水文预报-第二章-流域产流

Hydrologicforecasting水文预报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。流域产流流域汇流降雨降雨径流过程出流过程2流域产流

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。 4、水库防洪和兴利计算的需要。3、水文流域模型计算的需要。流域产流4二、产流计算的原理

概述产流计算依据的原理是流域水量平衡。即

当植物截留量、填洼量、其它因素引起水量增减等所占的比例较小时，有产流计算指根据降雨计算净雨（径流深）的过程。5第二节产流机制分析一、产流机制分析产流机制指流域产流的物理过程。

1、产流机制runoffyieldmechanism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。

流域产流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下垫面underlayingsurface降水、蒸发、气温、湿度、风速风向等。

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。

两种典型的流量过程线

023151015202530地面径流为主

Qtmin100015050612180612地面、地下径流兼有Qth8产流机制分析三、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。土壤结构密实、植被差、地下水埋深大时，多出现超渗产流。气候对产流影响较大。下垫面对产流影响也较大。雨强大时，容易出现超渗产流。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。

10产流机制分析产流对比分析表

蓄满产流超渗产流多年平均降雨量>1000mm<400mm多年平均径流系数>0.4<0.2流量过程的对称性大小降雨对产流的影响小大影响产流的因素初始土湿、降水量初始土湿、降水强度表层土质结构疏松、不易超渗密实、易超渗缺水量小、易蓄满大、不易蓄满地下径流比例大比例小降雨与产流特征的关系与降雨量关系密切与降雨强度关系密切11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。

流域蒸发量计算是产流计算的重要内容之一。

第三节流域蒸发陆地上的年降水量有60～70％通过流域蒸发返回大气。流域产流12一、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

。

流域蒸发水汽压差水汽压差：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。

13流域蒸发蒸发量与水汽压差成正比。

水面的饱和水汽压：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。

风速14影响水面蒸发的因素气温主要控制空气湿度，间接影响水面蒸发。

气温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％。

水质15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

。

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。地下水埋深16影响土壤蒸发的因素团粒结构的土壤，蒸发量小；非团粒结构的土壤，蒸发量大。

土壤结构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％。

17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。

地形18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。

19流域蒸发二、流域蒸发能力的确定流域蒸发能力：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

。

这里只讨论根据水面蒸发量估算流域蒸发能力。20流域蒸发能力的确定

天然水体水面蒸发量；

水面蒸发折算系数。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：

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。21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：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。22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。根据降水、径流、流域蓄水量变化等资料估算总蒸发量。（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。

23流域蒸发量推求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（二）模式计算法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。24一层模式Y

P(t)+W(t-1)

>WMN

E(t)=EPW(t-1)/WMW(t-1)

=WM

W(t-1)

=W(t-1)

+P(t)W

(t)=W(t-1)-E(t)t=t+125一层模式

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。

26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。

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。

27Y二层模式

P(t)+WU(t-1)

>WUMNWU(t-1)

=WUM

P(t)+WU(t-1)

-WUM>WLM

YWL(t-1)

=WLMNWU(t-1)

=WU(t-1)

+P(t)WL(t-1)

=WL(t-1)WL(t-1)

=WL(t-1)

+P(t)+WU(t-1)

-WUM28二层模式EU=Ep

，EL=0EU=

WU(t-1)，EL=(Ep-EU)WL(t-1)/WLMNY,WL(t)=WL(t-1)-ELWU(t)=WU(t-1)-EU

WU(t-1)>Ep29二层模式二层模式算例（Excel）30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。

31Y三层模式

P(t)+WU(t-1)

>WUMNWU(t-1)

=WUM

P(t)+WU(t-1)

-WUM+WL(t-1)

>WLM

YWL(t-1)

=WLMWU(t-1)

=WU(t-1)

+P(t)NWL(t-1)

=WL(t-1),Wd(t-1)

=Wd(t-1)WL(t-1)

=WL(t-1)

+P(t)+WU(t-1)

-WUMWd(t-1)

=Wd(t-1)+P(t)+WL(t-1)+

WU(t-1)

-WUM-WLMWd(t-1)

=Wd(t-1)32YN三层模式

EU=Ep,EL=0,ED=0EU=WU(t-1)

,EL=(Ep-EU)WL(t-1)/WLMYEL=C(Ep-EU）,ED=0EL=

WL(t-1)ED=C(Ep-EU)-ELED=0NNYWL(t)=WL(t-1)-ELWd(t)=Wd(t-1)-EdWU(t)=WU(t-1)-EUWL(t-1)<C(Ep-EU)

WU(t-1)>Ep

EL<C(Ep-EU）33三层模式

三层模式算例（VB程序）三层模式算例（Excel）34第四节实测径流分析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。

实测径流分析的内容流域产流35实测径流分析一、退水曲线分析

1、退水指数方程

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。

退水曲线的方程流域水流平均汇流时间。起退流量36退水指数方程或

流量消退系数。退水曲线退水曲线37退水指数方程求流域退水曲线的方法—最小二乘法：一场实测流量过程

step1、选定，在多场实测流量过程的退水段上取n对流量（、

），。ni,,2,1L=38退水指数方程

step2、根据最小二乘法的原理计算。由得0=¶¶gCf由构造目标函数39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次洪水过程相邻时段流量关系图（、）相邻时段流量相关图41相邻时段流量关系图流域平均退水曲线流域地下水退水曲线相邻时段流量相关图退水曲线42实测径流分析二、次洪径流深计算方法：平割法、蓄泄关系法。

1、平割法FEDBCA用流域平均退水曲线计算次洪径流深。

0R流域平均退水曲线43次洪径流深计算次洪水过程的次洪径流深即为ABCDEFA图形的面积。即

BAFDCE流域面积44次洪径流深计算2、蓄泄关系法

退水曲线退水流量

蓄泄关系：退水流量与退水径流深之间的关系曲线。

FARe3.6=45次洪径流深计算蓄泄关系曲线的制作：退水曲线～关系曲线0QeR蓄泄关系曲线FARe3.6=46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。FAR6.30=次洪水过程47蓄泄关系法48蓄泄关系法～关系曲线49蓄泄关系法当时，，蓄泄关系法公式简化为平割法公式。可见，蓄泄关系法比平割法更为灵活。蓄泄关系法平割法50实测径流分析3、次洪分割中的问题

采用流域平均退水曲线计算次洪径流深会产生误差。因为流域平均退水曲线只能反映流域平均退水情况。针对某一次具体的洪水过程，因其退水规律的特殊性，误差可能会较大。

51实测径流分析三、径流成分的划分将次洪径流深分成为地面径流和地下径流的过程。2、径流成分划分一场降雨形成的径流包含地面径流、地下径流。1、径流成分方法：直线斜割法；经验方法。52径流成分的划分借助流域的地下水退水曲线完成。直线斜割法分离点地下水退水曲线起涨点地面径流地下径流53径流成分的划分经验法用经验公式计算洪峰流量出现的时刻至地面径流终止点之间的时距

。流域面积，km2。54经验法分离点起涨点N峰点经验法进行径流深的划分55第五节降雨径流经验相关法降雨径流相关图反映的是一个流域降雨与径流的统计关系，即相关关系。利用降雨径流相关图可以计算一次降雨产生的次洪径流深，还可以计算一次降雨各时段的净雨量。

流域产流56降雨径流经验相关法一、相关图的建立反映降雨P、产流量R及其影响因子（如前期影响雨量Pa、降雨历时T、季节）之间的多变量相关图。

1、降雨径流相关图

rainfallrunoffcorrelationdiagram应用较多的是P～R～Pa之间的三变量相关图。

57相关图的建立降雨径流相关图PR58相关图的建立降雨径流相关图PR每一条曲线上部为直线，直线斜率450。以为等值线的一簇曲线。越往下，值越大。4502、相关图的特点59相关图的建立3、两变数的相关图降雨径流相关图R当流域实测的降雨径流资料不多时，难以作出～～相关图。此时，可以考虑～相关图。60降雨径流经验相关法二、相关图的讨论

建立降雨径流相关图时，为提高其精度，要注意观测资料的代表性。

资料的代表性反映在以下几个方面：

1、洪水的量级。2、洪水发生的季节性。

3、降雨类型。4、前期气候条件。61降雨径流经验相关法三、相关图的应用

利用降雨径流相关图，可以计算一场降雨、一场降雨的各时段的净雨量。

才用累积降雨量在相关图上查出累积净雨量，再计算各时段净雨量。P1P2P3……，降雨开始时，前期影响雨量为。设一场降雨各时段的降雨量依次为、、62相关图的应用降雨径流相关图PR63第六节蓄满产流一、蓄满产流关系

（一）基本概念

蓄满产流是湿润流域产流计算的模型。

降雨满足流域土壤缺水量之前，所有的降水均不形成产流量；流域土壤缺水量满足之后，后续所有的降水均形成产流量。

1、蓄满产流runoffyieldatnaturalstorage流域土壤缺水量为流域土壤田间持水量与雨前土壤实际含水量的差值。

流域产流64蓄满产流关系（二）蓄水容量曲线1、蓄水容量storagecapacity

流域某处土壤田间持水量与最大分子持水量的差值。

流域土壤各处蓄水容量是不相同的，为利用蓄满产流的概念计算整个流域产流量，提出了蓄水容量曲线的概念。

65蓄水容量曲线2、蓄水容量曲线storagecapacitycurve

反映流域内各处（包气带）蓄水容量的面积分布关系。1.0流域蓄水容量的最大值反映流域蓄水容量分布的不均匀性66蓄水容量曲线流域平均蓄水容量1.067蓄水容量曲线（三）降雨产流量的计算

1、初始土湿分布与计算

降雨开始时，流域各处初始土湿各不相同。假设初始土湿的分布规律与该流域蓄水容量分布规律完全相同。初始土湿分布的规律知道后，据此可以计算流域平均的初始土湿。

68初始土湿分布与计算设流域的初始土湿在（、）之间。69降雨产流量的计算2、建立降雨径流关系

降雨径流关系图PR降雨径流关系反映了不同初始土壤湿度条件下，降雨量与相应的产流量之间的关系。70建立降雨径流关系时段产流量的计算：已知时段降雨量、相应的初始土湿。1.071建立降雨径流关系当时，1.072建立降雨径流关系当时，1.073建立降雨径流关系降雨径流关系图PR1.0蓄水容量曲线降雨径流关系图的作图过程：74面产流模型蓄满产流模型计算流程图三层蒸发模型计算蒸发量E(t)输入已知资料：P(t)，Ep(t)，B，C，Wu(0)，WL(0)，Wd(0)，Wum，WLm，Wdm蓄满产流模型计算产流量R(t)t=1t=t+175面产流模型蓄满产流模型76降雨产流量的计算3、产流量计算

降雨径流关系图PR根据降雨径流关系，计算产流量。77蓄满产流二、水源划分

是指将蓄满产流计算出的各时段产流量进一步划分为各种径流成分。（一）划分直接径流与地下径流——二水源划分

1.0回顾一下蓄满产流计算方法。当很小时，则78蓄满产流可见，同时具有径流系数的含义。根据蓄满产流的概念，只有蓄满（蓄满面积比例为）后，后续的降雨才产流，即只有产流面积上的降雨形成产流量：水源划分就是将上述的进一步划分为与：79蓄满产流原理：产流面积上，降雨量超出稳渗量的部分形成直接径流，稳渗率形成地下径流。水源划分要借助流域的稳渗率。cf直接径流地下径流当时，直接径流地下径流当时，80划分直接径流与地下径流一场降水形成的总直接径流为一场降水形成的总地下径流为或81划分直接径流与地下径流计算过程例P38：已知各时段降水量、产流量，总的地下径流深。根据水源划分的原理，求稳渗率。采用试算法：假设稳渗率，根据水源划分的原理计算各时段的直接径流、地下径流，再计算总的地下径流，看它是否与已知的总的地下径流相等。82水源划分（二）划分地面径流、壤中流与地下径流——三水源划分

“点”指面积很小，此时，可认为其上自由水分布均匀。

水源的划分用自由水蓄水库模型来计算。自由水蓄水库的输入为蓄满产流模型计算出的时段径流深，输出包括三种水源：地面径流、壤中流、地下径流。1、点产流模型83mS点产流模型当时，当时，壤中流的出流系数地下径流的出流系数自由水蓄水库84划分地面径流、壤中流与地下径流事实上，因流域面较大，流域各处自由水蓄水容量不同，故实际计算时，采用自由水蓄水容量分布曲线，进行三种水源的划分。仿照流域蓄水容量分布曲线，流域自由水蓄水容量分布曲线的指数方程：2、面产流模型自由水蓄水容量分布曲线的指数。85面产流模型流域平均自由水蓄水容量：EXmmSS)1(1--=a1.0流域自由水蓄水容量分布曲线86面产流模型1.0EXmmSS)1(1--=a设流域各处的初始自由水蓄水容量在（、）之间，则流域初始自由水平均蓄水容量：87面产流模型1.0当时，因为蓄满产流的产流量仅发生在产流面积上，故自由水蓄水库也是建立在该产流面积上的。则上式应改为88面产流模型令因又89面产流模型1.090面产流模型91面产流模型1.0当时，同样的原因，上式应改为92面产流模型此时，93第七节超渗产流一、原理超渗产流模型适用于干旱、半干旱流域，或湿润流域的干旱季节

。对流域上某一小块面，超渗产流模型为扣除蒸发量后的时段降雨量时段下渗量，流域产流下渗能力94超渗产流二、下渗能力曲线infiltrationcapabilitycurve

充分供水条件下的下渗率。mm/h

f1、下渗能力

流域某处的下渗能力随时间变化的过程线。

f2、下渗能力曲线

可见，超渗产流模型计算的关键是已知流域某处的下渗能力（随时间变化的过程）。

f95超渗产流起始下渗能力96下渗能力曲线起始下渗能力：降雨开始时土壤的下渗能力。的大小与初始土壤含水量相关：越小，则愈大。当时，，为最大起始下渗能力。可见，下渗能力曲线是以为参数的一簇曲线。当时，，为稳渗率。97下渗能力曲线下渗能力曲线98下渗能力曲线霍顿公式菲利普公式霍尔坦公式4、下渗能力曲线的经验公式99超渗产流三、下渗能力曲线的制作以霍顿下渗能力曲线的制作为例。1、累积下渗量累积下渗量100下渗能力曲线的制作根据降雨过程、实测的径流深，采用平割法确定平均下渗率。再确定产流历时。处超渗累积下渗量为。T/2fF·»因采用平割法，

处下渗率。ff=2/T～①②③超渗产流的起始土湿为。100PWW+¢=2、～

～

相关图三要素的计算101下渗能力曲线的制作3、绘制三变量相关图（、、）。通过以上分析，一场降雨可得到一个相关点分析流域多场降雨，得到许多点（、、）。通过这些点，点绘～～相关图。～～相关图102下渗能力曲线的制作～～相关图103下渗能力曲线的制作4、由～绘制～关系曲线

产流计算中，不仅需要～关系曲线，有时也使用～关系曲线。从有的

～关系曲线，可转换为

～关系曲线。？104超渗产流四、产流量的计算

根据已有的～～相关图，求各时段产流量。第一时段初土湿超渗产流原理查～查～～105超渗产流五、面产流量的计算

前面讨论的产流量计算是针对流域上的某一小块面积而言的。当流域面积较大时，因流域各处下垫面、土壤含水量等情况不一致，导致各处下渗能力不同。对此，实际工作中，采用概化的方法描述下渗的空间分布，提出了下渗能力分布曲线。106面产流量的计算1、下渗能力分布曲线下渗能力分布曲线反映了流域各