§4.3 流域产流分析 工程水文学.ppt

4.3 流域产流分析 什么是产流： 流域中各种径流成分的生成过程，其实质是 降雨在下垫面（地面和包气带）运行过程中，下 垫面对降雨的再分配过程。自然界有两种基本产 流形式： 蓄满产流 超渗产流 影响产流的主要因素影响产流的主要因素 1 1）气象因素：）气象因素： 降雨 P 降雨强度、历时和分布：直接影响产流。直接影响产流。 蒸发 E 雨间蒸发：有效雨量减少；有效雨量减少； 雨后蒸发：将影响到流域土壤蓄水量消退的快慢 。 4.3 流域产流分析 4.3 流域产流分析 影响产流的主要因素影响产流的主要因素 2 2）下垫面因素）下垫面因素 流域土壤的性质和结构; 植被率; 坑洼状况; 地下水埋深等 4.3 流域产流分析-4.3.1 包气带对水分 的再分配作用 包气带是土壤颗粒、水分和空气同时存在的三相 系统，它具有吸收、存储和传输水分的功能，因 此对降雨具有调节和再分配的作用。 包气带地面对降雨的再分配作用 包气带土层对下渗水量的再分配作用 4.3 流域产流分析-4.3.1 包气带对水分 的再分配作用 1.包气带地面对降雨的再分配作用 根据降雨强度i和地面下渗能力fp的大小关系，包气带地 面把其所承受的降雨划分为下渗的水量I和地面径流RS两 个部分。 u当ifp，则实际下渗率为fp，其余部分(i-fp)形成地面径流 ； u当ifp ，则全部降雨都渗入土壤中。 其中： i- 降雨强度 fp -某时刻地面的下渗能力 4.3 流域产流分析-4.3.1 包气带对水分 的再分配作用 2.包气带土层对下渗水量的再分配作用 u当(I-EWm -W0)时，表明降雨结束时包气带达到田 间持水量，下渗水量中的I-E-(Wm -W0)在重力作用 下成为重力水RG。因此：I=E+(Wm -W0) +RG u当(I-EWm -W0)时，表明降雨结束时包气带含水量 We未达到田间持水量，下渗水量全部被包气带土壤 吸收，因此：I=E+(We -W0) u其中Wm为包气带蓄水容量， W0为降雨开始时包气 带的起始蓄水量。 4.3 流域产流分析-4.3.1 包气带对水分 的再分配作用 3.蓄满产流和超渗产流 超渗产流：雨末包气带未达到田间持水量，仅当降雨强 度大于下渗强度才产生地面径流的产流形式。根据水量 平衡方程: P=E+(We -W0) +RS 蓄满产流：雨末包气带达到田间持水量，下渗的雨量形 成地面径流，超渗的雨量形成地面径流的产流形式。根 据水量平衡方程: P=E+(Wm -W0) +RS+RG 4.3 流域产流分析-4.3.1 包气带对水分 的再分配作用 判定标准为： 1.雨末包气带是否达到饱和 2.是否产生重力水RG 我国湿润地区，一般很容易在一次降雨中达到田 间持水量，故产流方式以蓄满产流为主。 我国干旱地区，一般没有可能在一次降雨中达到 田间持水量，故产流方式以超渗产流为主。 4.3 流域产流分析-4.3.1 包气带对水分 的再分配作用 产流方式对比分析 编号对比分析内容蓄满产流超渗产流 1多年平均降雨量1000mm0.4 Wmm时，为全流域产流 全流域产流时 式中： 为流域最大的蓄水量 为流域降雨前的初始蓄水量 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 （2） 流域蓄水量计算 产流计算过程中，需确定出各时段初的流域蓄水量 。设一场暴雨起始流域蓄水量为Wt，时段末流域蓄 水量计算公式如下： pWt+ t、 Wt为时段初、末流域蓄水量（mm） pPt为时段内流域的面平均降雨量（mm） pRt为时段内的产流量（mm） pEt为时段内流域的蒸散发量（mm） 蒸散发量Et ，常采用以下三种模型进行计算： 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 一层模型 该模型假定流域蒸散发量与流域蓄水量成正比： Emt为时段内流域的蒸散发能力，(mm） Wm为流域蓄水容量 ，(mm） 该模式的结构与土壤含水量的垂直分布不完全与实际情况 相符，对久旱之后下一场小雨且土壤含水量较少时，误差较 大。 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 二层模型 该模型把流域蓄水容量Wm为分为上下二层， Wm= WUm + WLm ；实际蓄水量也相应分为上下 二层， Wt= WUt + WLt 。 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 假定：下雨时，先补充上层缺水量（WUm-WUt ），满足上层后再补充下层；蒸散发则先消耗上 层的WUt，蒸发完了再消耗下层的WLt。上层按 蒸散发能力蒸发，下层的蒸散发量假定与下层蓄 水量成正比，即： 含水量 E WUWUm m WU WU 上层 WLWLm m WL WL 下层 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 p 当Pt+WUtEMt 时 EUt= EMt，ELt=0， Et= EUt+ ELt p 当Pt+WUtEMt 时 EUt=Pt+ WUt， ELt=（EMt- EUt）WLt/WLM， Et= EUt+ ELt 该模式没有考虑当下层土壤水分蒸发完之后，深层水分 对蒸散发的补给。 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 三层模型 该模型把流域蓄水容量Wm分为上、下和深三层， Wm= WUm + WLm + WDm ；实际蓄水量也相应分为 上下三层， Wt= WUt + WLt + WDt。 前两层蒸散发与二层模型相同，但只能用于ELtC （EMt- EUt），其中C为深层蒸散发系数。 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 p 当ELtC（EMt- EUt），即WLt/WLM C 时： 用二层模型 p 当ELtfc时，（i-fc） 形成地面径流，fc形成地下径流。 对于一场降雨，产生的地下径流总量为： 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 上式表明只要知道流域的fc，就可以把时段产流 量划分为地面、地下两部分。 推求fc可以利用实测的降雨径流资料，计算本次 降雨的径流过程，并分割出相应降雨过程的地面 和地下径流过程，加上相应的蒸散发过程，由上 式反推。 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 已知RG=38.1mm（由流量过程线分割得到） 先假设fc=2.0mm/h，有： 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 再设fc=1.6mm/h，有： 与38.1mm相近，因此确定该场洪水的fc=1.6mm/h。 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 已知下表，按fc=2.3mm/h，求地面、地下净雨过程。 4.4 产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计 算 fc确定之后，按下述方法划分地面、地下净雨。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 1. 超渗产流模型概述 在干旱半干旱地区，地下水埋藏很深，流域 的包气带很厚，缺水量大，降雨过程中的下渗的 水量不易使整个包气带达到田间持水量，所以不 产生地下径流，并且只有当降雨强度大于下渗强 度时才产生地面径流，这种产流方式称为超渗产 流。关键是确定流域下渗的变化规律。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 下渗过程分为初损、不稳定下渗和稳定下渗三个阶段。 初损阶段：土壤分子力作用，下渗率大。 不稳定下渗阶段：毛管和重力作用，下渗率逐渐递减并 趋于稳定。 稳定下渗阶段：重力作用， 稳定下渗率fc。 初渗阶段，降 雨全部损失， 不产流。 i0f，产流R if，下渗损失 后损 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 2.由损失累计曲线推求下渗曲线 霍顿下渗公式 对其进行积分 式中，Fp(t)为t时刻的累计下渗水量，即累计损 失量，也就是土壤含水量Wt。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 每次实际雨洪后的流域土壤含水量 及相应的下渗历时必是累计损失曲线上的一点。 因 此可根据历年降雨径流资料得出Fp(t)t的经验关系 曲线，并拟合成累计损失Fp(t)的经验公式，对其进 行微分即为下渗曲线。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 3.初损后损法计算地面净雨过程 初损后损法是一种超渗产流模型。该模型将降雨 径流损失过程分为初损和后损两部分，综合分析 初损和后损的变化规律，在设计洪水或预报洪水 时利用这种规律来由暴雨推求地面净雨过程 。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 （1）基本原理 初损后损法将下渗损失过程 简化为初损后损两个阶段，如图 7.5.1所示。 初损：降雨开始到出现超渗产 流时，历时t0，降雨全部损失， 包括初期下渗，植物截留，填洼 等。 后损：产流以后损失阶段，超 渗历时ts内的平均下渗能力。 图7.5.1 初损、后损示意 图 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 由水量平衡原理，净雨深用下式计算： 图7.5.1 初损、后损示意图 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 各场暴雨的初损I0及平均后渗率 并不相同，对 于洪水预报及洪水设计，应通过实测暴雨洪水资 料分析它们的变化规律，然后再依预报及设计的 具体情况，确定相应的初损I0及平均后渗率，从 而进一步由降雨过程推算净雨过程。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 （2）初损I0的确定 (2-1)由实测资料分析各场洪水的初损I0 流域较小时，降 雨基本一致，洪 水过程线起涨点 前的累积雨量就 是初损。 对于较大的流域 ，可在其中找小 流域水文站按上 述方法确定。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 （2）初损I0的确定 (2-2)综合分析的变化规律 利用实测雨洪资 料，分析各场洪 水的I0及相应的 流域起始蓄水量 W0 (Pa,0 )，初损 期的平均雨强， 并建立相关图， 如左图 。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 （2）初损I0的确定 (2-2)综合分析的变化规律 由于植被和土地 利用具有季节性 变化特点，初损 量I0还受到季节 的影响。因此， 也可以建立如左 图所示的以月份 为参数的初损相 关图。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 （3）平均后损率的确定 （3-1）由实测资料分析各场洪水的平均后损率 平均后损率的计算式为: 对于实测暴雨洪水，P、Rs和I0为已知，P、ts、 平均后损率均与降雨过程有关，可以采用类似4- 4-2节的试算方法，求平均后损率。 4.4 产流计算-4.4.3 超渗产流的产流量计 算 （3）平均后损率的确定 （3-2）综合分析后损率的变化规律 一次降雨过程中，由于后损是 初损的延续，初损量越大，土壤 含水量越大，则后损能力越低， 后损下渗率就越小，所以后损下 渗率不仅与流域起始土壤含水量 W0有关，而且与初期降雨特性 有