水文学原理课件最新 课件(第十一章.ppt

'第十一章流域产流WatershedRunoffGeneration/Production 本章主要内容引言(Introduction)1流域产流面积的变化(Variationsinrunoffproducingarea)2蓄满产流的流域产流量的计算(Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage)3超渗产流的流域产流量计算(Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration)4 Part1Introduction径流(Runoff)A径流形成过程(Rainfall-RunoffProcess)B Part1Introduction1-1Runoff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径流。1)Definition(定义) Part1Introduction1-1Runoff降水－径流过程中最根本的损失即蒸散发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径流。1)Definition(定义)蒸散发土壤持水耗于蒸散发填洼耗于蒸发或继续下渗截留耗于蒸散发或下渗损失 Part1Introduction1-1Runoff2)径流量降水量扣除损失量余额称为径流量，又称净雨量。径流量的单位：体积单位(m3,万m3,亿m3),谈水资源量时常用m3径流深(RunoffDepth)单位：长度单位(mm),分析降雨径流关系时用mm3)径流量的时程分配(Temporaldistributionofrunoff)降水的时程分配扣除损失量的时程分配之结果称为径流量时程分配，又称净雨量的时程分配。 Part1Introduction1-2Rainfall-RunoffProcess流域上承受一场具有一定时空分布降水后，在其出口断面形成流量过程的现象称为径流形成过程。1)现象描述出流蒸散发坡地河网降水截留填洼土壤持水量地面径流壤中水径流地下水径流汇流汇流汇流 Part1Introduction1-2Rainfall-RunoffProcess2)降雨径流形成的子过程a.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及时程分配—流域产流.c.河网总入流加上河网水面降水向流域出口汇流的子过程，发生在河网，其结果为流域出口断面流量过程—河网汇流.b.各种径流成分分别沿地面和地下向河网汇集的子过程，发生在坡地上，其结果是河网总入流—坡地汇流. Part1Introduction1-2Rainfall-RunoffProcess Part1Introduction1-2Rainfall-RunoffProcess3)两点注记(a)对复杂的问题，为了研究必须简化，但简化必须符合物理规律和精度要求。(b)产流和汇流原本是耦合的过程，为研究方便，将产流、汇流割裂开来。 流域类型土壤、岩石植被、地下水位产流典型流量过程线第Ⅰ类土壤覆盖浅薄下面为岩石植被茂密表土疏松山坡较陡Rsat+Rint+RgRsat+Rint第Ⅱ类包气带厚度中非均质土壤存在地下水位植被良好坡度中等Rs+Rint+Rg第Ⅲ类包气带很厚均质土壤地下水埋深大植被很差Rs第Ⅳ类冲积平原地下水位高地势平坦透水性好Rsat+RgPart1Introduction1-3山坡流域的分类 流域所处气候、地理及下垫面条件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。Part1Introduction1-4流域产流特征的分析 气候、地理和下垫面特征分析流域产流气候下垫面地理Part1Introduction 流域产流气候下垫面地理长年干旱、蒸发量大、土壤缺水量大－超渗产流湿润地区，土壤缺水量少－蓄满产流气候、地理和下垫面特征分析Part1Introduction 流域产流气候下垫面地理植被差、土壤颗粒细、地下水埋深大－超渗产流土壤颗粒大、质地疏松、植被好、地下水埋深浅－蓄满产流气候、地理和下垫面特征分析Part1Introduction 流域产流气候下垫面地理长江以南地区：年降雨量>1000mm，径流系数>0.4—蓄满产流西北干旱地区：年降雨量<400mm，径流系数<0.2—超渗产流其他地区：年降雨量400~1000mm，径流系数0.2~0.4—混合产流区（需综合分析）气候、地理和下垫面特征分析Part1Introduction 流量过程线分析超渗产流和蓄满产流区别？地面径流和地下径流形成流量过程线区别？Part1Introduction 6:146:266:386:507:021959年8月20日团园沟流域洪水过程线0123Q(m3/s)1280Q(m3/s)18:0018:0018:006:006:00t1978年7月29日18:00~8月1日2:00孙水关流域洪水过程线流量过程线分析Part1Introduction 定量描述洪水过程线的对称性－形状不对称系数CSNotes:不对称系数计算要求：1）进行过程线转化2）孤立洪水，不适用于复式洪水CS-不对称系数qt-比例过程线的纵坐标tB-过程线重心的时间t-时间流量过程线分析Part1Introduction 影响降雨-径流关系因素Part1Introduction 编号对比分析内容蓄满产流超渗产流1多年平均降雨量>1000mm<400mm2多年平均径流系数>0.4<0.23流量过程线不对称系数大小4降雨强度对产流的影响小大5影响产流因素初始土湿和降雨量初始土湿和降雨强度6表层土质结构疏松、不易超渗密实、易超渗7缺水量小、易蓄满大、不易蓄满8地下径流比例大比例小9产流与降雨特征关系与降雨量关系密切与降雨强度关系密切定量定性综合性分析综合分析Part1Introduction Part2Variationsinrunoffproducingarea现象及原因(Phenomena&Causes)A蓄满产流条件下总径流的产流面积变化(Variationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage)B超渗产流地面径流产流面积变化(Variationsintherunoffproducingareaofsurfacerunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration)C Part2Variationsinrunoffproducingarea2-1Phenomena&Causes1、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 Part2Variationsinrunoffproducingarea2-1Phenomena&Causes一降雨就认为全流域产流是错误的，或者不全面的，原因在于：a.降雨空间分布不均b.下垫面条件空间分布不均匀（植被、土层厚度、土质等）目前GIS中DEM可很好地考虑降雨、下垫面条件的不均匀性，但这里还是讲解传统的但在实际中应用效果较好的方法 Part2Variationsinrunoffproducingarea蓄满产流(Runoffgenerationonrepletionofstorage)基本产流模式超渗产流(Runoffgenerationinexcessofinfiltration) Part2Variationsinrunoffproducingarea任一地点上，土壤含水量达蓄满（即达田间持水量）前，降雨量全部补充土壤含水量，不产流；当土壤蓄满后，其后续降雨量全部产生径流。由此形成蓄满产流概念产流机理 WWM-W降水RPER=PE-(WM-W)计算公式带包气潜水带蓄满产流计算示意图 Part2Variationsinrunoffproducingarea若一场降雨不能使全流域蓄满，流域内也观测到径流，why?原因：流域内各点包气带厚度不一致，各点蓄水容量（土壤缺水量）也不相同，先蓄满的地方先产流，后蓄满的地方后产流，产流面积是不断变化的，这种产流状态称之部分产流（局部产流），最后逐步过渡到全面产流。蓄水容量曲线(WatershedCapacityCurve) Part2Variationsinrunoffproducingarea2-2VariationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorageN个点,对于任意第i点，测出其包气带田间持水量(体积含水量×土层深度)1)流域蓄水容量曲线(Watershedwatercapacitycurve)将测到的所有从小到大排序：每个点代表的面积是已知的。 Part2Variationsinrunoffproducingarea--流域的最大点蓄水容量--流域最大平均蓄水容量--流域初始平均蓄水量--最大初始点蓄水量2-2Variationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage如果以包气带达到田间持水量时的土壤含水量Wm′为纵坐标，以小于等于该Wm′所占的面积比重f/F为横坐标，则所得到的曲线称为流域蓄水容量曲线 Part2Variationsinrunoffproducingarea流域蓄水容量曲线的特点：①单增曲线②唯一性（对一个固定流域而言，天然条件下）③最小值可以是0（流域中存在不透水区域）2-2Variationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage Part2Variationsinrunoffproducingarea2)在降雨空间分布均匀的情况下，蓄满产流总径流产流面积的变化(Spatialdistributionofrainfalliseven)Start：PE1后：土壤含水量的增加量为PE2后：土壤含水量的增加量为PE3后：土壤含水量的增加量为PE4时，全流域蓄满。2-2Variationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage Part2Variationsinrunoffproducingarea2)在降雨空间分布均匀的情况下，蓄满产流总径流产流面积的变化(Spatialdistributionofrainfalliseven)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。2-2Variationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage 34流域产流过程示意图部分面积产流全面产流包气带W0Wm-W0W0=Wm潜水P Part2Variationsinrunoffproducingarea3)降雨空间分布不均匀的情况下，蓄满产流径流面积的变化把流域分成若干个降雨空间分布均匀的子流域，精度取决于划分区域的大小。如何取得真实的下垫面及降雨量分布？(数字化特征技术，尽可能离散化;雷达测雨)2-2Variationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage Part2Variationsinrunoffproducingarea2-3Variationsintherunoffproducingareaofsurfacerunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration1)下渗容量分配曲线(InfiltrationcapacityCurve)如果以地面下渗容量为纵坐标，以小于等于该地面下渗容量所占的流域面为横坐标，则所得的曲线称为流域下渗容量分配曲线。如图所示。积比重（下渗容量分配曲线下的面积为流域平均下渗容量）下渗容量与（流域初始土壤含水量）有关，，下渗容量分配曲线即为分配曲线。：稳定下渗率（包气带达田间持水量时的下渗率）。 Part2Variationsinrunoffproducingarea2)降雨空间分布均匀情况下超渗产流面积变化特点2-3Variationsintherunoffproducingareaofsurfacerunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration曲线不唯一，随W0而变化，不是随着降雨量变化而变化，而是与降雨强度和初始土壤含水量有关。 Part2Variationsinrunoffproducingarea2-3Variationsintherunoffproducingareaofsurfacerunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration2)降雨空间分布均匀情况下超渗产流面积变化特点特点:(1)随着降雨历时的增加，产流面积有时增大，有时减小。(2)产流面积的大小与降雨强度和初始土壤含水量有关。(3)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。 Part2Variationsinrunoffproducingarea3)降雨空间分布不均匀情况，超渗产流面积变化特点划分子区域降雨空间分布均匀2-3Variationsintherunoffproducingareaofsurfacerunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage总径流量的计算(Computationoftotalrunoff)A径流成分的划分(Separationofrunoffcomponents)B Wm流域蓄水容量曲线0 Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-1Computationoftotalrunoff1、降雨空间分布均匀的情况1)初始土湿分布与计算W0 Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-1Computationoftotalrunoff2)建立降雨径流关系参数E,Wm,b,Wo如何确定？由后续的水文预报课程讲解。1、降雨空间分布均匀的情况RΔW Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage降雨径流相关图及应用PE～W0～R相关图W0PE(mm)R(mm)45。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。 Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage降雨径流相关图及应用W0=020406080100PE(mm)R(mm)R1R2R3R4P4P3P2P1例：某次降雨前W0=58mm，各时段雨量分别为P1,P2,P3，P4。内插W0=58mm相关线(红线)查得相应的R1，R2，R3，R4 Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage降雨径流相关图及应用W0=02040608010058P(mm)R(mm)183863881301058050已知W0=58mmP50302525ΣR18386388ΣP5080105130R18202525 Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-1Computationoftotalrunoff3)产流量计算基本步骤a.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W0b.计算本次降雨的流域平均值P，扣除雨期蒸发后得PE值c.查降雨径流相关图或者根据公式计算R1、降雨空间分布均匀的情况 Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-1Computationoftotalrunoff2、降雨空间分布不均匀情况(Spatialdistributionofrainfallbeinguneven)泰森多边形法把整个流域划分为若干个子流域，认为每个子流域的降雨分布均匀。每个子流域的计算情况同1)情况。 Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-2Separationofrunoffcomponents前面所求的为总径流量R：R=Rs+Rg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。 50潜水fcRgRsPER＝Rg+Rs3-2Separationofrunoffcomponents Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-2Separationofrunoffcomponents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） PERFrFr＝R/PE3-2Separationofrunoffcomponents Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-2Separationofrunoffcomponents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1)基于Horton产流理论的方法--------蓄满后，产生地下径流，其大小由fc控制. Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-2Separationofrunoffcomponents【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。 Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-2Separationofrunoffcomponents月日时PE(mm)R(mm)FrFC(mm)Rg(mm)Rs(mm)(1)(2)(3)(4)(5)(6)81061.40.40.2869.00.40124.31.50.3499.01.50189.73.40.3519.03.20.28202.30.90.3919.00.9063.61.50.4179.01.50125.42.40.4449.02.401828.1160.5699.05.110.983030.130.11.0009.09.021.1610.510.51.0009.09.01.51215.315.31.0009.09.06.318551.0009.05.00合计115.787.047.040.0 Part3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-2Separationofrunoffcomponents2)基于Dunne产流理论的方法饱和含水量—田间持水量=自由水（张力水）右边为具有侧孔和底孔的自由水蓄水库 Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration流域下渗容量和降雨强度空间分布都是均匀的情况A降雨空间分布均匀的情况B降雨空间不均的情况C Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration1.干旱地区流域气候水文特点1气候干燥，多年平均降水量<400mm32洪水过程线涨落接近对称，几乎没有地下径流多年平均径流系数<0.2 Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration这些流域降雨少、土壤缺水量大、一般降雨难以补足土壤缺水产生地下径流，产流只有在雨强大于下渗能力时才产生地面径流2.产流机理 Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-1流域下渗容量和降雨强度空间分布都均匀考虑流域下渗容量和降雨强度空间分布都是均匀的情况只有Rs，不存在划分径流成分的问题。总径流R=Rs Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-1流域下渗容量和降雨强度空间分布都均匀已知未知-需要增加关系或方程才能求解重点研究:下渗关系 Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-1流域下渗容量和降雨强度空间分布都均匀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。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） Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-1流域下渗容量和降雨强度空间分布都均匀Witfp(Wi)=fp(ti)0tifp(ti)下渗率随历时变化曲线 Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-1流域下渗容量和降雨强度空间分布都均匀Wfp(Wi)Wi下渗率随土壤含水量变化曲线 Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-1流域下渗容量和降雨强度空间分布都均匀一、列表计算法 Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-1流域下渗容量和降雨强度空间分布都均匀年月日时分iW0IfpRs××××8090.30.30.3∞0100.30.60.32.600110.30.90.32.540120.31.20.32.500131.02.21.02.470141.03.21.02.340151.95.11.92.250161.97.01.92.030173.38.861.861.861.44183.310.521.661.661.6419…………………………… Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-1流域下渗容量和降雨强度空间分布都均匀二、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： Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-1流域下渗容量和降雨强度空间分布都均匀表示径流量表示下渗量F、PtFp~t∑P~t二、图解计算法 Part4Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration4-2降雨空间分布不均把一个流域分成若干个区域，认为每个区域内的降雨分布均匀 复习思考题什么叫做流域蓄水容量面积分配曲线、流域饱和容量面积分配曲线和流域下渗容量面积分配曲线？各有什么特征？蓄满产流总径流和超渗地面径流的产流面积变化特点？蓄满产流总径流量的计算。试述用fp~Fp曲线和Fp~t曲线计算超渗地面径流量的方法步骤。 水文学原理PrincipleofHydrology本章结束，谢谢！'