流域產(chǎn)匯流的計算過程.ppt

工程水文學(xué),第四章 流域產(chǎn)匯流計算,4.1 概述 4.2 流域降雨徑流要素計算 4.3 蓄滿產(chǎn)流計算 4.4 超滲產(chǎn)流計算 4.5 流域匯流計算 4.6 河道匯流計算,第二節(jié) 降雨徑流要素計算 一、流域降雨量 降雨包括降雨量、降雨強度、降雨歷時、降雨過程、降雨分布、籠罩面積及暴雨中心位置等。 降雨量指與洪水過程相應(yīng)的一次降雨過程的總量，它可以指某個雨量站的降雨量，若對一個流域而言，則指流域的面平均雨量。,1、流域平均雨量計算 （1） 算術(shù)平均法 條件：流域內(nèi)雨量站分布較均勻、地形起伏變化不大。,（2） 垂直平分法（泰森多邊形法） 條件：流域雨量站分布不太均勻，為了更好地反映各站在計算流域平均雨量中的作用。 假設(shè)：流域各處的雨量可由與其距離最近的雨量站代表。,（3） 等雨量線法 條件：當流域地形變化較大，而雨量站分布較密，能結(jié)合地形變化繪制等雨量線時。,該方法能考慮流域地形的變化繪制等雨量線，比較好地反映了降雨在流域上的變化，精度較高。但是繪制等雨量線需要較多站點的資料，且每次都要重繪，工作量大。,2、降雨量過程線 （1）降雨強度過程線 表示降雨強度隨時間的變化過程。,二、徑流量計算,（一）徑流過程線分析 若流域內(nèi)發(fā)生一場暴雨，則可在流域出口斷面觀測到其形成的洪水過程線。在實測的洪水過程中，包括本次暴雨所形成的地表徑流、壤中流、淺層地下徑流以及深層地下徑流和前次洪水尚未退完的部分水量。產(chǎn)流計算需要將本次暴雨所形成的徑流量分割獨立開來并計算其徑流深。,從徑流形成過程分析可知，地表徑流與壤中流匯流情況相近，出流快、退盡早，并在洪水總量中占比例較大，故常將二者合并分析計算，稱之為地面徑流。 地面徑流退盡后，洪水過程線只剩淺層地下徑流和深層地下徑流，流量明顯減小，會使過程線退水段上出現(xiàn)一拐點。由于地下徑流出流慢、退盡也慢，所以洪水過程線尾部呈緩慢下降趨勢，常造成一次洪水尚未退盡，又遭遇另一次洪水的情況。所以，要想把一次降雨所形成的各種徑流分割獨立開，需要兩種意義的分割：次洪水過程的分割與水源劃分。,一次洪水流量過程,地面徑流 表層流徑流 地下徑流 前期洪水未退完的部分水量 非本次降雨補給的深層地下徑流,本次洪水形成,割除,A,E,G,B,C,H,I,D,t(h),Q(m3/s),F,深層地下徑流（基流）,前期洪水未退完的部分,本次降雨形成的徑流過程,（二）次洪水過程的分割 次洪水過程分割的目的是把幾次暴雨所形成的、混在一起的徑流過程線獨立分割開來。此類分割常采用退水曲線進行。分割時，可將退水曲線在待分割的洪水過程線（應(yīng)與退水曲線縱、橫坐標比例一致）的橫坐標上水平移動，盡可能使某條地面退水曲線與洪水退水段吻合，沿該線繪出分割線即可。,退水曲線是反映流域蓄水量消退規(guī)律的過程線，可按下述方法綜合多次實測流量過程線的退水段求得:取若干條洪水過程線的退水段，采用相同的縱、橫坐標比例尺，繪在透明紙上。繪制時，將透明紙沿時間坐標軸左右移動，使退水段的尾部相互重合，作出一條光滑的下包線，該下包線即為地下水退水曲線，反映地下徑流的消退規(guī)律。,基流的分割： 取歷年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平線分割（ED線）。,退水曲線,Kg：地下水退水參數(shù)；Kg越大地下水退水越慢，反之則快。,(三) 徑流量的計算 分割完成后，各種徑流過程即可獨立開，可計算其徑流量，即求各自的面積。 黃色的面積（ABCDFA）：,3.6單位換算系數(shù),A,E,G,B,C,H,I,D,t(h),Q(m3/s),F,深層地下徑流（基流）,前期洪水未退完的部分,本次降雨形成的徑流過程,C,D,CDD的面積與AEF大約相等，ABCDFAABCCDFEA,（四）水源劃分 次洪水過程的分割完成后，再進行地面徑流、淺層地下徑流、深層地下徑流的劃分，即按水源進一步劃分徑流。 深層地下徑流由承壓水補給形成，其特點是小而穩(wěn)定，常稱為基流?？梢酝ㄟ^分析、調(diào)查徑流資料合理選定。選定基流流量后，可在洪水過程線底部用平行線割除基流。該線以下徑流即為深層地下徑流。 地面徑流與淺層地下徑流的分割常采用斜線分割法：用退水曲線確定洪水退水段上的拐點，從洪水起漲點向點畫一斜線，該線以上為地面徑流，該線與平行線之間為淺層地下徑流。,也可用經(jīng)驗公式確定從洪峰流量出現(xiàn)時刻至直接徑流終止點的時距N，由此確定B點。,A,E,G,B,C,H,I,D,t(h),Q(m3/s),F,本次降雨形成的徑流過程,C,D,B,直接徑流,地下徑流,N,三、前期影響雨量 降雨開始時， 流域土壤的干濕程度（即土壤的含水量大小）是影響降雨形成徑流過程的一個主要因素。 如何來表示流域的土壤含水量？ 前期影響雨量Pa、流域的蓄水量W,（一）前期影響雨量Pa的計算公式,如果第t日內(nèi)有降雨P(guān)t，但未產(chǎn)流，則,如果第t日內(nèi)有降雨P(guān)t并產(chǎn)生徑流Rt，則,注意：PaWM，若計算出PaWM，則取Pa=WM。,如果流域前后兩天無雨，則,（二）流域最大蓄水量WM和消退系數(shù)K 1.流域最大蓄水量WM流域蓄水容量 田間持水量與調(diào)萎系數(shù)的差值,流域?qū)嶋H蓄水量在0WM之間變化。,2. 消退系數(shù)K 消退系數(shù)綜合反映流域蓄水量因流域蒸散發(fā)而減少的特性。 流域蒸散發(fā)取決于： 1）流域蒸散發(fā)能力EM； 2）流域供水條件，即流域蓄水量WM; 第t日的流域蒸發(fā)量：,若第t日無雨，則該日流域前期影響雨量的減少全部轉(zhuǎn)化為流域蒸散發(fā)，故：,又：,代入：,得：,EM為流域蒸發(fā)能力，可用E601觀測器觀測的水面蒸發(fā)值作為近似值。,K6=1-5.6/100=0.944,Pa=0.944*(100+14.7) =108.3WM(100),Pa=0.944*100 =94.4,K7=1-6.8/100=0.932,Pa=0.932*89.1=83.0,Pa=0.932*83.0 =77.4,Pa=0.932*(77.4+20.2 =90.9,第二節(jié) 流域產(chǎn)流分析,一、包氣帶對降雨的再分配作用 二、產(chǎn)流面積的變化 三、降雨徑流關(guān)系,第二節(jié) 流域產(chǎn)流分析,所謂產(chǎn)流，是指流域中各種徑流成分的生成過程，其實質(zhì)是水分在下墊面垂直運動中，在各種因素綜合作用下的發(fā)展過程，也是流域下墊面（包括地面和包氣帶）對降雨的再分配過程。不同的下墊面條件具有不同的產(chǎn)流機制，而不同的產(chǎn)流機制又影響著整個產(chǎn)流過程的發(fā)展，呈現(xiàn)出不同的徑流特征。本節(jié)介紹自然界兩種基本的產(chǎn)流形式，并建立產(chǎn)流理論的基本概念。,一、包氣帶對降水的再分配作用 （一）包氣帶地面對降雨的再分配作用 以流域內(nèi)某一單元土柱為例，設(shè)某一時刻地面的下滲能力為 ，降雨強度為 。若 ，則實際下滲率為 ，其余部分（ ）形成地面徑流； 若 ，則實際下滲率為 ，全部降雨都滲入土壤中。,因此，按降雨強度和下滲能力的大小，包氣帶地面把其所承受的降雨劃分為下滲的水量和地面徑流兩部分。,對一場總降雨量為P的降雨過程來說，雨強時大時小，有時 ，有 ，下滲到包氣帶土層中的水量I為,形成的地面徑流RS為,根據(jù)水量平衡原理，顯然有：,（二）包氣帶土層對下滲水量的再分配作用 下滲到包氣帶土層的水量，一部分首先被土壤顆粒吸收，成為土壤含水量的增量，一部分以蒸散發(fā)的形式逸出地面，返回大氣。,包氣帶達到田間持水量時的蓄水量稱為包氣帶蓄水容量，記為 ，另令 表示降雨開始時包氣帶的起始蓄水量。則 為包氣帶的缺水量。,當出現(xiàn) 時，表示降雨結(jié)束時包氣帶達到田間持水量，下滲水量中的 部分在重力作用下成為可以在包氣帶中自由運動的重力水RG。RG中包括壤中流和地下徑流。因此， 當出現(xiàn) 時，表示降雨結(jié)束時包氣帶的蓄水量 未達到田間持水量，下滲水量I-E全部被包氣帶土壤吸收，成為包氣帶蓄水量的增量，因此，,（三）蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流 根據(jù)水量平衡方程，合并式 ， 得雨末包氣帶達到田間持水量，包氣帶的水量平衡方程：,合并式 ， 得雨末包氣帶未達到田間持水量，包氣帶的水量平衡方程：,式 表明，只有當包氣帶達到田間持水量后才產(chǎn)生RG，這種產(chǎn)流方式稱為“蓄滿產(chǎn)流”。 在式 中，因包氣帶未達到田間持水量，故不產(chǎn)生RG，這種產(chǎn)流方式稱為“超滲產(chǎn)流”。,對某個具體的流域，這兩種產(chǎn)流方式是相對的。濕潤地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主，在長期干旱后，若遇到雨強大于下滲能力的降雨，即使此時包氣帶未蓄滿，也會產(chǎn)生超滲的地面徑流。同樣，在干旱地區(qū)，以超滲產(chǎn)流為主的流域，在多雨的季節(jié)也可能在流域的局部甚至全流域出現(xiàn)蓄滿產(chǎn)流現(xiàn)象。,二、產(chǎn)流面積的變化 在降雨過程中，流域上產(chǎn)生徑流的區(qū)域稱為產(chǎn)流區(qū)，其面積稱為產(chǎn)流面積。由于流域下墊面因素并不均一，如包氣帶的厚薄、土壤性質(zhì)、植被、降雨開始時的土壤含水量等情況并非處處相同，而且降雨量、降雨強度及其空間分布也不一致，因此，流域產(chǎn)流面積的變化十分復(fù)雜。 （一）蓄滿產(chǎn)流情況下產(chǎn)流面積的變化 1.流域蓄水容量曲線,由于流域內(nèi)各處下墊面條件不一樣，因此，流域內(nèi)各點包氣帶的蓄水容量 是不同的。將全流域內(nèi)各點的 從小到大排列，計算小于或等于某一 值各點的面積之和FR占全流域面積的比重 ，則可繪出 關(guān)系曲線。該曲線即為流域蓄水容量面積分布曲線，簡稱為流域蓄水容量曲線。,2.蓄滿產(chǎn)流情況下產(chǎn)流面積變化特點 蓄滿產(chǎn)流方式取決于包氣帶是否達到了田間持水量。當流域某處包氣帶達到了田間持水量，該處就產(chǎn)流，否則不產(chǎn)流。對于干燥土壤上的一場降雨，其產(chǎn)流面積的變化具有以下特點： （1）隨著降雨量的增加，產(chǎn)流面積也隨之增加； （2）產(chǎn)流面積的變化與降雨強度無關(guān)。,（二）超滲產(chǎn)流情況下產(chǎn)流面積的變化 1.流域下滲容量面積分布曲線 對流域某一起始蓄水容量 ，流域內(nèi)各點的下滲能力 是不同的。將全流域各點的 從達到小排列，以 為縱坐標，以小于或等于該 各點的面積之和FR占全流域面積的比重 為橫坐標，則可得流域下滲容量面積分布曲線。,2. 超滲產(chǎn)流情況下產(chǎn)流面積變化特點 （1）隨降雨歷時的增長，產(chǎn)流面積時大時小； （2）產(chǎn)流面積的大小與時段初流域蓄水量及降雨強度有關(guān)。,三、降雨徑流關(guān)系,對蓄滿產(chǎn)流方式，根據(jù)流域蓄水容量曲線，可以求出降雨徑流關(guān)系。 對于超滲產(chǎn)流方式的降雨徑流關(guān)系，原則上可以依據(jù)流域下滲容量面積分布曲線，按照同樣的原理求出。,第三節(jié) 產(chǎn)流計算 一、降雨徑流相關(guān)圖法 每場降雨過程流域的面平均雨量 相應(yīng)產(chǎn)生的徑流量 影響徑流形成的主要因素,相關(guān)分析，建立相關(guān)圖,Pa、W0、降雨歷時等,在我國濕潤和半濕潤地區(qū)最常用的是PPaR三變量相關(guān)圖。,兩時段降雨： P1=49mm P2=81mm,降雨開始時： Pa=60mm,由 P1=49mm,查得R1=20.0mm。,（49mm),由 P1 +P2=130mm,查得R1+R2=80.0mm。,(130mm),則第二時段凈雨為R2=80-20=60mm,降雨相關(guān)圖的規(guī)律： 1）P相同，Pa越大，損失越小，R越大，故Pa等值線的數(shù)值自左向右增大。 2）Pa相同時，P越大，損失相對于P越小，徑流系數(shù)越大，PR線的坡度隨P的增大而減緩，但不應(yīng)小于45。,降雨徑流相關(guān)圖也可簡化為P + Pa R 關(guān)系。,二、蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流量計算降雨總徑流相關(guān)圖法 蓄滿產(chǎn)流：趙人俊等人提出，包括用PW0 R關(guān)系計算凈雨過程，確定穩(wěn)定下滲率和劃分地面、地下凈雨的方法。該法現(xiàn)已成為我國濕潤地區(qū)產(chǎn)流計算的一種重要方法。 （一）概述 “蓄滿產(chǎn)流”是指包氣帶土壤含水量達到田間持水量之前不產(chǎn)流，這時稱為“未蓄滿”，此前的降雨全部被土壤吸收，補充包氣帶缺水量。 包氣帶土壤含水量達到田間持水量時，稱“蓄滿”，蓄滿后開始產(chǎn)流，此后的降雨扣除雨期蒸散發(fā)后全部形成凈雨。,因為只有在蓄滿的地方才產(chǎn)流，所以產(chǎn)流期的下滲為穩(wěn)定下滲率fc。,下滲的雨量形成地下徑流，超滲的雨量成為地面徑流。這種產(chǎn)流模式稱為蓄滿產(chǎn)流。,（二）蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流量計算 蓄滿產(chǎn)流以滿足包氣帶缺水量為產(chǎn)流控制條件。 就流域中某點而言，蓄滿前的降雨不產(chǎn)流，凈雨量為零；蓄滿后才產(chǎn)流，產(chǎn)流量（總凈雨量）可以很簡單地用下面的水量平衡方程計算：,由于流域上不同的點，蓄滿有早有晚，產(chǎn)流有先有后，所以還要考慮降雨開始時流域的蓄水分布情況（即流域蓄水容量分布曲線），求得各點缺水量在流域上的分布，與上式合解，得流域的凈雨深R。,1）隨著降雨量的增加，產(chǎn)流面積也隨之增加。,2）產(chǎn)流面積的變化與降雨強度無關(guān)。降雨強度只影響徑流的分配，而不影響總徑流量。,（三）地面地下徑流（凈雨）的劃分 上面求的是總徑流R，包括地面徑流RS和地下徑流RG，需要劃分開，以便分別進行匯流計算。 蓄滿產(chǎn)流是在包氣帶蓄滿后才產(chǎn)流，此時的下滲率為穩(wěn)定下滲率fc。當雨強ifc時，（i-fc）形成地面徑流，fc形成地下徑流。 對于一場降雨，產(chǎn)生的地下徑流總量為：,上式表明只要知道流域的fc，就可以把時段產(chǎn)流量劃分為地面、地下兩部分。 推求fc可以利用實測的降雨徑流資料，計算本次降雨的徑流過程，并分割出相應(yīng)降雨過程的地面和地下徑流過程，加上相應(yīng)的蒸散發(fā)過程，由上式反推.,已知t=6h，RG=38.1mm（由流量過程線分割得到）,先假設(shè)fc=2.0mm/h，有：,再設(shè)fc=1.6mm/h，有：,與38.1mm相近，因此，確定該場洪水的fc=1.6mm/h。,三、超滲產(chǎn)流的產(chǎn)流量計算 （一）概述 在干旱半干旱地區(qū)，地下水埋藏很深，流域的包氣帶很厚，缺水量大，降雨過程中的下滲的水量不易使整個包氣帶達到田間持水量，所以不產(chǎn)生地下徑流，并且只有當降雨強度大于下滲強度時才產(chǎn)生地面徑流，這種產(chǎn)流方式稱為超滲產(chǎn)流。關(guān)鍵是確定流域下滲的變化規(guī)律。,初滲階段，降雨全部損失，不產(chǎn)流。i0f, i0 初損。,不穩(wěn)定下滲和穩(wěn)定下滲階段，if，產(chǎn)流R if，下滲損失 后損,（二）超滲產(chǎn)流的產(chǎn)流量計算 初損后損法 1. 降雨初期到出現(xiàn)超滲產(chǎn)流，這一階段稱為初損階段，歷時為t0。降雨全部損失I0。 2.產(chǎn)流以后的降雨期為后損階段，損失減小。損失按f來計算。 ftR + P,平均下滲能力f,t0,t0,tr,t,I0,P,ftR,(1) 初損量I0的確定： 對于小流域，徑流過程的起漲點以前的累積雨量可以作為初損的近似值。 對于大流域則要考慮流域內(nèi)各雨量站至流域出口斷面匯流時間不同的問題。分別確定各自的產(chǎn)流開始時刻，再確定初損。,平均下滲能力f,t0,t0,tr,t,I0,P,ftR,(2) 平均后損率f 一次降雨形成的徑流深R: 因此：,平均下滲能力f,t0,t0,tr,t,I0,P,ftR,第四節(jié) 流域匯流計算 降落在流域上的雨水，從流域各處向流域出口斷面匯集的過程，稱為流域匯流。,流域匯流,坡地匯流 河網(wǎng)匯流,地面徑流 壤中流 地下徑流,直接徑流匯流 （地面徑流）,降雨P(guān)(t) 蒸發(fā)E(t),產(chǎn)流計算,凈雨R(t),匯流計算,流域出口斷面 徑流過程Q(t),數(shù)量上相等,一、流域出口斷面流量的組成 流域各點的地面凈雨流達出口斷面所經(jīng)歷的時間，稱為匯流時間（）。 將流域上匯流時間相等的點子連成一條曲線，就是等流時線。兩條相鄰等流時線間的面積稱為等流時面積（F1、F2、F3、.）。,1,2,3,dF1,dF2,dF3,1,2,3,dF1,dF2,dF3,凈雨i(t-),設(shè)等流時面積dF1上t-時刻形成凈雨i(t-)正好在t時刻到達流域出口斷面，所形成的出口斷面流量為:,而流域出口斷面t時刻的流量Q(t)，是所有等流時面積上在t時刻到達出口斷面的流量之和：,dF()對求偏導(dǎo)，有：,流量成因公式,流域匯流曲線,流域凈雨過程,流域匯流曲線u(t)：等流時線、單位線、瞬時單位線、地貌單位線等。,二、單位線 （一）單位線基本概念 在給定的流域下，單位時段內(nèi)均勻分布的單位地面（直接）凈雨 量，在流域出口斷面形成的地面（直接）徑流過程線，稱為單位