第2讲-产汇流理论基础

流域水文模型WatershedHydrologicalModels王全荣特任教授环境学院水文系2019-2第2章产汇流理论基础第2章产汇流理论基础§2.1概述§2.2降水及蒸散发§2.3场地尺度产汇流过程§2.4坡面尺度产汇流过程§2.5流域尺度产汇流过程§2.1概述第2章产汇流理论基础2.1.1流域水循环/水文过程流域水循环作为水循环特定空间范围内的一种具体实现，是由一系列微观尺度的水循环过程嵌套而成的。从总体上看，流域水循环包括：降水、蒸发、下渗、及从上游到下游的过程。2.1.1流域水循环/水文过程§2.1概述2.1.2产流与汇流§2.1概述流域上的降水，除去损失后，经由地面和地下途径汇入河网，形成流域出口断面的水流，即为径流。由降雨到径流是一个复杂的过程，为便于分析，一般把径流过程分解为产流和汇流两个过程。2.1.2产流与汇流§2.1概述降水到地面后一部分损失掉，剩下能形成地面和地下径流的那部分降雨一般称为净雨净雨的形成过程即为产流净雨从流域各处向流域出口断面汇集的过程称为汇流。2.1.2产流与汇流§2.1概述截留、填洼、下渗土壤系统含水层系统蒸散发河川径流地表径流壤中流降水地下径流产流汇流2.1.2产流与汇流：三个尺度§2.1概述截留、填洼、下渗土壤系统含水层系统蒸散发河川径流地表径流壤中流降水地下径流产流汇流降水2.2.1降水§2.2降水及蒸散发降水：降水的形成机制及预报属于气象学的研究内容，水文学中一般只讨论降水要素及其时空表示方法。降水要素

降水量、降水历时和时间、降水强度、降水面积1、降水过程线2、等雨量线6、平均深度与面积曲线7、流域平均降水量

降水量过程线：降雨强度随时间变化的过程线过程线当时段趋于0时，时段平均过程线变为瞬时过程线等雨量线等雨量线的做法类似于地形图等高线的做法。等雨量所表示的降水分布与实际降水分布的符合程度取决于：（1）雨量站位置(是否为雨情控制点)；（2）雨量站数目某流域内有7个雨量站，根据各站6小时雨量资料绘出其等雨量线。常用的区域(或流域)平均降水量计算方法有：算术平均法泰森多边形法等雨量线法

降水量计算常用的区域(或流域)平均降水量计算方法有：算术平均法

降水量计算P=A*（P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7）/7泰森多边形法：(1).

连三角形；(2).

作三角形各边的垂直平分线;(3).

以交点连线及与流域边界相交的垂直平分线构成单元面积;(4).

量出各单元面积，总面积ΣA=(A1+A2+A3+A4+A5+A6);(5).

计算单元面积权重及流域平均雨量。各子块权重等雨量线法：常用的区域(或流域)平均降水量计算方法有：算术平均法

适用于面积不大，地形起伏不大，站点较多且布设较均匀的流域。计算简便。泰森多边形法

适用于降雨分布不均，站点较少，面积不大的流域。在确定各站的权重后也很简便，且精度较好。缺点是在各场降雨中把雨量站权重视为固定，与实际情况不完全一致等雨量线法

适用于面积大、站点密的流域。理论上较完善，但每次降雨都必须绘制等雨量线，并计算权重，工作量大。降水量计算方法的优缺点截留、填洼、下渗土壤系统含水层系统蒸散发河川径流地表径流壤中流降水地下径流产流汇流蒸散发2.2.2蒸散发§2.2降水及蒸散发蒸散发：蒸发与散发是水文循环过程中自降水到达地面后由液态（或固态）化为水汽返回大气的一个阶段。它是指水分子从物体表面即蒸发面,向大气逸散的现象。分类：按蒸发面的性质

水面蒸发土壤蒸发植物散发按蒸发面的供水条件

饱和面蒸发——水面蒸发、土壤蒸发

非饱和面蒸发——土壤蒸发、植物蒸发1、

水面蒸发一个水平的自由水面，进入水体的热能增加了水分子的动能，使一些水分子所获得的动能大于水分子之间的内聚力时，就能突破水面而跃入空中。那些动能足够大的水分子，逸出水面——蒸发

一些水分子从空中返回水面，称为——凝结

从水面跃出与返回水面的水分子数量之差，就是实际观测到的蒸发量mm或蒸发率(mm/d、mm/月、mm/a)。蒸发量取决于三个条件：蒸发面上储存的水分多少——供水条件；蒸发面上水分子获取的能量多少——能量条件；蒸发面上水汽输送的速度——动力条件。1、水面蒸发的测量利用蒸发器或蒸发池：直接量出蒸发量

是当前最简单和实用的方法1、水面蒸发的计算水量平衡法空气动力学方法Penman（彭曼）法1、水面蒸发的计算水量平衡法：一个水库若有入流、出流、库水位变化资料，蒸发量的计算公式为P：水库降雨量I、O：入流、出流量H1、H2：始末端水库的水位E=I-O+P+H1-H21、水面蒸发的计算空气动力学方法：水汽输送法——Dalton定律修正式es：近水面控制的饱和水汽压e：水面以上一定高度的水汽压u：水面以上一定高度的风速a、b是常数1、水面蒸发的计算Penman（彭曼）法：将空气动力学方程与能量平衡方程结合起来计算蒸发量

2、土壤蒸发

3、

植物散发§2.2降水及蒸散发植物散发的影响因素气象因素（日照、温度、湿度、风速等）；土壤含水量

当土壤含水量充分时，植物散发达到或接近散发能力。随着土壤含水率的减少，植物散发渐减。当土壤含水量低于凋萎含水量后，植物散发基本停止。植物种类和生理阶段

4、

流域蒸散发§2.2降水及蒸散发根据蒸发面不同，流域蒸发包括：水面蒸发、土壤蒸发、植被散发和冰雪蒸发等。通常流域内水面和冰雪覆盖面所占比重不大，故对绝大多数流域，总蒸发主要包括土壤蒸发和植物散发。

因此，影响土壤蒸发和植物散发的因素即是影响流域总蒸发的因素。综合起来，影响因素包括：气象条件（日照、温度、湿度、风速等）；流域内土壤含水量；流域内土壤、植被分布；地形、地貌。流域蒸散发计算流域蒸散发能力的确定目前主要根据蒸发器观测的水面蒸发经折算后得到流域蒸散发能力。具体折算如下：§2.3场地尺度产汇流过程第2章产汇流理论基础2.3.1

概述：地表截留降水到达流域表面后，会被重新分配。首先，在植物枝叶表面吸着力、承托力和水分重力、表面张力等的作用下，在植物表面上储存一部分降水，称为截留；同时，流域上的池塘、小沟等大大小小的封闭洼地，在降水中也会拦蓄部分的雨水，称为填洼。植物截留和地表填洼统称为地表截留。2.3.1

概述：下渗降降水到达土壤后，土壤会吸收一部分降水，称为下渗。下渗的土壤水中，一部分直接蒸发，一部分被植物根系吸收而散发，一部分在土壤中侧向输送，剩余的土壤水继续下渗形成地下水，而后以地下径流形式汇入河流。§2.3场地尺度产汇流过程2.3.2截留与填洼植被截留降雨初期，雨滴降落在植物枝叶上被截留，在降雨过程中截留不断增加，直至达到最大截留量。当截留的水分超过表面张力作用时，便落至地面。截留过程延续整个降雨过程，积蓄在树枝叶上的水分不断地被新的雨水滴所更替，雨后截留的水量最终被蒸发消耗。对于一次暴雨，植被截留量不大，但是对于某些植被发育区以及降雨量较小时，截留量所占比例较高。§2.3场地尺度产汇流过程2.3.2截留与填洼植被截留的计算§2.3场地尺度产汇流过程2.3.2截留与填洼填洼当降水强度大于地面下渗能力时，超渗雨即开始填充洼地，当每一洼地达到其最大容量后，后续降雨就会产生洼地出流。§2.3场地尺度产汇流过程在降水过程中，流域上较小的洼地总是先行填满，然后才是较大者。雨止后，填洼量最终消耗于下渗与蒸发。对于平原区及坡地区，洼地较多，填洼量也较大填洼2.3.2截留与填洼填洼量的计算§2.3场地尺度产汇流过程洼地蓄量最大洼地蓄量2.3.3下渗下渗的机理§2.3场地尺度产汇流过程A.下渗的三阶段

渗润阶段：分子力渗漏阶段：毛管力渗透阶段：重力2.3.3下渗下渗的机理§2.3场地尺度产汇流过程B.下渗过程中的土壤水分剖面2.3.3下渗下渗方程§2.3场地尺度产汇流过程2.3.3下渗下渗方程：饱和-非饱和过程§2.3场地尺度产汇流过程下渗下渗方程：饱和-非饱和过程不容易求解非饱和下渗饱和下渗忽略重力作用的下渗数学模型非饱和下渗理论条件：a忽略重力；b供水充分，表面无积水；