工程水文第四章-2-3

1,上节回顾,4.2降雨径流要素计算一、流域降雨分析雨强过程线和累计雨量过程线流域平均降雨量计算二、径流量计算流量过程线的分割及不同水源的划分三、前期影响雨量前期影响雨量Pa，流域最大蓄水量WM,2,内容提要,下垫面如何分配降雨,根据下垫面对降雨的分配，有哪几种产流形式,不同产流形式下流域产流面积如何变化,4.3流域产流分析,3,4.3流域产流分析,1.什么是产流径流形成过程可概括为：降雨过程扣除损失净雨过程流域汇流流量过程；降雨转化为净雨的过程称产流过程；净雨转化为河川流量的过程称汇流过程。,4,4.3流域产流分析,产流是流域中各种径流成分的生成过程，其实质是降雨在下垫面运行过程中，下垫面对降雨的再分配过程。,5,1）气象因素：降雨P降雨强度、历时和分布：直接影响产流。蒸发E雨间蒸发：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,2）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,2.影响产流的主要因素,6,4.3.1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,土层中包气带和饱和带示意图,下垫面如何分配降雨,7,4.3.1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，包气带地面把所承受的降雨划分为下渗水量I和地面径流RS两个部分。,当ifp，实际下渗率为fp，其余部分(i-fp)形成地面径流,当ifp，则全部降雨都渗入土壤中,8,4.3.1包气带对水分的再分配作用,当(I-EWm-W0)时，表明降雨结束时包气带达到田间持水量Wm，下渗水量中的I-E-(Wm-W0)在重力作用下成为重力水RG。I=E+(Wm-W0)+RG,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。I=E+(We-W0),2.包气带土层对下渗水量的再分配作用,9,4.3.2基本产流形式,自然界有两种基本产流形式：蓄满产流和超渗产流。,根据包气带对降雨的再分配作用，有哪几种产流形式,10,4.3.2基本产流形式,1.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能力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,产流条件：降雨强度i大于下渗能力fp，雨末We未达到蓄水容量Wm,决定因素：降雨强度i和下渗能力fp,11,4.3.2基本产流形式,2.蓄满产流雨末包气带达到田间持水量，下渗的雨量形成地下径流，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,产流条件：雨末包气带达到蓄水容量Wm,决定因素：降雨量P和土壤前期含水量W0,12,4.3.2基本产流形式,3.判定标准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。,13,4.3.2基本产流形式,4.产流方式对比分析,14,4.3.2基本产流形式,判断：哪个站是蓄满产流，哪个站是超渗产流？,15,4.3.3产流面积的变化,在降雨过程中，流域上产生径流的区域称为产流区，其面积称为产流面积。,单点产流,流域产流,不同产流形式下流域产流面积如何变化,16,4.3.3产流面积的变化,1.蓄满产流情况下产流面积的变化流域蓄水容量曲线：流域内各点包气带的蓄水容量Wm是不同的。流域蓄水容量曲线是表示蓄水容量与小于或等于该蓄水容量的累计面积同全流域面积的比值的对应关系曲线。,17,4.3.3产流面积的变化,将全流域各点的Wm从小到大排序，计算小于和等于某一值各点的面积之和FR占全流域面积的比重(=FR/F)，即可绘出关系曲线。,01,蓄水容量Wm,最大点蓄水容量Wmm,Wmm,流域最大蓄水量可用下式计算：,18,蓄满产流情况下流域产流面积的变化情况分析,产流面积变化特点：随着降雨量的增加，产流面积也随之增加；产流面积增加与降雨强度无关；,1.0,3,2,1,0,t,降雨柱状图,产流面积变化,P,t,19,4.3流域产流分析-4.3.3降雨径流关系,对蓄满产流方式，根据流域蓄水容量曲线，可求出降雨径流曲线。,20,4.3流域产流分析-4.3.3降雨径流关系,降雨径流关系曲线的形态取决于流域蓄水容量曲线。P相同时，W0愈大，损失愈小，产流量R越大。降雨径流关系曲线族的上段表现为一组45角的平行线。,21,4.3流域产流分析-4.3.2产流面积的变化,2.超渗产流情况下产流面积的变化下渗容量面积分布曲线：对流域某一起始蓄水容量W0，流域各点的下渗能力fp不同。将全流域各点的fp从小到大排序，以fp为纵坐标，以小于等于某一值的累计面积FR占全流域面积的比重(=FR/F)为横坐标，即可绘出某一起始蓄水容量W0下的下渗容量面积分布曲线。,22,4.3流域产流分析-4.3.2产流面积的变化,下渗容量分布曲线是一组以W0=0为上包线，W0=WM为下包线的曲线族。可用函数表示：,上包线,下包线,23,4.3流域产流分析-4.3.2产流面积的变化,下图超渗产流情况下流域面积变化曲线。图中：流域起始蓄水量变化：W0W0+I1W0+I1+I2下渗容量面积曲线：不断向下移动,a1,a2,a3,24,4.3流域产流分析-4.3.2产流面积的变化,产流面积的变化特点：随着降雨历时的增长，产流面积时大时小产流面积的大小与时段初流域蓄水量及降雨强度有关。,25,内容小结,本节介绍了自然界中两种基本产流形式，并建立了产流理论的基本概念：包气带对降雨的再分配作用包气带地面：i？fp包气带土层：(I-E)？(Wm-W0)两种基本产流形式蓄满产流：P=E+(Wm-W0)+RS+RG超渗产流：P=E+(We-W0)+RS两种产流形式的对比（产流条件，决定因素）不同产流形式下产流面积如何变化,26,4.4产流计算-4.4.1降雨径流相关法,降雨径流相关法：在成因分析与统计相关相结合的基础上，用每场降雨过程流域的面平均雨量和相应产流的径流量，以及影响径流形成的主要因素建立起来的一种定量的经验关系。影响降雨径流关系的主要因素有：前期影响雨量Pa或流域起始蓄水量W0降雨历时降雨强度暴雨中心位置,27,4.4产流计算-4.4.1降雨径流相关法,1.PPaR三变量相关图法以次降雨量P为纵坐标、次洪径流深R为横坐标，降雨开始时前期影响雨量Pa为参数建立起来的相关图。适应于湿润、半湿润地区。,28,4.4产流计算-4.4.1降雨径流相关法,该关系图应符合以下的规律：P相同时，Pa愈大，损失愈小，则R愈大。Pa相同时，P愈大，相对于P损失愈小，径流系数愈大，则R愈大，因此PR线的坡度随P的增大而减缓。在关系线的上段表现为一组平行线。,29,应用PePaR相关图可以推出各时段径流量。例如，某次降雨前Pa=58mm，共降雨4个时段，各时段雨量分别为P1,P2,P3,P4,则在Pa=58mm的相关线（红线）上取得1，2，3，4等点，相应的R1，R2，R3，R4就是这4个时段的径流量。,利用PePaR相关图查算时段径流量,4.4产流计算-4.4.1降雨径流相关法,30,2.(P+Pa)R相关图降雨径流相关关系也可以简化成Rf(P+Pa)的形式。必须指出，建立经验的相关图，必须有足够的实测资料，才能反映出不同降雨特性和流域特征的综合经验关系。,4.4产流计算-4.4.1降雨径流相关法,31,4.4产流计算-4.4.1降雨径流相关法,3.多变量降雨径流相关图以W或Pa为参数的三变量相关图，一般只适用于我国湿润地区，对于干旱、半干旱地区，除考虑上述两个因素外，还要考虑降雨历时等更多变量的相关图。,32,4.4产流计算-4.4.1降雨径流相关法,33,1.蓄满产流模型概述蓄满产流模型：赵人俊等人提出，包括用PW0R关系计算净雨过程，确定稳定下渗率和划分地面、地下净雨的方法。包气带土壤含水量达到田间持水量之前不产流，这时称为“未蓄满”，此前的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时，称“蓄满”，蓄满后开始产流，此后的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨。,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,34,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,因为只有在蓄满的地方才产流，所以产流期的下渗为稳定下渗率fc。下渗的雨量形成地下径流，超渗的雨量成为地面径流。,35,2.蓄满产流的产流量计算（1）产流量计算公式蓄满产流以满足包气带缺水量为产流控制条件。由于流域上不同的点，蓄满有早有晚，产流有先有后，所以还要考虑降雨开始时流域的蓄水分布情况（即流域蓄水容量分布曲线），求得各点缺水量在流域上的分布，累计得流域的净雨深R。,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,36,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,根据经验表明，蓄水容量曲线可用B次抛物线来表示：其中B和Wmm为流域的参数,37,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,当降雨前，流域包气带土壤层已有蓄水量为0，流域内蓄水量的增量W的计算式应为：,38,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,根据水量平衡原理：局部产流全流域产流当全流域产流的径流量的计算式为:式中为流域最大的蓄水量。,39,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,当降雨前，流域包气带土壤层已有蓄水量为W0，蓄满产流的计算,40,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,降雨前已有的流域蓄水量W0:降雨后引起流域蓄水量的增量W：径流量:,41,当(P-E)+aWmm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,42,（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：Wt+t、Wt为时段初、末流域蓄水量（mm）Pt为时段内流域的面平均降雨量（mm）Rt为时段内的产流量（mm）Et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,43,4.4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。,44,4.4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。,45,4.4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：,46,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,当Pt+WUtEMt时EUt=EMt，ELt=0，Et=EUt+ELt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。,47,4.4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深三层，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。,48,4.4产流计算-4.4.2蓄满产流的产流量计算,当ELtC（EMt-EUt），即WLt/WLMC时：用二层模型当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,52,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,53,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,54,4.4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。,55,4.4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。,56,4.4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。,57,4.4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。,58,4.4产流计算-4.4.3超渗产流的产流量计算,下渗过程分为初渗、不稳定下渗和稳定下渗三个阶段。初渗阶段：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。,59,初渗阶段，降雨全部损失，不产流。i0f，产流Rif，下渗损失,60,4.4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。,61,4.4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。,62,4.4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。,63,4.4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,64,4.4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,65,4.4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。,66,4.4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，由于汇流时间短，出口断面的起涨时刻大体可作为产流开始时刻，因此起涨点前的累积雨量就是初损。对于较大流域，流域各处至出口断面的汇流时间差别较大，可根据雨量站位置按各自的汇流时间算出各自产流开始时刻，取该时刻之前各站累计雨量的平均值或最大值作为初损