流（1）蒸發(fā)量計算（2）前期影響雨量計算問題：由于在很多情況下，按照上式推求土壤含水量時，會遭遇到徑流資料缺乏的問題。在實際中，常采用前期影響雨量Pa來代替土壤含水量（1）蒸發(fā)量計算（2）前期影響雨量計算問題：由于在很（1）流域蒸發(fā)量的計算一層蒸發(fā)模式假定：流域蒸發(fā)量與土壤含水量成正比二層蒸發(fā)模式基本假定：土壤含水容量WM分為上層WUM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成正比。三層蒸發(fā)模式以兩層蒸發(fā)模式為基礎(chǔ)，增加了一個深層，確定下層最小蒸發(fā)系數(shù)C（1）流域蒸發(fā)量的計算一層蒸發(fā)模式假定：流域蒸發(fā)量與土壤含水Pa,t+1=Ｋ（Pa,t+Pt

）上式限制條件：

當(dāng)Pa,t+1≥Wm時，Pa,t+1=Wm（2）前期影響雨量計算公式：K是與流域蒸發(fā)量有關(guān)的土壤含水量日消退系數(shù)Pa,t+1=Ｋ（Pa,t+Pt）上式限制條件：

若采用一層蒸發(fā)模式，假定Et與Pat成線性關(guān)系，則：無雨日：（2）前期影響雨量計算若采用一層蒸發(fā)模式，假定Et與Pat成線性關(guān)系，則：無雨日遞推公式起始日的Pa是假定的，但起始日從何時開始呢？例如，Pa起始計算時間相隔30天，當(dāng)K＝0.90時K30＝0.04,說明最大誤差不到起始誤差的5％。長時間無雨時，可取起始Pa值較小些，或令Pa＝

0

。一次大雨后，土壤比較飽和，可取起始Pa＝Wm?！居懻摗浚?）前期影響雨量計算遞推公式起始日的Pa是假定的，但起始日從何時開始呢？

【例】某流域Wm=100mm，6月份Em＝5.6mm/d,7月份Em＝6.8mm/d。推求7月3日、4日的雨前Pa值。

tP

(mm)KPa(mm)計算說明6.2560.30.944

6月25日－26日總雨量很大，6月27日Pa達Wm

6.2678.80.944

6.2714.70.9441006.28

0.944100Pa＝0.944（100＋14.7）=108.3>100取1006.29

0.94494.4Pa＝0.944×100＝94.46.30

0.94489.1Pa＝0.944×94.4＝89.17.1

0.93284.1Pa＝0.944×89..1＝84.17.220.20.93278.4Pa＝0.932×84.1＝78.47.321.90.9327.42.20.932K6＝1－5.6/100=0.944K7＝1－6.8/100=0.932pa=0.932(20.2+78.4)=91.9pa=0.932(21.9+91.9)=106.1>100,取100【例】某流域Wm=100mm，6月份Em＝5.6m洪號PPa(W0）R750712567423750901498923760819119569177050278966577100380323778062465573079042445219810823368718820701427816某流域降雨徑流要素測驗與計算結(jié)果洪號PPa(W0）R75071256742375090149降雨徑流關(guān)系圖根據(jù)流域內(nèi)多次暴雨的雨量P(扣除蒸發(fā)量），對應(yīng)的徑流量R，初始土壤含水量Pa，可點繪以Pa為參數(shù)的P～Pa～R相關(guān)圖。降雨徑流關(guān)系圖根據(jù)流域內(nèi)多次暴雨的雨量P(扣除蒸發(fā)量），對應(yīng)相關(guān)圖的建立降雨徑流相關(guān)圖PR相關(guān)圖的建立降雨徑