水文学原理水文预报：径流形成理论第2部分3（吉林水文培训班）.ppt

'第六章蒸散发水文学原理 主要内容蒸发现象及其控制条件水面蒸发土壤蒸发植物散发4123流域总蒸发5 第一节蒸发现象及其控制条件1与蒸发有关的基本概念蒸发：水分子从物体表面（蒸发面），向大气逸散的现象。凝结：水汽分子从空气中返回水面的现象。蒸发潜热：蒸发必须消耗能量，单位水量蒸发到空气中所需的能量。凝结潜热：凝结要释放能量，单位水量从空气中凝结返回水面释放的能量。蒸发率:单位时间内通过单位蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气返回到蒸发面的水分子数之差值（当为正值时），称蒸发率。一般用mm/dormm/a表示。水文学原理/第六章蒸散发第一节蒸发现象及其控制条件 根据蒸发面类型分类：水面蒸发(Evaporationfromopenwatersurface)冰雪蒸发(Evaporationfromiceice-snowsurface)土壤蒸发(Soilevaporation)植物散发(Planttranspiration)汇总：流域蒸散发(Watershedevaporation)2蒸发的分类第一节蒸发现象及其控制条件水文学原理/第六章蒸散发第一节蒸发现象及其控制条件 3控制蒸发的条件供水条件(Watersupplyconditions):蒸发面存储的水分的多少。能量条件(Energyconditions):蒸发面上水分子获得能量的多少。动力条件(Dynamicconditions):水汽输送条件。水汽分子扩散(Moleculardiffusion)对流作用(Convection)平流作用(空气紊动)(Turbulentdiffusion)蒸发能力：在充分供水条件下，单位时间通过单位蒸发面逸散到大气中的水分子数与从空气中返回到蒸发面的水分子数之差值（当为正值时）称为蒸发能力。第一节蒸发现象及其控制条件水文学原理/第六章蒸散发第一节蒸发现象及其控制条件 第二节水面蒸发（一）封闭系统的水面蒸发记t内，逸出水面的水分子数为N，返回水面的水分子数n。t=t0时刻，T=T0，N=n，e=eS(T0)，动态平衡t继续,T升高，N>n，eeS，　　凝结对于封闭系统，蒸发量仅与饱和差（热力条件）有关。一、水面蒸发的机制单位水量从液态变为气态所吸收的热量称蒸发潜热或汽化潜热。可以用下式表示：（J/g）水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/机制 根据水面蒸发的发生机制，可将影响水面蒸发的因素分为两大类：1、物体表面以上的气象条件太阳辐射、温度、湿度、风速、气压等；2、物体自身的因素水体表面的面积和形状、水深、水质和水面的状况等。自然条件下的水面蒸发量不仅与饱和水汽压差有关，还与空气的对流和紊动以及水汽的扩散作用有关，而影响这些作用的因素主要有风速、气压、湿度等气象条件。第二节水面蒸发二、影响水面蒸发的因素水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/影响因素 三、水面蒸发量的计算方法a.目前水面蒸发量的计算方法大致可分为两大类：理论计算法——具有较强物理基础的方法。主要包括：热量平衡法、空气动力学法、综合法以及水量平衡法；经验计算法——根据实测资料，利用经验公式对水面蒸发进行估算的方法。b.此外还有一种测量方法：器测法。第二节水面蒸发水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/计算方法20cm口径蒸发器E601蒸发器 Hs=Rn–He–H+HI–Ho若合称(HI–Ho)为Ha，则：Hs=Rn–He–H+HaHIHOHs蓄热量变化量蒸发失热He水体传导失热H净辐射Rn（一）热量平衡法(基于能量守恒原理研究水面蒸发)先由热量平衡方程确定蒸发耗热量，再除以水的蒸发潜热。（蒸发潜热：单位水量蒸发到空气中所需的能量）第二节水面蒸发水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/理论计算三、水面蒸发量的计算方法/理论计算方法 左式H难以确定，设H=He(—波温比)，则：下空气水汽压。气温—下饱和水汽压；水面温度—某高度气温；—水面温度；—因TeTeTTeeTTPsssss2222100066.0--=bHe=LEL-蒸发潜热。水体储热增量—；水体出入流净热量含量—；蒸发耗热量—；水体传导给大气的热量—；水体吸收的净辐射（—min)/(min)/(min)/(min)/(min)/JHJHJHJHJRHHHHRsaensaen=+--（一）热量平衡法(基于能量守恒原理研究水面蒸发)水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/理论计算 （二）水汽输送法(基于空气紊动扩散理论研究水面蒸发)水汽输送通量与水汽含量在输送方向上的梯度成正比。Kw难确定，所以引入空气紊动力学中水平方向切应力的概念：当与高程无关时，任意高度=0=u*2(u*—剪切速度)，故：Kw/Km≈0.7水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/理论计算 根据卡门-普朗德提出的均质粗糙流的流速分布：风速与糙度的函数，的高度，则为风速取ccsekzuz===-1111200若进一步假定e1=es，其中es-水面温度下的饱和水汽压，则：水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/理论计算（二）水汽输送法(基于空气紊动扩散理论研究水面蒸发) （三）综合法或彭曼法(将水汽输送法与热量平衡法相结合)根据水汽输送法：根据热量平法：水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/理论计算 水量平衡法原理简单且严密。但因各水量平衡项的观测和计算均含有误差，最终都体现在蒸发量上，当蒸发量与其它项相比很小时，误差更大。水量平衡法只适用于长时段蒸发量计算。（四）水量平衡法(基于水量平衡原理研究水面蒸发)水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/理论计算 （五）经验公式法英寸英里/h0.36mm汞柱m/sm/s毫巴水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/经验计算 一般无出流量，除非大暴雨引起蒸发器漫溢；没有渗漏水量。故：（六）器测法IPEt=t1t=t2水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/直接观测法 （六）器测法20cm口径蒸发器E601蒸发器（六）器测法水文学原理/第六章蒸散发第二节水面蒸发/直接观测法常用蒸发器：20cm、80cm、E601(直径61.8cm)。大型蒸发池（evaporationpond）：器口面积10m2、20m2、100m2大型蒸发池所测水面蒸发量与自然条件下水体的蒸发量接近。但蒸发器所测蒸发量须换算成天然水体蒸发量：E=kE器 一、土壤蒸发的物理过程(1)>田，E=Em整个土层水分输送通畅，供水充分，按蒸发能力蒸发，蒸发量大而稳定。(3)<断，E=CEm(C<<1.0)毛管向上输送水分的机制完全遭到破坏，水分只能以薄膜水或气态水的形式供给蒸发，蒸发量小而稳定。(2)断<<田，E=f(Em,)土层中部分毛管水断裂，供水不充分，随着的减小，连续状态愈来愈多地遭到破坏，蒸发量急剧减小。毛管断裂含水量(3)田间持水量(2)(1)E/Em第三节土壤蒸发土壤蒸发就是土壤空隙中的水分在水分梯度的作用下上升，并在土壤表层发生汽化后进入大气的过程。水文学原理/第六章蒸散发第三节土壤蒸发/物理过程 土壤蒸发率：单位时间单位面积上的土壤蒸发量(E)土壤蒸发能力：充分供水时的土壤蒸发率(Em)二、土壤蒸发的影响因素蒸发能力方面——温度、湿度、风速、气压等气象因子供水条件方面——土壤含水量(在讲“土壤蒸发过程”时展开)土壤孔隙地下水位温度梯度综合上面所讲的土壤蒸发的物理过程的三个阶段可知：影响土壤蒸发的因素有两大类：气象因素、土壤因素。水文学原理/第六章蒸散发第三节土壤蒸发/影响因素 三、土壤蒸发的确定方法1、水量平衡法△W=I-O+P-Ew+G2、经验公式法E=As（es’-ea）3、器测法（单点土壤蒸发量的测定）土壤蒸发器：内外两个铁桶组成大型蒸渗仪：蒸渗测箱系统、称重系统水文学原理/第六章蒸散发第三节土壤蒸发/计算方法 散发现象(Transpiration)Transpiration)：植物从土壤中吸取水分，然后输送到茎和叶面，大部分水分从叶面和茎逸散到空气中。第四节植物散发植物散发又称植物蒸腾，指土壤水分通过植物进入大气的过程。植物蒸发的同时土壤也在蒸发，通常将植物散发与土壤蒸发统称为蒸散发（或陆面蒸发）。一、植物散发的机制水文学原理/第六章蒸散发第四节植物散发/物理机制 二、植物散发的影响因素1、气象因素（温度、湿度、风速、气压等）；2、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。3、植物种类和生理阶段三、植物散发的确定方法直接测定：器测、坑测、气量计法、称重法等；间接计算：水量平衡法、热量平衡法、气孔控制模型、林冠模型水文学原理/第六章蒸散发第四节植物散发/影响因素、确定方法第四节植物散发 第五节流域总蒸发一、流域总蒸发的影响因素根据蒸发面不同，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：（1）气象条件（温度、湿度、风速、气压等）；（2）流域内土壤含水量空间分布；（3）流域内土壤、植被空间分布；（4）地形、地貌：随高程增加，E降低水文学原理/第六章蒸散发第五节流域总蒸发/影响因素 二、流域总蒸发规律(1)Em小,则a小，可在较长时间内维持按蒸散发能力蒸发。(2)Em大,则a大，略小于田，实际蒸散发量便降到蒸散发能力以下。1.0(3)(2)(1)E/Emba(1)>a，E=Em（注:a<田)供水充分，蒸散发量大而稳定。(2)b<<a，E=()Em（注:b<断)供水不充分，蒸散发量随的减小而减小。(3)<b，E=CEm，C=0.05~0.10蒸散发能力0.050.150.25E/Em水文学原理/第六章蒸散发第五节流域总蒸发/规律 （一）水量平衡法三、流域蒸发量计算PER思路：对闭合流域，满足水量平衡方程：P=E+R+W在P、R、W已知的情况下，确定出E。因W很难确定，实用中水量平衡法只适用于W0情况下E的确定。水文学原理/第六章蒸散发第五节流域总蒸发/计算 （二）经验公式法所谓经验公式法是指以分析影响流域总蒸发的因素为基础，然后建立流域总蒸发与其影响因素之间的定量关系以推求流域总蒸发。例如有利用热量平衡和水量平衡原理推导出的经验公式为：史拉别尔1904年：奥里杰科普：M.H布德科1948年：其他形式：水文学原理/第六章蒸散发第五节流域总蒸发/计算 （三）模式计算法（三层蒸发模式）水文学原理/第六章蒸散发第五节流域总蒸发/计算 流域蒸散发能力:充分供水条件下的流域蒸发率，是计算流域实际蒸散发量的基础。如何确定？（1）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：四、流域蒸散发能力（2）经验公式：Thornthwaite公式（教材P87公式6-46错误）、彭曼大叶模型水文学原理/第六章蒸散发第五节流域总蒸发/蒸发能力计算 第七章径流水文学原理 本章重点：河川径流的形成过程，河流水情的表示方法。 第一节径流形成过程从降雨(或融雪)开始到水流流经流域(或河流)出口断面终止的整个物理过程。一、产流过程(流域蓄渗过程)降雨P植物截留In填洼D植物散发ET下渗f蒸发E下渗f在该阶段，不产生径流的那部分降水称为损失量，降雨量—损失量=产流量。 1、坡地汇流过程：净雨在时程上的第一次再分配降雨P植物散发ET下渗f蒸发E下渗fRsRssRgRsRsRssRg坡地汇流过程坡面汇流:水流速度快,汇流时间几分钟～几小时;壤中汇流:水流速度中,汇流时间几小时～几天;地下汇流:水流速度慢,汇流时间几天～几百天。二、汇流过程第一节径流形成过程 2、河网汇流：净雨在时程上的第二次再分配tQ各种径流成分注入河网后，在河网内沿河槽作纵向流动和汇集的过程。从坡地汇流注入河网开始，至输送到出口断面为止。河槽调蓄作用：涨水时，注入河网量>从出口断面流出量，蓄水。落水时，注入河网量<从出口断面流出量，放水。第一节径流形成过程二、汇流过程 一次降雨所形成的典型流量过程线包括涨水段、峰段与退水段。洪峰流量Qm洪水历时洪水总量W涨水段退水段峰段tQ三、流量过程线及其组成第一节径流形成过程 流域出口断面的流量过程线由四种成分组成：1、直接地面径流（坡面流）；2、壤中流；3、地下径流或基流（包括浅层地下径流和深层地下径流）；4、河槽水面降水直接产生的径流。根据对降雨响应的快慢来划分流量的组成成分。1、超渗坡面流2、饱和坡面流3、回归流4、饱和表层流5、非饱和表层流6、地下水第一节径流形成过程 一、河流水源补给1、雨水补给2、冰雪补给3、地下水补给二、河川径流情势河川径流在一年内和多年期间的变化特性称为径流情势。前者称为年内变化或年内分配；后者称为年际变化，研究河川径流情势就是研究河川径流的年内分配和年际变化规律。河流水情——即河流的水文情势，是指河流水文情况的统称。包括河流的水源补给、河流中的径流在时间上和空间上的变化、洪水的形成和运动、枯水特性、河流的冻结情况及河流泥沙运动情况。水情要素——用以表达河流水文情势变化的主要尺度。包括水位、流速、流量。掌握水情要素是研究分析河流水文的重要基础。第二节河流水情 5、径流深R(mm)[次、月、年径流深]计算时段内的径流总量平铺在某断面流域面积上的深度。6、径流系数:径流深度R与产生它的降水深度P之比.4、流量变率Ki：某年年平均流量Qi/正常年径流量Q0（日、月、年、多年平均径流模数）3、径流模数:单位流域面积上的平均流量2、径流总量（次/月/年径流量）1、流量（瞬时、日、月、年、多年平均流量）（一）径流的计量单位第二节河流水情 （二）径流的年内变化与年际变化年内分配的表示方法一般有两种：（1）定性描述：年流量过程线；日平均流量（水位）历时曲线（2）定量描述：不均匀系数Cvy；年调节系数Cr“水文年”是指从稳定的地下水补给转为地面补给逐渐增加时起至枯水期结束的全过程。2、年际变化:反映径流年际变幅的指标：第二节河流水情1、年内变化（年内分配）——年内总水量在各月的分配。121)1(QKinKCniiv=--=å=Qi教材P99公式7-10书写错误 （一）洪水特性的表示方法洪水三要素：洪峰流量Qm、洪水总量WT、洪水总历时T典型洪水过程线三个特征点：洪峰流量、起涨点、地表径流退水终止点。（二）洪水的影响因素1、天气因素（影响降雨强度及其特性）2、流域下垫面因素：坡度、植被、土壤；流域面积；地形（三）洪水波的运动（将在后面的第九章河道水流中讲述）三、洪水第二节河流水情·洪水 四、枯水：枯水是河流断面上较小流量的总称。枯季水量的补给完全依赖于流域蓄水量。（一）枯季径流的影响因素1、流域蓄水量的影响前期气象条件、水文地质条件、湖泊率、沼泽率、植被率等2、河流本身的特性流域面积、河床下切深度、河网密度等（二）枯水径流的消退规律退水段：地面径流完全停止，地面蓄水量的补给=0，全部靠流域之前持有的蓄水量（地下蓄水量）补给径流的时段。第二节河流水情·枯水地面蓄水量：地表洼地、河网、水库、湖泊、沼泽地下蓄水量：土壤孔隙、岩石裂隙、溶隙、层间含水层 QtQ=Q(H)W=W(H)Q=Q(W)因流域中的水位很难描述，故建立蓄量与出流量之间的关系，将流域视为一个蓄水体，并将其概化成线性水库，即:W=KQ由水量平衡方程式：I-Q=dW/dtI=0-Q=dW/dtW=KQ-Q=dW/dtQ0—退水开始时流量K—滞(蓄)水系数。K越大，径流消退得越慢。WHQ第二节河流水情·枯水 （三）消退系数K的确定：1.相邻时段流量相关法从洪水退水段上摘取Q0，Q1，Q2……Qn(取t=1d)确定了K(或)后，即可进行退水段流量预报。第二节河流水情·枯水a.分析法确定K(或) (1)采用相同的纵横比例尺点绘各次洪水过程;(2)取一张透明纸，蒙在退水过程线上，描出一次洪水退水过程；(3)以此线为基础，沿横坐标左右移动，描出各次洪水的退水过程，要求使各次洪水的尾部完全重合；(4)取各次退水的下包线作为流域标准退水曲线；(5)确定蓄水系数K(或=1/K）;lnQt直线斜率=-b.图解法确定K(或)（三）消退系数K的确定：2.标准退水曲线法第二节河流水情·枯水 (1)不同径流成分的退水规律VK地表大小大壤中中中中地下小大小lnQt地表壤中地下(2)径流成分的划分a.直线分割法按起涨流量Q0平行于横坐标轴画直线，取其与退水段的交点作为地表径流结束点。tQABtQABb.斜线分割法将起涨点与直接径流终止点相连(直接径流终止点的确定)。第三节径流成分的分割'