水文预报 第二章 流域产流

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影响土壤蒸发的因素
土壤表面特征
土壤表面特征影响风的紊动作用。粗糙地面的 蒸发量比平滑地面的大。
地形
地形高处风速大，高地蒸发量比盆地的大；地 表坡向不同，影响吸收辐射，蒸发量也不同。
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蒸发的影响因素
3、植物蒸散发 植物蒸散发机理复杂，分析和计算较为困难。
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流域蒸发
二、流域蒸发能力的确定 流域蒸发能力 E p ：充分供水条件下，流域蒸发 量。 流域蒸发能力不能靠实测，只能估算。 流域蒸发能力估算方法：根据水面蒸发量估算 ； 根据辐射平衡值估算 ；根据经验公式估算 。
E(t)=EPW(t-1)/WM
W (t)= W(t-1)- E(t)
t=t+1
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一层模式
一层模式适用于土壤含水量较大的情况。 一层模式未考虑土壤水分垂向分布，对久旱之 后的小雨，因土壤水分少，计算的总蒸发量明显 偏小。
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模式计算法
2、二层模式 把可蒸发层分为上、下两层，并认为降雨补给 土壤和蒸发消耗土壤水分都是先上层后下层。
流域产流是从降雨发生开始，到净雨出现的 阶段。 流域汇流是从净雨出现开始，到流域出口断 面流量过程形成的阶段。
3
流域产流
第一节 概述
一、产流计算的作用 1、小流域洪水预报。 2、区间降雨径流预报。 3、水文流域模型计算的需要。 4、水库防洪和兴利计算的需要。
4
概述
二、产流计算的原理
产流计算指根据降雨计算净雨（径流深）的过程。
Re
退水流量 Q0
3.6 A F
A
t
退水曲线
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次洪径流深计算
蓄泄关系曲线的制作：
Qt
3.6 A Re F
Q0
蓄泄关系曲线
Q0
A
t
Re
Q0 ～ Re
Re
退水曲线
关系曲线
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蓄泄关系法
蓄泄关系法：根据蓄泄关系推求次洪径流深的方法。
Qt Qt
Q1
A
Qn
Q1
A1
Qn
次洪水过程
Qt
t
R0 3 .6 A F



Cg
Qti Qti t
i
Q
i
i 2 t
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退水曲线分析
2、相邻时段流量关系图 将流域多次洪水过程退水段的流量过程点绘 在相关图上，得出流域平均退水曲线和流域地 下水退水曲线。
40
相邻时段流量关系图
Qt Qt
Qt t
Qt
（ Qt t 、Qt ）
t
次洪水过程
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流域蒸发
一、蒸发的影响因素 1、影响水面蒸发的因素 主要是气象因素，如水汽压差、风速、气温、水 质等 。
水汽压差
水汽压差：水面的饱和水汽压与水面上空一定 高度的实际水汽压之差。
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流域蒸发
水面的饱和水汽压 e ：
10.286T 2148 .4909 ln e T 35.85
蒸发量与水汽压差成正比。
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三层模式
Y WU(t-1)>Ep N
EU=Ep , EL=0 , ED=0
EU=WU(t-1) , EL=(Ep-EU)WL(t-1)/WLM N
EL<C(Ep-EU）
Y
EL= WL(t-1) ED=C(Ep-EU)-EL Y WL(t-1) <C(Ep-EU) N EL=C(Ep-EU）, ED=0 WU(t)= WU(t-1)- EU WL(t)= WL(t-1)- EL Wd(t)= Wd(t-1)- Ed
这里只讨论根据水面蒸发量估算流域蒸发能力。
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流域蒸发能力的确定
在相同气候条件下，流域蒸发能力与水面蒸发关 系密切，因此，可根据水面蒸发量估算流域蒸发能 力 Ep ：
E p K c E0
Eo 天然水体水面蒸发量；
Kc
水面蒸发折算系数。
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， 所测得的蒸发量可近似代表天然水体水面的 蒸发量。
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ED=0
三层模式
三层模式算例（VB程序） 三层模式算例（Excel）
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流域产流
第四节 实测径流分析
实测径流分析的内容
根据一场实测的流域出口断面的流量过程，计 算相应的径流深、地面径流深、地下径流深。 Qs
Q
Rs
t
Qg
t t
Rg
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实测径流分析
一、退水曲线分析 退水曲线是划分地面径流和地下径流的工具。 退水曲线反映流域的退水规律，不同流域有不 同的退水曲线。 1、退水指数方程
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流域蒸发能力的确定
因此，水面蒸发折算系数为改进后的E601型蒸 发器的蒸发量与其它蒸发仪器观测的蒸发量的比 值：
E E 601 Kc E器
实际计算中，水面蒸发折算系数的取值常按不 同时段（月、年、冰期、汛期、非汛期等）来划 分。
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流域蒸发
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 式计算法。 （一）水量平衡法 根据降水、径流、流域蓄水量变化等资料估算 总蒸发量。 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，要正确给定时段始末的流域蓄水量 是有困难的。
N
WL(t-1) = WL(t-1) , Wd(t-1) = Wd(t-1)
Y
WL(t-1) =WLM WL(t-1) = WL(t-1) +P(t)+ WU(t-1) -WUM
Wd(t-1) = Wd(t-1) +P(t)+ WL(t-1)+ WU(t-1) -WUM WLM
Wd(t-1) = Wd(t-1)
小 初始土湿、降水量 疏松、不易超渗
小、易蓄满 比例大 与降雨量关系密切
大 初始土湿、降水强度 密实、易超渗
大、不易蓄满 比例小 与降雨强度关系密切
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流域产流
第三节 流域蒸发 流域蒸发由水面蒸发、陆面蒸发（土壤蒸发）、 植物蒸散发三部分构成。 陆地上的年降水量有60～70％通过流域蒸发返 回大气。 流域蒸发量计算是产流计算的重要内容之一。
N
WL(t-1) = WL(t-1) +P(t)+ WU(t-1) -WUM
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二层模式
Y
WU(t-1) >E p
N
EU=Ep ，EL=0
EU = WU(t-1) ，EL=(Ep-EU)WL(t-1)/WLM
WU(t)= WU(t-1)- EU
, WL(t)= WL(t-1)- EL
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二层模式
t t t
Q
Q ti
Q ti t
t
一场实测流量过程
t
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退水指数方程
step2、根据最小二乘法的原理计算 C g 。 由 Qt t C g Qt 构造目标函数 f Q
n i 1 i
t t
Cg Q
i 2 t

f 由 0 得 Cg
f Qti t C g Qti Qti 0 C g i
产流计算依据的原理是流域水量平衡。即
R P E (Wt Wt 1 ) W截留 W填洼 W其它
当植物截留量 W截留 、填洼量 W填洼 、其它因素 引起水量增减 W其它 等所占的比例较小时，有
R P E (Wt Wt 1 )
5
流域产流
第二节 产流机制分析
上层以蒸发能力蒸发，直到上层水分耗尽，才 由下层土壤水供给；下层蒸发量与该土壤含水量 成正比。
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二层模式
Y P(t)+ WU(t-1) >WUM N
WU(t-1) =WUM
WU(t-1) = WU(t-1) +P(t) WL(t-1) = WL(t-1)
P(t)+ WU(t-1) -WUM >WLM Y WL(t-1) =WLM
6
产流机制分析
3、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。
气候 climate
降水、蒸发、气温、湿度、风速风向等。
下垫面 underlaying surface
地形、地质、土壤、植被等。
7
产流机制分析
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 有不同的特征。
风速
风速的大小，决定着紊动扩散的强弱。风速越 大，水面蒸发也越大。
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影响水面蒸发的因素
气温
气温主要控制空气湿度，间接影响水面蒸发。
水质
水中的盐分会增加分子间的吸力，减少蒸发。 在同一环境下，海水蒸发比淡水少2～3％。
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蒸发的影响因素
2、影响土壤蒸发的因素 除了影响水面蒸发的气象因素因素之外，还包括 土壤含水量、地下水埋深、土壤结构、土壤色泽 、土壤表面特征、地形等 。
二层模式算例（Excel）
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流域蒸发量推求
3、三层模式 在两层模式的基础上加进深层蒸发。 当下层土壤水分消耗殆尽，不能满足下层蒸发的 最小值时，深层开始蒸发。
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三层模式
Y
P(t)+ WU(t-1) >WUM
N
WU(t-1) =WUM
WU(t-1) = WU(t-1) +P(t)
P(t)+ WU(t-1) -WUM + WL(t-1) >WLM
地下水埋深
地下水埋小的，潜水位经常保持在毛细管作用 范围内，则土壤含水量能持久地得到补充，蒸发 均匀；反之，地下水埋深大，则蒸发率减小的变 化幅度大。
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影响土壤蒸发的因素
土壤结构
团粒结构的土壤，蒸发量小；非团粒结构的土壤 ，蒸发量大。
土壤色泽
土壤色泽改变土壤表面反射率，从而影响蒸发 。土壤颜色愈深，蒸发量愈大。棕色土壤的蒸发 量比白色的大19％，黑色土壤的蒸发量比白色的 大32％。
一、产流机制分析
1、产流机制 runoff yield mechanism 产流机制指流域产流的物理过程。 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。
2、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 影响产流过程的因素（原因），分析一个具体流 域所属的产流模式。
Q m3 / s
3 2 1 0
Q m3 / s
150 100 50
5
10
wk.baidu.com
15
20
25
30
t min
0 6 12 18 0 6 12
t
h
地面径流为主
地面、地下径流兼有
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两种典型的流量过程线
产流机制分析
三、气候、地理和下垫面特征分析
气候对产流影响较大。
气候干燥时，蒸发量大、土壤易缺水，容易出现 超渗产流。 雨强大时，容易出现超渗产流。 下垫面对产流影响也较大。 土壤结构密实、植被差、地下水埋深大时，多出 现超渗产流。
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次洪径流深计算
Q
B
C A F
D E
t
次洪水过程的次洪径流深即为ABCDEFA图形的 面积。即
3.6S ABCDEFA 3.6t n 1 R0 Qi F F i 1
F 流域面积
44
次洪径流深计算
2、蓄泄关系法 蓄泄关系：退水流量 Q0 与退水径流深 Re 之间的 关系曲线。
Qt
水文预报
Hydrologic forecasting
1
第二章
流域产流
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。
降雨径流过程
降雨
流域产流
流域汇流
出流过程
2
流域产流
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流域蒸发量推求
（二）模式计算法 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。 1、一层模式 把可蒸发层作为一个整体，并认为蒸发量同该 层土壤含水量成正比。
W E Ep Wm
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一层模式
Y
P(t)+ W(t-1) >WM
N
W(t-1) =WM
W(t-1) = W(t-1) +P(t)
t
Qt t
相邻时段流量相关图
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相邻时段流量关系图
Qt
流域平均 退水曲线 流域地下水 退水曲线
Qt
Qt t
相邻时段流量相关图 退水曲线
t
42
实测径流分析
二、次洪径流深计算
用流域平均退水曲线计算次洪径流深 R0 。
方法：平割法、蓄泄关系法。
1、平割法
Q
B
C
流域平均退水曲线
A
F D E
t
退水曲线的方程 Q Q0 e t / K
Q0 起退流量
K 流域水流平均汇流时间。
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退水指数方程
Q
Q0
Qt
t
退水曲线 或 退水曲线
Qt 1
Qt t Qt e t / K C g Qt
C g 流量消退系数。
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退水指数方程
求流域退水曲线的方法—最小二乘法： step1、选定 t ，在多场实测流量过程的退水 Qi 段上取n对流量（ Q i 、 ），i 1,2, L , n 。
9
产流机制分析
四、综合分析 要正确识别一个流域某场降水的产流模式，通 常需要进行综合性分析。
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产流机制分析
产流对比分析表
蓄满产流 多年平均降雨量 >1000mm 超渗产流 <400mm
多年平均径流系数
流量过程的对称性
>0.4
大
<0.2
小
降雨对产流的影响 影响产流的因素 表层土质结构
缺水量 地下径流 降雨与产流特征的关系
t
Q1
Qn
3.6 A1 3.6 A2 3.6 A3 F F F