农水工程水文第4章产汇流

第四章流域产汇流分析与计算,第一节概述,一、流域产汇流计算的基本内容与流程由流域降雨推求流域出口的流量过程，大体可分为两步：产流计算：降雨扣除植物截留、蒸发、下渗、填洼等各种损失之后，剩下的部分称为净雨，在数量上等于它所形成的径流深，也称为产流量，降雨转化为净雨的过程为产流过程，关于净雨的计算称为产流计算。,汇流计算：净雨沿着地面和地下汇入河网，然后经河网汇流形成流域出口的径流过程，关于流域汇流过程的计算称之为汇流计算。,产流计算的方法因产流方式不同而异，分别有蓄满产流方式和超渗产流方式的产流计算方法；汇流计算方法的重点是时段单位线法和瞬时单位线法。无论产流计算还是汇流计算，基本思路都是：先从实际降雨径流资料出发，分析产流或汇流的规律；然后，用于设计条件时，则可由设计暴雨推求设计洪水，用于预报时，则由实际暴雨预报洪水。,二、次洪水过程的分割及计算,1.流量过程的分割观测到的次洪流量过程包括：(a)本次降雨形成的地面径流、壤中流、地下径流；(b)前期洪水尚未退尽的水量及非本次降雨补给的深层地下径流；(c)若该次洪水尚未退完又遇降雨，还会有后期洪水混入。,实测流量过程示意图（曲线下方数字为洪号）,流量过程的分割有两项工作：一是将非本次降雨形成的径流分割出去，求出本次洪水的径流总量。二是由于不同水源的水流运动规律不同，所以还需将本次洪水径流总量划分为不同的水源。,流量过程分割的依据是流域退水曲线。,1.流量过程的分割（续）(1)流域退水曲线的推求绘制流域退水曲线的具体步骤如下：以相同的比例尺，在方格纸上绘出各场洪水的退水流量过程线；用一张透明纸描绘出最低的退水过程线；,将此曲线移到另一场洪水的退水段，在保持时间坐标重合的条件下左右移动透明纸，使方格纸上的退水过程线的后部与透明纸上的退水过程线相重合，并把它也描绘在透明纸上；,逐一描绘各场洪水的退水流量过程线，最后作光滑下包线，就构成流域地下水退水曲线。各次退水过程求平均，得到流域平均退水曲线。,1.流量过程的分割（续）(2)次洪划分当洪水的起涨流量小于后继洪水的起涨流量时，用流域平均退水曲线将退水过程延长到与起涨流量相等。,用矩形法求面积，则：,Q,t,1.流量过程的分割（续）(3)水源划分最常用的是斜线分割法。首先在退水曲线上找到直接径流的终止点；将起涨点A与直接径流终止点B直线相连，AB线以上为直接径流WS，以下为地下径流Wg，其地面径流深RS、地下径流深Rg只要分别除以流域面积F即可得到。,第二节产流的分析与计算,一、包气带对降水的再分配作用,包气带中孔隙和裂隙等具有吸收、储存和输送水分的功能。1.包气带地面对降雨的再分配作用降雨到达地面以后，一部分消耗于植物截留、蒸发、填洼等损失，剩下部分被分成两部分：超过地面下渗能力(容量)部分留在地表，其余部分渗入地下。分配的结果是将雨水分为地面和地下两个部分。即：,一、包气带对降水的再分配作用（续）,对一场总降雨量为P的降雨过程来说，雨强时大时小，有时ifp，有时ifp，下渗到包气带土层中的水量I为：,而形成的地面径流RS为：,根据水量平衡原理，显然有：,一、包气带对降水的再分配作用(续),2.土层对下渗水量的再分配作用下渗水量一部分以蒸发形式逸出地面，剩余部分又被分成两部分：首先补充土壤缺水，超过包气带蓄水容量部分成为自由重力水。,若雨后包气带达到田间持水量，则：I=E+(WM-W0)+RG若雨后包气带未达到田间持水量，则：I=E+(We-W0)其中：W0降雨开始时包气带蓄水量；We雨末包气带蓄水量；E蒸发量；RG包气带中能自由运动的重力水。,一、包气带对降水的再分配作用(续),3.蓄满产流包气带土壤含水量达到田间持水量前(即未蓄满)不产流，降雨全部被土壤吸收，补充包气带缺水量；包气带土壤含水量达到田间持水量后(即蓄满)开始产流，之后的降雨扣除蒸发后全部形成净雨。这种产流方式称为“蓄满产流”。,4.超渗产流干旱和半干旱地区，地下水埋藏深，流域包气带很厚，缺水量大，降雨过程中下渗的水量不易使整个包气带达到田间持水量，很少产生壤中流或地下径流。但当雨强超过土壤下渗能力时会产生地面径流。这种产流方式称为“超渗产流”。,二、蓄满产流与降雨径流相关图法,1.蓄满产流量的计算公式在蓄满产流条件下，由水量平衡方程知：,式中:x一次降水的流域面雨量(mm)；Pa降雨开始时刻流域的土壤含水量(mm)；Im流域的最大蓄水量(mm)；I一次降水的损失量，等于Im-Pa(mm)；y本次降水形成的总径流深，包括地表和地下径流。,2.Pa的计算,降雨开始时，流域内包气带土壤含水量的大小直接影响降雨损失的大小。,严格讲，Pa不完全等同于土壤含水量。但它也能反映流域土壤的干湿程度，工程水文计算中用Pa代表土壤含水量。Pa也称为前期影响雨量，其值取决于前期降水对土壤的补给量和蒸散发对土壤含水量的消耗量。,若t日无雨，显然Pt=Rt=0；若t日有雨，因Rt难以确定，实际计算时仍按Rt=0处理，并以Pa不超过流域最大蓄水量Im为控制。若流域较大，Pa值应按雨量站分块计算，全流域Pa值由各块Pa值加权平均。,Pa的经验计算公式：Pa,t+1=K(Pt-Rt)+KPa,t式中：Pa,t+1第t+1日开始时刻的前期影响雨量；Pa,t第t日开始时刻的前期影响雨量；Pt第t日的降雨量；Rt第t日的产流量；K土壤含水量的日折减系数。,Im可根据水量平衡原理确定。闭合流域水量平衡方程：P-R-E=W选前期十分干旱，雨末蓄满的一次降雨产流过程的雨洪资料分析得到。因前期干旱，雨末蓄满，故W初0，W末Im，Im=P-R-E。（Im，P，R，E的单位均为mm）,3.Im的确定,流域最大蓄水量又称流域蓄水容量。包气带含水量中有一部分水在最干旱的自然状况下也不可能被蒸发掉，包气带蓄水容量是包气带达到田间持水量时的蓄水量与最干旱时的蓄水量之差。数值上等于包气带最干旱时的缺水量。,4.土壤含水量日折减系数KK综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性。流域蒸散发一方面取决于蒸散发能力Zm，另一方面取决于供水条件（即流域蓄水量），假定流域蒸散发量Z与两者呈线性正比关系，若第t日不降雨，则根据水量平衡方程：,4.土壤含水量日折减系数K(续)算例：某流域经分析求得Im=100mm，6、7月份多年平均的流域日蒸散发能力为5.6mm/d和6.8mm/d，试计算下表中6月25日7月5日的逐日Pa值。,土壤含水量日折减系数K(算例),2日8:00至3日8:00雨量,=0.932(77.4+20.2),=0.932(90.9+21.9),=0.93283,5.相关图的制作降雨径流相关图是用每场降雨流域的面平均雨量P和相应产生的径流量R，以及影响径流形成的主要因素建立的一种定量的经验关系。主要因素包括：前期影响雨量Pa、降雨历时、降雨强度等。最常用的是R=f(P，Pa)的三变数相关图。,PPaR相关图具有以下特征：(1)Pa曲线簇在45直线的左上侧，Pa值越大，越靠近45线，即降雨损失量越小；(2)每一Pa等值线都存在一个转折点，转折点以上的Pa线呈45直线，转折点以下为坡度大于45的曲线；(3)Pa直线段之间的水平间距相等。,6.相关图的应用相关图是依据次降雨量与次洪径流总量建立的定量关系。应用中不仅可用于洪水径流总量的预报，也可用于逐时段的净雨量的推求。,Pa,P,R,0,按蓄满产流方式，一次降雨所产生的径流总量包括地面径流和地下径流两部分，在推求洪水过程线时要分别处理。即将净雨h分成h地面和h地下。,6、稳定下渗率fc的确定及水源划分,当流域降雨使包气带缺水得到满足后，全部降水形成径流，其中按稳定下渗率fc入渗的水量形成地下径流，降雨强度超过稳定入渗的那部分水量形成地面径流。在水源划分中，fc是一个重要参数，它是土壤、地质、植被等的综合反映，可根据实测雨洪资料分析得到。,6、稳定下渗率fc的确定及水源划分（续）,首先要推求出一次洪水的地下径流总量y下，及相应的降雨过程xtt，净雨过程htt。然后采用试错法确定fc，具体步骤与算例见教材P46表4-3。,为保证精度，宜选产流计算误差小的洪水。分析多次洪水，定出流域平均的fc值。,当根据实测雨洪资料确定了稳定下渗率fc后，就可以对已知的净雨过程划分水源了。,三、超渗产流的产流量计算,1、下渗强度曲线法主要步骤：（a）设下渗能力只与土壤含水量有关，与其垂向分布无关，即Paf关系单一。由实测雨洪资料确定Paf关系；,（b）根据降雨开始时的Pa0查fp1，i1与fp1对比，确定第1时段的实际下渗量f1与净雨量y1，Pa1=Pa0+f1,（c）根据Pa1查fp2，i2与fp2对比，确定第2时段的实际下渗量f2与净雨量y2，Pa2=Pa1+f2（如此循环）,时分iPafpfy地面16080.30.02.60.3016090.30.32.60.3016100.30.62.60.3016110.30.92.50.3016121.01.22.51.0016131.02.22.41.0016141.93.22.31.9016151.95.12.01.9016161.97.01.91.9016171.98.91.71.70.216183.310.61.61.61.7,教材第49页例题,2、初损后损法将损失分成两部分，产流前的损失称为初损（I0）。产流后的损失称为后损，后损由产流历时内的下渗量（数值上等于产流历时内平均下渗强度产流历时）和后期不产流的雨量两部分组成。,初损,平均下渗强度,产流历时,后期不产流雨量,a)初损值的确定建立PaI0的关系，必要的话以雨强或月份为参数建立关系。,2、初损后损法（续）PaI0的关系可根据实测雨洪资料分析得到。具体来说，对每场降雨，按照前面介绍的方法计算降雨开始时的Pa，取流域出口断面流量起涨点前的累积雨量作为I0。根据多组（Pa，I0）确定PaI0关系。,b)平均下渗强度的确定在初损确定后，产流历时内的平均下渗强度可按下式计算：,后期不产流的降雨历时,降雨开始至流量起涨点的历时,初损、后损方案确定后，就可以由已知的降雨过程推求净雨过程了。（教材P51例题）,第三节流域汇流的分析与计算,流域汇流分析计算的基本内容：在分析计算流域内净雨过程和相应的流量观测资料的基础上，拟定流域的汇流方案。利用拟定的汇流方案推求出口断面的流量过程。,流域汇流是指，在流域各点产生的净雨，经过坡地和河网汇集到流域出口断面，形成径流的全过程。,同一时刻在流域各处形成的净雨到达流域出口断面的距离有远有近、流速有大有小，所以不可能全部在同一时刻到达流域出口断面。,一、单位线,采用单位线法进行汇流计算基于以下假定：(1)倍比假定：如果单位时段内的净雨不是一个单位而是k个单位，则形成的流量过程是单位线纵标的k倍。(2)叠加假定：如果净雨不是一个时段而是m个时段，则形成的流量过程是各时段净雨形成的部分流量过程错开时段叠加。,用单位线推求地面径流过程的例子见教材P55。,(a)从实测资料中选降雨、洪水过程，要求雨型和洪水呈单峰，洪水起涨流量小，过程线光滑；(b)推算净雨过程和分割地面径流，要求地面净雨深等于洪水过程的地面径流深；(c)解线性代数方程组求不同时刻单位线的纵坐标。,二、单位线(续)2.分析法推求单位线的步骤,检查单位线的总量是否是10mm，一般要求计算误差小于或等于0.1mm。,因净雨量的计算误差、流量的测验误差以及净雨量的时空变化等原因，各种误差的积累常使单位线后段的纵标出现锯齿形