第二章 流域产流2012年2月26日 本章内容第1节 概述 第2节 产流机制分析 第3节 流域蒸散发量计算 第4节 实测径流分析 第5节 前期雨量指数模型 第6节 蓄满产流模型 第7节 超渗产流模型 第8节 混合产流 第1节 概述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产流计算：研究流域上降雨扣除植物截留、填洼、蒸发、下渗等损失，形成净雨量（包括坡面流、壤中流和基流）的计算方法；汇流计算汇流计算：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 第1节 概述流域流域产流量计算产流量计算流域流域水量平衡原理水量平衡原理闭合流域闭合流域非闭合流域非闭合流域 非非闭闭合流域水量平衡合流域水量平衡水量平衡方程式：水量平衡方程式：R=P-E-WP-WS- ΔW±R交交± R引引± R其他其他 In: P(降水降水)Out: E(流域蒸散流域蒸散发发量量) WP(植物截留量植物截留量) WS(地面坑洼地面坑洼储储水量水量) ΔW土壤蓄水量土壤蓄水量变变化化 R(径流量径流量) R引引(跨流域引水量，引入跨流域引水量，引入为为正，引出正，引出为负为负) R交交(流域不流域不闭闭合径流交合径流交换换量量) R其他其他(其他因素引起的水量增减其他因素引起的水量增减)中等或平中等或平缓缓山坡：山坡：5~15mm耕地：耕地：10~40mm平整的土表面：平整的土表面：<10mm一般植被条件：一般植被条件：<10mm发发育完好的森林：次洪降雨量的育完好的森林：次洪降雨量的15%~25% 闭闭合流域水量平衡合流域水量平衡水量平衡方程式：水量平衡方程式：R=P-E-WP-WS- ΔW±R交交± R引引± R其他其他 =0Rt=Pt-Et+Wt-Wt+1 t－－t时时刻刻无大的跨流域引水工程：无大的跨流域引水工程：R引引=0无大的其他影响流域蓄水量增减的因素：无大的其他影响流域蓄水量增减的因素：R其他其他=0将冠将冠层层截留、填洼与土壤蓄水合并截留、填洼与土壤蓄水合并Wt,Wt+1分别为t时刻和t+1时刻土壤蓄水量 Rt=Pt-Et+Wt-Wt+1 t－－t时时刻刻已知已知：降雨量Pt和初始土壤含水量Wt？需要：需要：•蒸发计算模式计算Et•建立Pt~Rt关系，利用Pt推求Rt与流域产流机制有关 第2节 产流机制分析•流域植被分布、土壤质地和类型等空间变空间变异性异性很大，使得尽管对单个水文过程（降雨、入渗、饱和及非饱和土壤水分运动等）研究相对比较成熟，但如何把这些理论加以综合来解释流域产流机制的理论尚未取得令人满意的结果。
•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 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超渗产流蓄满产流 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） 总总径流量径流量：R=Rg+Rs 水量平衡平衡方程：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 总总径流量径流量：R=Rs 水量平衡平衡方程：水量平衡平衡方程： R=P-E-(We-W0) 饱和s 未达到饱和思考：两者的差异地下径流雨强/雨量 产流机制论证方法•流量过程线分析流量过程线分析•气候、地理和下垫面特征分气候、地理和下垫面特征分析析 定量描述洪水过程线的对称性定量描述洪水过程线的对称性－形状不对称系数－形状不对称系数CSCs—不对称系数不对称系数qt—比例过程线的纵坐标比例过程线的纵坐标tB—过程线重心的时间过程线重心的时间t—时间时间Cs=-0.0099Cs=0.7 气候、地理和下垫面特征分析气候、地理和下垫面特征分析气候气候长长年干旱、蒸年干旱、蒸发发量大、土壤缺水量大－超渗量大、土壤缺水量大－超渗产产流流湿湿润润地区，土壤缺水量少－蓄地区，土壤缺水量少－蓄满产满产流流下下垫垫面面植被差、土壤植被差、土壤颗颗粒粒细细、地下水埋深大－超渗、地下水埋深大－超渗产产流流土壤土壤颗颗粒大、粒大、质质地疏松、植被好、地下水埋深浅－蓄地疏松、植被好、地下水埋深浅－蓄满产满产流流中国中国长长江以南地区：年降雨量江以南地区：年降雨量>1000mm，径流系数，径流系数>0.4—蓄蓄满产满产流流西北干旱地区：年降雨量西北干旱地区：年降雨量<400mm，径流系数，径流系数<0.2—超渗超渗产产流流其他地区：年降雨量其他地区：年降雨量400~1000mm，径流系数，径流系数0.2~0.4—混合混合产产流区（需流区（需综综合分析）合分析） 综合分析综合分析编号编号 对比分析内容对比分析内容蓄满产流蓄满产流超渗产流超渗产流1多年平均降雨量多年平均降雨量>1000mm<400mm2多年平均径流系数多年平均径流系数>0.4<0.23流量过程线不对称系数流量过程线不对称系数大大小小4降雨强度降雨强度小小大大5影响产流因素影响产流因素初始土湿和降雨量初始土湿和降雨量初始土湿和降雨强度初始土湿和降雨强度6表层土质结构表层土质结构疏松、不易超渗疏松、不易超渗密实、易超渗密实、易超渗7缺水量缺水量小、易蓄满小、易蓄满大、不易蓄满大、不易蓄满8地下径流地下径流比例大比例大比例小比例小9产流与降雨特征关系产流与降雨特征关系与降雨量关系密切与降雨量关系密切与降雨强度关系密切与降雨强度关系密切统计学 r2=0.632r2=0.234r2=0.98r2=104不同流域产流机制是什么？？ 第三节第三节 流域蒸散发量计算流域蒸散发量计算蒸散发蒸散发是水分消耗的重要形式，相对于其他水文变量（如降雨、径流、土壤水分等），其准确测定相对困难。
在这一节系统介绍蒸散发计算模型及测定方法的最新进展 基本概念蒸蒸 发发：水分子从物体表面向大气逸散的现象蒸蒸发发潜潜热热（（λ））：单位水量蒸发到空气中所需的能量凝凝结结潜潜热热（λ）：单位水量从空气中凝结返回水面所释放的能量λ是温度（t in oC）的函数： λ=2491-2.177t（（J/g）） 蒸蒸发发能力能力：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饱饱和水汽和水汽压压（（kPa):在一定温度下，空气含水量达到饱和时的水汽压是温度（t in oC)的函数 蒸发类型蒸发面类型水面蒸发冰面蒸发土壤蒸发土壤蒸发植物蒸腾植物蒸腾流域蒸散发陆面蒸发 控制蒸发的条件控制蒸发的条件1.供水条件--蒸发面储存水量的多少2.能量条件--蒸发面上水分子获得能量的多少3.动力条件--蒸发面上空气水汽输送的速度如何气象条件 蒸散发模型蒸散发模型蒸散发模型分类蒸散发模型分类基于空气温度（Air temperature-based Methods)基于太阳辐射(Solar radiations-based methods)Penman组合法（Penman Combination Method）Penman-Monteith Method微气象方法--空气动力学方法--波文比-能量平衡法仅是温度函数温度函数，计算简单，精度差，适合于资料有限地区 Rnl=Rl,down-Rl,upRns=Rs-aRs=(1-a)RsRn=Rnl+RnsR=Rs+Rl,down 基于太阳辐射(Solar radiations-based methods)the slope of saturation vapourpressure curves (mb/oC)the psychromatic constant (mb/oC)Cp: the specific heat of air 0.2397 ~ 0.26 with a mean 0.242(cal/g/oc)cal/ga=0.61, b=-0.012a=1.26, b=0a=0.0135, b=17.8Rs:total solar radiation(cal/m2/day)Rn:net solar radiation Penman组合法H=Rn-GEa=0.35(0.5+u/100)(ez,sat-ez)E0Ea Penman-Monteith Method TemperatureWind speedVapour pressureHumidityRadiation(oC)(m/s)deficit (mbar)(%)(cal/cm2/day)January2.192.441.5280.588.16February2.772.451.7978.25159.33March7.472.613.569.22266.14April8.982.714.2967.76346.34May14.32.65.8968.19457.92June16.72.546.3770.74462.61July20.142.429.0866.08513.29August20.532.49.963.84445.13September15.282.184.9175.05295.72October10.032.352.4581.16160.04November6.042.211.6982.6584.7December2.753.081.5280.3771.98 。