工程水文第四章-1

1、 研究對象研究對象： 從定量上研究降雨形成徑流的原理和計算方法，包括流域的產(chǎn)流計算和匯流計算。 產(chǎn)流計算主要研究流域上降雨扣除植物截留、下滲、填洼等損失，轉(zhuǎn)化為凈雨過程的計算方法。 匯流計算主要研究凈雨沿地面和地下匯入河網(wǎng)，并經(jīng)河網(wǎng)匯集形成流域出口斷面徑流過程的計算方法。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容：流域產(chǎn)匯流計算基本資料的整理與分析；前期流域蓄水量及前期影響雨量的計算；降雨徑流相關(guān)圖法推求凈雨；初損后損法計算地面凈雨過程；流域匯流分析；單位線法推求流域出口洪水過程；瞬時單位線法推求流域出口洪水過程。 研究目的：研究目的： 流域產(chǎn)匯流計算是工程水文學(xué)中最基本的概念和方法之一，是以后學(xué)習(xí)由暴雨資料推求設(shè)計

2、洪水，降雨徑流預(yù)報等內(nèi)容的基礎(chǔ)。 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 1.由降雨過程推求徑流過程的基本內(nèi)容與流程2. 流域產(chǎn)匯流計算的基本思路 學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 掌握由降雨過程推求徑流過程的主要環(huán)節(jié)與基本思路 。 1. 流域產(chǎn)匯流計算基本內(nèi)容與流程流域產(chǎn)匯流計算基本內(nèi)容與流程 由流域降雨推求流域出口的河川徑流，大體上分為兩個步驟： 產(chǎn)流計算：降雨扣除截留、填洼、下滲、蒸發(fā)等損失之后，剩下的部分稱為凈雨，在數(shù)量上等于它所形成的徑流深。在我國常稱凈雨量為產(chǎn)流量，降雨轉(zhuǎn)化為凈雨的過程為產(chǎn)流過程，關(guān)于凈雨的計算稱之為產(chǎn)流計算。 匯流計算：凈雨沿著地面和地下匯入河網(wǎng)，然后經(jīng)河網(wǎng)匯流形成流域出口的徑流過程，關(guān)于流域匯流過程

3、的計算稱之為匯流計算。蒸蒸 發(fā)發(fā)Evaporation降降 水水Rainfall植物截留植物截留Interception填洼及地面蓄水填洼及地面蓄水Surface storage土壤蓄水土壤蓄水Soil moisture storage地下水蓄水地下水蓄水Groundwater storage坡面流坡面流Overland flow壤中流壤中流Interflow河河 網(wǎng)網(wǎng) 蓄蓄 水水深層地下水深層地下水Deep groundwater地下水流地下水流Groundwater flow流域出流流域出流產(chǎn)流過程產(chǎn)流過程匯流過程匯流過程 2. 流域產(chǎn)匯流計算的基本思路流域產(chǎn)匯流計算的基本思路 流域產(chǎn)匯流

4、計算方法的內(nèi)容十分豐富，這里僅介紹目前使用比較普遍和比較成熟的計算原理及其計算方法。產(chǎn)流計算的方法有降雨徑流相關(guān)圖法和初損后損法等；匯流計算方法的重點是時段單位線法和瞬時單位線法。 無論產(chǎn)流計算還是匯流計算，基本思路都是，先從實際降雨徑流資料出發(fā)，分析產(chǎn)流或匯流的規(guī)律；然后，用于設(shè)計條件時，則可由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水，用于預(yù)報時，則由實際暴雨推求預(yù)報洪水。 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 流域產(chǎn)匯流計算一般需要先對實測暴雨、徑流和蒸發(fā)等資料做一定的整理分析，以便在定量上研究它們之間的因果關(guān)系和規(guī)律。本節(jié)介紹這些要素的分析計算方法。 學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 掌握一次實測降雨洪水的總徑流深、地面徑流深和地下徑流深以及

5、流域蒸散發(fā)量的計算方法。 關(guān)于測站的降雨分析計算，流域平均雨量、時段雨量、降雨強度等，在第二章已經(jīng)講過（見第二章有關(guān)內(nèi)容）。 但必須注意的是，降雨場次的劃分一定要與洪水場次的劃分相對應(yīng)，如圖4-2-1所示。當把洪水劃分為兩次時，暴雨也要相應(yīng)地劃分為兩次，且兩兩對應(yīng)，前次暴雨對應(yīng)前面的洪水，后次暴雨對應(yīng)后面的洪水，切不可混淆。010203040506070809012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21050100150200250300350400450流域平均降雨量計算：流域平均降雨量計算：1. 算術(shù)平均法算術(shù)平均法條件：流域內(nèi)雨量站分布較均勻

6、、地形起伏變化不大。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）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。站在計算流域平均雨量中的作用。3. 等雨量線法等雨量線法條件：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。結(jié)合地形變化繪制等雨量線時。Qtabct0 h1.1.徑流過程線分析徑流過程線分析 2.2.流量過程線的分割流量過程線的分割 （1）洪水場次劃分及次洪水總徑流深W的計算 洪水場

7、次劃分是指，將非本次降雨產(chǎn)生形成的徑流分割出去。多數(shù)情況下，與本次降雨所對應(yīng)的徑流過程，不僅包括本次降雨形成的地面、地下徑流，而且還包括前期降雨的地下徑流。如圖中4-2-1的虛線ag以下的水量，它表示如果沒有降雨時，河中仍有持續(xù)的徑流，稱其為“基流”。另外，該次洪水尚未退完又遇降雨時，還會有后期洪水混入，如圖中的第場洪水。由圖4-2-1可知，如果能求得退水曲線ag和abcadf，便能求得降雨所形成的洪水的總量W，即abcadf線與agf線之間所夾的面積。推求W比較簡便的方法，是利用地下徑流退水線相當穩(wěn)定的性質(zhì)來推求。近似認為，前期降雨所形成的在a點以后的地下徑流過程線ag，與a點（與a點同流量

8、）以后的adf線趨勢一致,即ag線向后平移至的一段時間便可與adf線相重合。具體做法是，過起漲點a作一水平線，交本次洪水過程線退水段于a點，計算abcatata包圍面積所代表的水量，既為W，除以流域面積F得到徑流深為：R=W/F 需要千萬記住的是，起漲點a應(yīng)比較低，才能保證a點的流量全為地下徑流，這樣才能保持同流量同消退的規(guī)律。否則，若a點太高，其流量可能包含有地面徑流成分，使a點和a點以后的退水過程線趨勢不一致。若遇這種情況，如圖7-2-1中的第3個峰，則不宜單獨作為一場洪水，最好與前面的第2個峰合并，共同作為一場洪水。 （2）流域地下徑流標準退水曲線流域地下徑流標準退水曲線 流量過程線上的

9、a點或a點是否為流域地下退水流量，可由流域地下徑流標準退水曲線來確定。 圖7-2-2中的下包線Qgt，即為流域地下徑流標準退水曲線，其繪制方法步驟是： 流域地下徑流標準退水曲線，步驟：以相同的比例尺，在方格紙上繪出各場洪水的退水流量過程線； 用一張透明紙描繪出最低的退水過程線；將此曲線移到另一場洪水的次低的退水段，在保持時間坐標重合的條件下左右移動透明紙，使方格紙上的退水過程線在后部與透明紙上的退水過程線相重合，并把它也描繪在透明紙上； 如此逐一描繪各場洪水的退水流量過程線，就構(gòu)成Qgt線。作出重疊部分的下包線作出重疊部分的下包線 ababcc取流域多次實測洪水過程線的退水部分曲線取流域多次實

10、測洪水過程線的退水部分曲線aaccbb下包線即為流域標準地下水退水曲線下包線即為流域標準地下水退水曲線( )( )(1)gW tK Q t退水指數(shù)方程：退水指數(shù)方程：假定：假定：在地下水退水階段，流域蓄水量在地下水退水階段，流域蓄水量 W 與流域出口斷與流域出口斷面流量面流量 Q 呈線性關(guān)系：呈線性關(guān)系：(2)()(dttdWtQ 由水量平衡得：由水量平衡得：( )gt KQ tA e對對(1) 微分后代入微分后代入(2) 并積分得：并積分得： 0gt KtQQ e代入初始條件：代入初始條件：t = 0, Q = Q0 得：得：式中，式中，Qt：t 時刻的地下水流量時刻的地下水流量(m3/s)

11、Q0：初始時刻的地下水流量初始時刻的地下水流量(m3/s) Kg：地下水退水系數(shù)地下水退水系數(shù) Kg大表示地下水退水慢，反之則快。 Kg的值可利用流域退水曲線來確定。ln( )ln()gtKQ tQ tt 3. 水源的劃分水源的劃分 地面地下徑流分割 為分別研究地面徑流和地下徑流的產(chǎn)匯流規(guī)律，需將總徑流中進行地面和地下徑流分割。常用的有兩種方法： 水平線分割法 斜線分割法 水平線分割法：如圖4-2-3所示，從實測流量過程線的起漲點a作一水平線交過程線的退水段于c點，則水平線ac就認為是該次洪水的地面地下徑流分割線。斜線分割法： 如圖7-2-4所示，將繪在透明紙上的標準退水曲線蒙在要分割的洪水過

12、程線的退水段上（注意比例尺的一致），使橫軸重合，然后左右移動，當透明紙上的標準退水曲線與洪水退水段的尾部吻合后，則兩線前方的分叉點C就是地面徑流終止點。從實測流量過程線的起漲點a到地面徑流終止點c連一斜線ac，既為地面地下徑流分割線。 水平線分割法簡便易行，對地下徑流小，洪水歷時短的流域較為適合；而對地下徑流比重大、洪水連續(xù)時間長的流域，則會造成比較大的誤差，此時改用斜線分割法較為合理。 (2)地面地下徑流深的計算 地面、地下徑流分割后，分割線上面的部分即地面徑流WS，下面的部分即地下徑流Wg ，其地面徑流深Rs 、地下徑流深Rg分別除以流域面積F即可得到。 Rs=Ws/FRg=Wg/F 降雨

13、開始時流域是干旱還是濕潤，對此次降雨產(chǎn)生徑流的多少影響極大，流域的干濕程度常用兩種方法表示：前期影響雨量Pa流域蓄水量W前次降雨與本次降雨的時間間隔 t : t Pa 為了能反映上述二個因素的影響，第t天前期影響雨量Pa計算公式可表示為:ntnttt ,aPKPKKPP 221 同理，第 t+1 天的前期影響雨量計算公式為：PaPa)()(,11121,tatntnttntntttaPPKPKKPPKPKPKKPP 2.流域最大蓄水量流域最大蓄水量WM和消退系數(shù)和消退系數(shù)Ku(1)流域最大蓄水量WM WM又稱流域蓄水容量，是流域降雨能夠影響的土層內(nèi)土壤含蓄的吸著水、薄膜水和毛管懸著水，相當于田

14、間持水量與凋萎含水量的差值。一般用實測雨洪資料分析確定。選取久旱無雨后一次降雨量較大且全流域產(chǎn)流的雨洪資料，計算流域平均降雨量P及產(chǎn)流量R。因久旱無雨，可認為降雨開始時流域蓄水量W=0。ERPWM 一個流域的最大蓄水量是反映該流域蓄水能力的基本特征，我國大部分地區(qū)的經(jīng)驗表明一般為80120mm，例如：廣東95100mm，福建100130mm，湖北70110mm，陜西55100mm，黑龍江140mm等等。流域的實際蓄水量W在0Wm之間變化。 EMWMWEttu(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W、WM; 第t日的流域蒸發(fā)量：ttaWP,EMWMWEttWMEMK1 若第t日無雨，