1、 第2章 流域产流2.1 水量平衡方程 水量平衡原理是水文学的基本原理。水量平衡法是分水量平衡原理是水文学的基本原理。水量平衡法是分析水文现象，建立水文要素之间定性或定量关系，了解其析水文现象，建立水文要素之间定性或定量关系，了解其时空变化规律等的主要方法之一。时空变化规律等的主要方法之一。根据水量平衡原理，可列出水量平衡方程。对某一区根据水量平衡原理，可列出水量平衡方程。对某一区域，有域，有 I-O=S 式中式中I、O给定时段内输入、输出该区域的总水量；给定时段内输入、输出该区域的总水量；S时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。大陆的水量平衡方程：大陆的水量
2、平衡方程：大陆多年平均水量平衡大陆多年平均水量平衡方程为：方程为：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为：衡方程为：cccSERPccERPoooSERPooERP 从上面分析看，则从上面分析看，则全球多年平均水量平衡全球多年平均水量平衡方程为：方程为：即即 说明全球多年平均降水量与多年平均蒸发量相等。说明全球多年平均降水量与多年平均蒸发量相等。EP ococEEPP 例题：某水库例题：某水库1993年测得其入库年平均流量为年测得其入库年平均流量为110m3/S，出库年平均流量为，出库年平均流量为120 m3/S，区间，区间来水年平均流量为来水
3、年平均流量为20 m3/S，总灌溉引水量为，总灌溉引水量为108 m3，库区水面平均面积为，库区水面平均面积为100km2,测得年测得年降水量为降水量为1100mm，年水面蒸发量为，年水面蒸发量为1200mm；（1）写出水库的水量平衡方程式；）写出水库的水量平衡方程式；（2）当年水库的蓄水量是增加还是减少？试求）当年水库的蓄水量是增加还是减少？试求出水库蓄量的变化量。出水库蓄量的变化量。流域水量平衡方程流域水量平衡方程 无雨期土壤含水量消耗无雨期土壤含水量消耗 一次降水的产流量一次降水的产流量 Wt+1=WtEt P R E=W Rt =Pt Et+WtWt+1 第2章 流域产流 流域从降雨开
4、始流域从降雨开始，到流域出口断面流域从降雨开始流域从降雨开始，到流域出口断面流量过程的形成，是降雨形成径流的一个完整、不可流量过程的形成，是降雨形成径流的一个完整、不可分割的物理过程。但为了分析、计算方便，人为地将分割的物理过程。但为了分析、计算方便，人为地将这个过程分为流域产流、流域汇流两个阶段。这个过程分为流域产流、流域汇流两个阶段。流域产流流域产流流域汇流流域汇流降雨降雨降雨径流过程降雨径流过程出流过程出流过程 流域产流是从降雨发生开始，到净雨出现的流域产流是从降雨发生开始，到净雨出现的阶段。阶段。流域汇流是从净雨出现开始，到流域出口断流域汇流是从净雨出现开始，到流域出口断面流量过程形成
5、的阶段。面流量过程形成的阶段。一、产流计算的作用一、产流计算的作用 1、小流域洪水预报。、小流域洪水预报。2、区间降雨径流预报。、区间降雨径流预报。4、水库防洪和兴利计算的需要。、水库防洪和兴利计算的需要。3、水文流域模型计算的需要。、水文流域模型计算的需要。第二节第二节 产流机制分析产流机制分析 一、产流机制分析一、产流机制分析产流机制指流域产流的物理过程。产流机制指流域产流的物理过程。1、产流机制、产流机制 runoff yield mechanism 为分析和计算的需要，将流域产流过程概化为蓄满为分析和计算的需要，将流域产流过程概化为蓄满产流、超渗产流两种最基本的产流模式。产流、超渗产流
6、两种最基本的产流模式。2、产流机制的分析、产流机制的分析 根据流域产流所表现出来的特点（结果）以及影响产根据流域产流所表现出来的特点（结果）以及影响产流过程的因素（原因），分析一个具体流域所属的产流流过程的因素（原因），分析一个具体流域所属的产流模式。模式。3、产流机制分析的主要内容、产流机制分析的主要内容 影响产流过程的主要因素：气候、下垫面等。影响产流过程的主要因素：气候、下垫面等。气候气候 climate 下垫面下垫面 underlaying surface 降水、蒸发、气温、湿度、风速风向等。降水、蒸发、气温、湿度、风速风向等。地形、地质、土壤、植被等。地形、地质、土壤、植被等。产流机
7、制分析产流机制分析三、气候、地理和下垫面特征分析三、气候、地理和下垫面特征分析 气候干燥时，蒸发量大、土壤易缺水，容易出现超渗产流气候干燥时，蒸发量大、土壤易缺水，容易出现超渗产流。土壤结构密实、植被差、地下水埋深大时，多出现超渗土壤结构密实、植被差、地下水埋深大时，多出现超渗产流。产流。n气候对产流影响较大。气候对产流影响较大。n下垫面对产流影响也较大。下垫面对产流影响也较大。雨强大时，容易出现超渗产流。雨强大时，容易出现超渗产流。产流机制分析产流机制分析二、流量过程线分析二、流量过程线分析 不同流域的降水，经产汇流形成的流量过程线具有不同不同流域的降水，经产汇流形成的流量过程线具有不同的特
8、征。的特征。两种典型的流量过程线两种典型的流量过程线 023sm/31510 15 2025 30地面径流为主地面径流为主 Qtmin100015050sm/3612 180612地面、地下径流兼有地面、地下径流兼有Qth15蓄满产流超渗产流多年平均降雨量1000mm0.41?OR 1?我国现有的水面蒸发观测仪器中，改进后的我国现有的水面蒸发观测仪器中，改进后的E601型蒸发器，其代表性、稳定性、规律性较好，所测型蒸发器，其代表性、稳定性、规律性较好，所测得的蒸发量可近似代表天然水体水面的蒸发量。得的蒸发量可近似代表天然水体水面的蒸发量。实际计算中，水面蒸发折实际计算中，水面蒸发折算系数的取值
9、常按不同时段算系数的取值常按不同时段（月、年、冰期、汛期、非汛（月、年、冰期、汛期、非汛期等）来划分。期等）来划分。流域蒸发量的计算流域蒸发量的计算 流域蒸发量决定了无雨期流域蓄水量的消耗量，流域蒸发量决定了无雨期流域蓄水量的消耗量，也影响降雨期的产流量。也影响降雨期的产流量。流域蒸发量很难直接由观测资料确定，常通过数流域蒸发量很难直接由观测资料确定，常通过数学模型计算获得。学模型计算获得。三、流域蒸发量推求三、流域蒸发量推求 流域蒸发量计算方法有两类：水量平衡法；模式计流域蒸发量计算方法有两类：水量平衡法；模式计算法。算法。根据降水、径流、流域蓄水量变化等资料估算总蒸根据降水、径流、流域蓄水
10、量变化等资料估算总蒸发量。发量。（一）水量平衡法（一）水量平衡法 在资料充分而可靠的条件下，推求多年平均总蒸发在资料充分而可靠的条件下，推求多年平均总蒸发量，精度较高。但随着计算时段的缩短，运用这种方法量，精度较高。但随着计算时段的缩短，运用这种方法，要正确给定时段始末的流域蓄水量是有困难的。，要正确给定时段始末的流域蓄水量是有困难的。根据土壤含水量的垂直分布，流域蒸发量的计算方法根据土壤含水量的垂直分布，流域蒸发量的计算方法可根据情况选用一层、二层、三层模式。可根据情况选用一层、二层、三层模式。（二）模式计算法（二）模式计算法 土壤蒸发过程土壤蒸发过程 土壤蒸发随土壤含水率的变化关系E/EP
11、=E/EP=1.0E/EP=C 土壤含水量是表示包气带土壤湿润程度的物理量，土壤保持水分的最大量称为田间持水量。田间持水量与凋萎含水量的差值称流域蓄水容量（W Wm m）。土壤含水量与前期降雨有密切关系，可以用参数 前期影响雨量（P Pa a）来反映。WMEPWEWMWEPE/流域蓄水容量流域蓄水容量(WMWM):):选取久旱无雨后一次降雨量较大选取久旱无雨后一次降雨量较大且全流域产流的雨洪资料计算且全流域产流的雨洪资料计算 一层蒸发模型假定：流域蒸发量与土壤含水量成正比【例】【例】某流域某流域WM=100mm，试用一层模型计算表中各天的，试用一层模型计算表中各天的 蒸发量。蒸发量。日日 期期
12、PEPWE08-108.010.008-110.56.508-121.05.0一层模型蒸发计算一层模型蒸发计算 （单位（单位:mm）0.89.20.69.10.5E=EP W/WM Wt+1=WtPtRtEt缺陷：未考虑土壤水分垂直分布的情况 一层蒸发模型的主要缺陷 当久旱期间降小雨时会使计算的蒸发量偏小。因为此时原土壤中含水量已很小，降小雨后，若由一层模型计算蒸发量E，则E很小。但实际上这部分雨水主要分布于土壤表层，很容易蒸发。同时，若植被良好，则还有相当部分雨水停滞于植物截留。这种分布于表土和植物截留、填洼的水分，其蒸发接近于蒸发能力，不能和原土壤中的水分一并计算。于是，有必要将一层计算模
13、式改为两层计算模式。基本假定：土壤含水容量基本假定：土壤含水容量WM分为上层分为上层WUM和下层和下层WLM，上层按流域蒸发能力蒸发，下层蒸发量与下层土壤含水量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。蒸发先消耗上层土壤含水量再消耗下层，降雨先成正比。蒸发先消耗上层土壤含水量再消耗下层，降雨先补充上层再补充下层。补充上层再补充下层。两层蒸发模型两层蒸发模型可以表述为：两层蒸发模型可以表述为：上层蒸发：上层蒸发：EU=EP 下层蒸发：下层蒸发：EL=EP WL/WLM 总蒸发：总蒸发：E=EU+EL 两层蒸发模型WU+PEP时时:EU=EP,EL=0;WU+P 100 取取100
14、6.29 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(20.2+78.4)=91.9pa=0.932(21.9+91.9)=106.1100,取取100洪号洪号PPa(W0）R750712567423750901
15、498923760819119569177050278966577100380323778062465573079042445219810823368718820701427816某流域降雨径流要素测验与计算结果某流域降雨径流要素测验与计算结果降雨径流关系图降雨径流关系图根据流域内多次暴雨的雨量根据流域内多次暴雨的雨量P(扣除蒸发扣除蒸发量）量），对应的径流量，对应的径流量R，初始土壤含水量，初始土壤含水量Pa，可点绘可点绘以以Pa为参数的为参数的PPaR相关图相关图。相关图的建立相关图的建立aP降雨径流相关图降雨径流相关图PR降雨径流关系图降雨径流关系图P PP PaR R相关图相关图 Pa
16、 P(mm)R(mm)45。2)转折点：以上为450直线，以下为下凹的曲线。相关相关图下部属流域部分产流情图下部属流域部分产流情况，产流量随降雨量减少况，产流量随降雨量减少迅速降低，表现为一组向迅速降低，表现为一组向下凹的曲线。下凹的曲线。3)Pa直线段之间水平间距相等。1)曲线簇在450直线上方(why?)；Pa越大，越靠近450直线。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降雨径流相关图的应用降雨径流相关图的应用P P5
17、050303025252525RR1818383863638888PP50508080105105130130R R181820202525252545。降雨径流关降雨径流关系也可采用简化系也可采用简化形式，以形式，以P Pe e+P Pa a为为纵坐标，纵坐标，R R 为横为横坐标，点绘相关坐标，点绘相关图。图。简化的降雨径流相关图简化的降雨径流相关图已知已知 Pa=58mm降雨径流经验相关法降雨径流经验相关法二、相关图的讨论二、相关图的讨论 建立降雨径流相关图时，为提高其精度，要注意观测资建立降雨径流相关图时，为提高其精度，要注意观测资料的代表性。料的代表性。资料的代表性反映在以下几个方面：资料的代表性反映在以下几个方面：1、洪水的量级。、洪水的量级。2、洪水发生的季节性。、洪水发生的季节性。3、降雨类型。、降雨类型。4、前期气候条件。、前期气候条件。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
