水 文 学 原 理(十二流域产流)

第十二章流域产流 Contents 山坡流域的分类 1 流域产流特征的分析 2 产流面积的变化 3 蓄满产流总径流量计算 4 总径流量的划分 5 超渗地面径流量计算 6 Introduction 1 Definition 降落在流域上的具有一定时空分布的降水 扣除损失后 在重力作用下 从地面和地下向流域出口断面汇集的水流现象称为 2 径流量 深 降水量扣除损失量的余额称为 降水量扣除蒸散发量的余额称为径流量 又称为净雨量 3 径流量的时程分配降水的时程分配扣除损失量的时程分配的结果称为 又称净雨量的时程分配 2 降雨径流形成过程 流域上承受一场具有一定时空分布降雨后 在其出口断面形成流量过程 1 现象描述 降水 2 降雨径流形成过程 2 降雨径流形成的子过程 在产流物理条件支配下 产生径流量的子过程 发生在坡地上 结果产生各种径流成分径流量及其时程分配 流域产流 各种径流成分分别沿地面和地下向河网汇集的过程 发生在坡地上 结果产生河网总入流 坡地汇流 地面 壤中水 地下水径流汇流 河网总入流加上河网水面降水向流域出口断面汇流的子过程 发生在河网中 结果就是出口断面流量过程 河网汇流 1山坡流域的分类 2流域产流特征的分析 流域所处气候条件 1 典型山坡流域的包气带结构和水分动态 2 出口断面流量过程线的形状 退水规律 3 流域中地下水动态特点 4 影响次降雨 径流关系的因素 5 Keypoints 流域产流特征的分析应力求综合 相辅相成 不宜孤立地 静止地看问题 2流域产流特征的分析 流域面积601km2 流域内雨量丰沛 气候湿润 植被良好 有较大的森林覆盖面积 流域坡度大 土层薄而疏松 糙率较大 阻水明显 河谷地带土层相对较厚 且由于其临近河流 土壤常年比较湿润 流域内灰岩在上 页岩在下 走向大体指向河流 裂隙不够发育 透水性较差 枯季流量不大 历年最枯流量大约只有3m3 s 枯季退水慢而稳定 由于流域内地面高程变化大 故气温 降雨和蒸散发的垂直变化规律比较明显 长江三峡地区沿渡河流域 2流域产流特征的分析 由于一个流域的径流形成特点取决于流域的降雨特征和下垫面特征 而流域出口断面流量过程线则是两方面特征的综合产物 因此 通过对流量过程线的多方面分析 一般可获得关于流域径流形成的一些重要信息 2流域产流特征的分析 次洪过程线大都是正偏 说明流速大的径流成分比流速小的径流成分少 中等洪水尤其如此 长期无雨的退水段 流量小而稳定 说明存在比例不太大的地下水径流成分 年初流量大体与年末流量相当 说明本年度降雨形成的地下水径流大体上能在当年流出 流动十分缓慢的地下水 如深层裂隙水可能很少 2流域产流特征的分析 大雨强形成的洪水过程线陡涨缓落 不对称性大 小雨强形成的洪水过程缓涨缓落 对称性较好 这表明各次洪水的地面径流比重随雨强有较大的差异 2流域产流特征的分析 初步结论是 沿渡河流域的总径流中主要径流成分是壤中水径流 其次是地面径流和存在于裂隙中的地下水径流 对于小洪水 由于雨强不大 仅在坡脚 河边等易饱和地方产生饱和地面径流 所以地面径流的比重较小 对于大洪水 由于雨强大 先超后满 型的地面径流就比较易于发生 对于前期干旱的大强度暴雨 甚至会形成相当数量的 先超后满 型地面径流 所以大洪水的地面径流比重就相对大得多 这当中 流域的坡度也要起一定作用 3产流面积的变化 1 现象及原因 降雨过程中 流域上产生径流的部分称为产流区 产流区所包围的流域面积称为产流面积 Keypoints 产流面积是逐渐变化着的 Cause 降雨空间分布不均匀下垫面条件空间分布不均匀 3产流面积的变化 降雨开始前 河流中的水量主要来自流域中包气带较厚的中下游地区的地下水补给 降雨开始后 流域中易产流的地区先产流 因此河流中的水量主要来自于易产流地区 这些易产流地区主要是土层浅薄的地区 或河沟附近土壤含水量较大的地区 或雨强大的地区 这时河沟开始逐渐向上游延伸 河网密度开始增加 随着降雨的持续 产流面积不断扩大 河网密度不断增加 从而组成了不同时刻的出口断面流量过程线 3产流面积的变化 流域内各点包气带的蓄水容量是不同的 将各点包气带蓄水容量从小到大排列 以包气带达到田间持水量时的土壤含水量Wm 为纵坐标 以流域内小于等于该Wm 的面积占全流域的面积比a为横坐标 所绘的曲线称为流域蓄水容量面积分配曲线 1 流域蓄水容量面积分配曲线 2 蓄满产流条件下总径流的产流面积变化 Wm 流域蓄水容量曲线 0 流域的蓄水容量流域的最大持水量最大流域蓄水量 流域蓄水容量曲线 3产流面积的变化 2 降雨空间分布均匀情况下 蓄满产流总径流产流面积的变化 特点 1 土壤缺水量小 先蓄满的地方先产流 2 产流面积随着降雨继续而不断增大 3 产流面积大小与降雨量和初始土壤含水量有关 与降雨强度无关 流域产流过程示意图 部分面积产流 全面产流 包气带 W0 Wm 3产流面积的变化 3 降雨空间分布不均匀情况下 蓄满产流总径流产流面积的变化 划分成许多子流域每个子流域看成降雨分布均匀分别对子流域讨论后 综合结果 3产流面积的变化 特点 1 上包线 全流域干燥时 W0 0 2 下包线 流域含水量达田间持水量时 W0 Wm 1 下渗容量分配曲线 3 超渗产流地面径流产流面积变化 3产流面积的变化 流域下渗容量分配曲线的基本性质是 1 对于一个流域来说 流域下渗容量分配曲线不是惟一的 而是一组以初始流域土壤含水量W0为参变数的曲线 2 全流域干燥时对应的流域下渗容量分配曲线是流域下渗容量分配曲线簇的上包线 而全流域包气带达到田间持水量时对应的流域下渗容量分配曲线是该曲线簇的下包线 它即为流域稳定下渗率分配曲线 3 该曲线不能给出流域上具体地点的下渗容量 3产流面积的变化 2 降雨空间分布均匀情况下 超渗产流面积的变化 特点 产流面积变化与降雨强度和初始土壤含水量有关 与降雨量无关 3产流面积的变化 超渗地面径流的产流面积变化有下述特点 随着降雨历时的增加 产流面积有时增大 有时减小 产流面积的大小与降雨强度和初始土壤含水量有关 一次降雨过程中 全流域超渗产流与局部流域超渗产流可能是交替出现的 4蓄满产流总径流量计算 1 降雨空间分布均匀情况 1 初始土湿分布与计算 W0 4蓄满产流总径流量计算 2 建立降雨径流关系 4蓄满产流总径流量计算 在计算蓄满产流的总径流量时 通常取计算时段长为1日 对于闭合流域 时段为1日的流域水量平衡方程式为 Pt 本日降雨量 由实测资料给出Wt 本日初之流域土壤含水量 为已知初始条件Et 本日之流域蒸散发量 可根据本日初之流域土壤含水量Wt和本日之蒸散发能力来计算Rt 本日降雨形成的总径流量Wt 1 本日末之流域土壤含水量 PE W0 R相关图 降雨径流相关图上部属流域全面产流状态 满足方程R PE Wm W0 表现为一组平行等距离的450直线 相关图下部属流域部分产流情况 产流量随降雨量减少迅速降低 表现为一组向下凹的曲线 PE W0 R关系图 W0 020406080100 PE mm R mm R1R2R3R4 例 某次降雨前W0 58mm 各时段雨量分别为P1 P2 P3 P4 降雨径流相关图的应用 内插W0 58mm相关线 红线 查得相应的R1 R2 R3 R4 W0 020406080100 58 P mm R mm 已知W0 58mm 降雨径流相关图的应用 3 产流量计算 1 根据前期实测降雨量和蒸散发计算模式 推算本次降雨初始时的流域土湿W0 2 计算本次降雨的流域平均值P 扣除雨期蒸发后得PE值 3 查降雨径流相关图或者根据公式计算R 4蓄满产流总径流量计算 5总径流量的划分 地面径流和地下径流汇流的规律是不相同的 因此 由已知PE求得径流量R后 还需再分成地面和地下两部分 以便进行汇流计算 前面所求的为总径流量R R Rs Rg 5总径流量的划分 一场空间分布均匀的降雨究竟能形成多少地下水径流取决于下面三项因素 1 产流面积 2 产流面积上雨强与稳定下渗率的对比关系 3 稳定下渗率在流域上的空间分布 按照蓄满产流模型 产流面积上 包气带缺水量已经满足 产流量R按稳定下渗率fc下渗 下渗的水量形成地下径流Rg 超过稳定下渗率的部分形成地面径流Rs 只有在产流面积上才有地下径流产生 5总径流量的划分 潜水 fc Rg Rs PE R Rg Rs 5总径流量的划分 PE R Fr Fr R PE 5总径流量的划分 如果已知稳定下渗率fc 可以根据净雨过程划分水源 无地面径流产生 5总径流量的划分 5总径流量的划分 对于fc空间分布不均匀的情况 应采用划分单元面积的方法来进行计算 单元面积根据满足fc大体均匀的条件来划分 例 已知某流域流域降雨径流相关图和稳定入渗率fc 1 5mm h 一次实测暴雨过程如表 1 2 栏 请根据fc将径流划分为地表径流Rs和地下径流Rg fc的应用 径流量的划分 fc的应用 径流量的划分 超渗产流 ifp 一般 干旱地区 降雨强度大 历时短 E可忽略 PE可由P代替 F的确定是关键 6超渗地面径流量计算 考虑流域下渗容量和降雨强度空间分布都是均匀的情况 6超渗地面径流量计算 任何时刻的地面下渗容量取决于该时刻的土壤含水量及其垂线分布 如果假设地面下渗容量只与土壤含水量有关 而与土壤含水量的垂线分布无关 或者说 土壤含水量的垂线分布总是均匀的 则根据流域最干旱情况下的那条下渗曲线就可以求出降雨过程中任何时刻的地面下渗容量 若某时刻土壤含水量为Wt 则按照上述假设 就可求得该时刻的地面下渗容量 这个假设基本上是合理的 因为控制地面下渗容量的主要是地面以下不太深的一个土层 在降雨下渗过程中 这层土壤的含水量的垂线分布是近似均匀的 6超渗地面径流量计算 如果只用一条下渗曲线来计算流域的超渗地面径流量 那么前提应当是流域上土质均匀 包气带厚度大体一致 而且降雨强度的空间分布均匀 用一条下渗曲线 只能计算小流域的超渗地面径流量 若要处理大一些流域的超渗地面径流量的计算问题 就必须把流域划分成许多小单元 并最好使用流域下渗容量分配曲线来计算超渗地面径流量 解决方法是将下渗率随历时变化的曲线fp t 转换成随土壤含水量W变化的曲线fp W fp t fp W 转换 流域上每次降雨的强度并非持续大于下渗率 不能保证充分供水条件 其次是初始土壤含水量不等于0 因此 每次降雨实际下渗曲线是不同的 Wi t fp Wi fp ti 0 ti fp ti 下渗率随历时变化曲线 W fp Wi Wi 下渗率随土壤含水量变化曲线 一 列表计算法 一 列表计算法 二 图解计算法 利用降雨量累积曲线和下渗能力累积曲线推求产流量 降雨量累积曲线的斜率代表雨强i 下渗能力累积曲线的斜率代表下渗能力fp 按不同雨强段 逐段进行比较 F P t