工程水文学---4、产流及汇流计算课件.ppt

'第四章流域的产汇流计算在一次降雨中，扣除植物截留、蒸发、下渗损失后剩余部分称为净雨量，净雨量的计算称为产流计算。降雨产生的径流，汇集到河网后，自上游向下游流动，最后流经出口断面，其计算称为汇流计算。 产流方案是根据流域实测降雨、蒸发和径流资料，分析确定降雨量、蒸发量、土壤含水量和径流量之间的关系。汇流方案是根据流域降雨和流量资料，推求净雨和流量过程线之间的关系。 根据产流方案，由降雨量和雨前土壤含水量推出相应径流量，然后根据汇流方案，推求出流过程线。本节专门讨论降雨量、径流量和流域土壤含水量等的计算方法。4.2流域降雨径流要素计算 算术平均法：当流域内雨量站分布较均匀，地形起伏变化不大时，可用算术平均法求得流域上的平均降水量：4.2.1.1流域平均降雨量式中：P—流域平均降水量，mm;P1……Pn—各雨量站同时期内的降水量，mm;n—测站数。 泰森多边形法：当流域内雨量站分布不太均匀时，假定流域各处的降水量由距离最近的雨量站代表。设P1，P2，……，Pn为各站雨量，f1,f2,……,fn为各站所在的部分面积，F为流域面积，则流域平均降水量P可由下式计算：式中fi/F表示第i雨量站所代表面积占整个流域面积的份额，通常称为权重。求得的流域平均雨深又称为加权平均雨深。 P1P3P2P4某一流域n个雨量站P1,P2,…Pn要求划分各雨量站权重面积泰森法划分雨量站控制面积示意图(1)勾绘n-２个锐角三角形(2)绘制三角形各边的垂直平分线(3)量算n个雨量站的权重面积f1,f2,…fn 等雨量线法：当流域上雨量站分布较密时，可用等雨量线来计算流域平均雨量。式中,fi—两条等雨量线间的面积；Pi—fi上的平均雨量。 降雨量在时间上分配是不均匀的，实际工作中采用时段雨量说明降雨过程。以时段雨量为纵坐标，时段的时序为横坐标绘成时段雨量直方图，也称雨量过程线。用雨量筒人工观测的结果可以直接点绘这种过程线。4.2.1.2雨量过程线 单位时段的雨量称降雨强度。降雨量过程线可以转换成雨强过程线，其纵坐标值为i=P/Δt。以降雨开始后雨量累积值为纵坐标，相应时间为横坐标点绘的曲线称累积雨量曲线。累积雨量曲线错开Δt相减即可得出雨量过程线。 9012345678910111213141516171819202105010015020025030035040045001020304050607080时段雨量直方图与累积雨量过程线 4.2.2径流量Q(m3/s)t(h)W 径流深计算QiQi+1△tQ(m3/s)t(h)Ｑ－流量(m3／s)Ｒ－径流深(mm)Δt－计算时段(h)F－流域面积(km2)QnQ1 地面径流退水较快，而地下径流退水历时较长。实测流量过程线往往是由若干次暴雨所形成的洪水径流组成。为了研究暴雨与洪水之间的关系，必须流量过程线加以分割，可采用退水曲线方法。 退水曲线是流域蓄水消退曲线，对同一流域的各次洪水，将若干条流量过程线的退水部分绘于透明纸上，然后沿时间轴左右移动，使退水线尾部重合，其下包线可作为标准的地下水退水曲线。 Q图4－5退水曲线图4－6次洪水过程线划分ttR 实测流量过程示意图（曲线下方数字为洪号） 流域退水曲线用数学公式表示如下：（4-6）式中：Kg为地下退水参数，可根据式（4-7）用退水曲线来计算。（4-7） 地表径流和地下径流汇流特性不同，一般还要用斜线分割法分割开地面径流和地下径流。斜线分割法：从起涨点Ａ到地面径流终止点Ｂ绘制直线AB，AB线以上为地面径流，以下为地下径流。 地下径流分割示意图A起涨点B地表径流终止点地表径流地下径流NN=0.84F0.2Q0 地下水面以上土壤空隙不饱和，包含有部分空气的土壤层称包气带或通气层，它是土壤含水量经常发生变化的土层，由于分子力和毛管力的作用，土壤会吸附一部分下渗水量。土壤含水量是表示包气带土壤湿润程度的物理量。土壤保持水分的最大量称为田间持水量。4.2.3土壤水 通气层通气层浅层地下水层浅层地下水层深层地下水层深层地下水层河流不透水层不透水层不透水层 土壤中的水分，由于蒸发而逐渐减少，降雨则是其补充来源。土壤湿度是影响径流的一个重要因素。水文学上一般根据实测降雨，蒸发和径流资料，根据水量平衡原理推求土壤含水量。Wt+1=Wt+Pt-Rt-Et（4－9） 在实际工作中，Wm是指流域十分干旱情况下，降雨产流过程的最大损失量，也常称之土壤最大含水量。它包括植物截留、地表填洼，以及渗入包气带不能成为径流的水量。对于包气带不厚且雨量充沛地区，Wm值在实用上可由实测雨洪资料推求。其方法是选取久旱不雨后一次降雨量较大且全流域产流的资料，计算出流域平均雨量P及所产生的径流量R。由于久旱不雨，可以认为Wt=0，故Wm=P-R-E雨（2－5） 流域日蒸发量E是该日气象条件（气温、日照、湿度、风速等）和土壤含水量P的函数。Em称为土壤最大日蒸发能力，主要决定于气象条件，一般流域并无Em实测资料，常采用下式推求Em=βE水（4－10）式中，E水－水面蒸发量，mm;β－经验系数。β可根据实地试验求得。4.2.3.2流域蒸发量 假定流域蒸发量与流域含水量成正比：E=(Em/Wm)W（4－12）式中，Em－流域蒸发能力，mm;Wm－流域蓄水容量。流域蒸发量计算模式：1.一层蒸发模式 当WU≥Em时，E=EU=Em(4-13)当WU100,取为100mm6月29日Pa＝0.944×100＝94.4mm……月日P(mm)Em(mm/d)KPa(mm)62560.35.60.94462678.80.94462714.70.9441006280.9441006290.94494.46300.94489.1716.80.93283.27220.20.93277.47321.90.93290.9742.20.932100750.93295.3K6=1-5.6/100=0.944K7=1-6.8/100=0.932 4.3蓄满产流计算4.3.1包气带对降雨的再分配作用①包气带地面对降雨的再分配作用：（1） 包气带地面对降雨的再分配作用 ②包气带土层对下渗水量的再分配作用：当降雨结束时包气带达到田间持水量：当降雨结束时包气带未达到田间持水量：（2）（3） 二、自然界中两种基本的产流模式（1）+（2）：（1）+（3）：蓄满产流超渗产流 蓄满产流和超渗产流是两种基本产流方式。论证一个流域的产流方式，可以从以下几方面入手：（1）分析流域出口的流量过程线形状；（2）分析流域的气候、地理及下垫面特征；（3）分析影响次洪产流量的因素。 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，一般以占全流域面积的百分比表示。三、产流面积 蓄满产流条件下，流域某处是否产流取决于该处的包气带是否达到了田间持水量。若流域某处包气带达到田间持水量，该处就产流，否则不产流。1、蓄满产流情况下产流面积的变化 流域蓄水容量曲线：纵坐标是全流域各点的W’m从小到大排列，横坐标是计算小于或等于某一W’m值各点的面积之和FR占全流域面积的比重α。 4.3.2蓄满产流在湿润地区，由于雨量充沛，地下水位较高，包气带通常不到几米，其下部经常保持在田间持水量，上部则因蒸发而缺水。汛期包气带上部缺水极易为一次降雨所蓄满。如果每次大雨后，流域平均蓄水量都能达Wm，则产流量可由降雨量P减去降雨开始时的土壤缺水量(Pa)求得。即雨量补足包气带缺水量后，全部形成径流，这种产流方式叫做蓄满产流，并可以概括成一个简单的数学模型：R=P–(Wm–W0) 带包气潜水PaWm-PaR=Pe-(Wm-Pa)水降RPe 当流域蓄水量达Wm时的产流状态为全流域产流或称全面产流，产流量由上式求得。但有时降雨量并不能使流域蓄水量达Wm值。此时，由于包气带各处厚度不一致，各处土壤持水量大小不同，因而在局部地区也会产生径流，这种产流状态称之部分产流，然后逐步过渡到全面产流。 PaWm-Pa潜水部分面积产流Pa=Wm全面产流 4.3.3.1建立降雨径流相关图（主要的影响因素？）降雨径流相关是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生的径流量，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。4.3.3降雨径流关系图 Pa=020406080100 地面径流和地下径流汇流的规律是不相同的。如果由已知雨量P从降雨径流相关图上查得径流量R后，还需再分成地面和地下两部分，以便进行汇流计算。4.3.5总径流量的划分 当流域包气带缺水量满足后，产流R中有一部分按稳定下渗率fc下渗，下渗的水量全部形成地下径流Rg，超过稳定下渗率的部分形成地面径流Rs（包括壤中流）。因此一次降雨的总径量R＝Rg+Rs RgRsPR=Rs+Rgfc １、fc的分析推求(见书上例题）２、fc的应用 4.4超渗产流计算4.4.1超渗产流模式干旱地区的地下水埋藏很深，包气带可达几十米甚至上百米，降水不易使这样厚的包气带蓄满，下渗的水量一般不会产生地下径流。只有降水强度超过下渗率时才有地面径流产生。这种产流方式，称为超渗产流。 超渗产流条件下，流域某处是否产流取决于该处的降雨强度是否大于土壤下渗能力。若流域某处雨强大于下渗能力，该处就产流，否则不产流。 流域上某点每次降雨的实际下渗曲线是不同的。原因是降雨强度并非在整个下渗过程中均大于下渗率，不能保证充分供水条件；其次是初始土壤含水量不等于0。解决方法是将下渗率随历时变化的曲线f(t)转换成随土壤含水量变化的曲线f(W)。因为W与f(t)之间满足故解此积分可得出f（W），据此，可逐时段地由土壤水量W求得相应的下渗率f，进而求得净雨量h。4.4.2下渗曲线法 ff(W)Wfcf~W关系曲线4.4.2下渗曲线法 二、初损后损法下渗曲线法概念比较清楚，但由于降雨和下渗强度的资料很少，实际应用不广，常用简化方法-初损后损法。方法是把实际下渗过程简化为初损后损两阶段。初损水量是大量产流以前的总损失量，包括植物截留，填洼和下渗水量。后损是流域产流以后的下渗水量，以平均下渗率表示。一次降雨所形成的径流深Ｒ可用下式表示：R＝P-Io–ftR-P0式中,P－次降雨量；Io－初损量；f－平均后渗率；tR－后损历时；Po－后期不产流的雨量。 P,fP,ftRR下渗曲线法初损后损法R＝P-Io–ftR–PoIot0t,tRf 1、初损量Ｉ0的确定小流域：汇流时间短，出口断面的起涨点大体可作为产流开始时刻，因而起涨点以前雨量的累积值可作为初损近似值。较大流域：考虑到流域内各雨量站至出口断面汇流时间不等，可分站按不同汇流时间，定出流量起涨以前的时刻，并取该时刻以前各站的累积雨量的平均值或其中的最大值作为流域的初损量Ｉo。由历史雨洪资料，把Ｉo与流域相应的Ｐa，降雨强度及月份（考虑土地利用的季节变化等）制成相关图备用。 Pa～月份～I0相关图Pa（mm）I0（mm）7月6月5月4月 ２、平均下渗率f的计算因为：R＝P-I0-ftR-P0所以Ｉo确定后，平均下渗率式中，t－降雨总历时；to－为初损历时；t’－降雨后期不产流的降雨历时。 流域上各点的净雨，经过坡面汇入河网，再由河网流达出口断面，总称汇流。从坡面和土壤表层汇入河网的，称为坡面汇流，其历时较短，一般只有几十分钟至几小时；另一部分渗入地下，经由地下途径注入河网的，称为地下汇流，历时可长达几天或几十天。等流时线法适用于地表径流（包括壤中流）的坡面汇流和河网汇流。4.5流域汇流计算 4.5.1等流时线等流时线是在流域上勾绘的一组等值线，每条等值线上各点的水质点，将同时到达出流断面。两条等流时线间的面积称为等流时面积，按顺序用ω１、ω２、ω３……表示，其汇流时间分别等于t1＝Δt、t2＝2Δt、t3＝3Δt……。ω１ω2ω3ω4ω5Δt2Δt3Δt4Δt5Δt 流域出口断面流量的计算出流断面在第i时段出流量是由第一块面积ω１上的本时段净雨，第二块面积ω２上一时段净雨……等所合成的:式中，ri－第i时段地面净雨强度。 时段(h)地面净雨hs(mm)等流时面积ω(km2)部分流量Q(m3/s)h1=5mmh2=28mmh3=44mmh4=3mmQ(m3/s)(1)(2)(3)(8)(7)(6)(4)(5)033621918121524695284435812013011582602400000027566053381115031133729821315662236489530469334244981633363223177272066088958997455333291147 r036912t528443369181215Q0=0Q1=r1w1=h1w1/△t=5×58÷(3×60×60)×1000=26.8mmQ2=r2w1+r1w2=h2w1/△t+h1w2/△t=(5×120+28×58)×1000÷(3×60×60)=56+150=206mm……… 讨论1、降雨分布不均匀问题实际降雨在流域面上分布可能是不均匀的。如果能求出各等流时面积上的时段平均雨量，计算精度可提高。2、流速变化问题若流速大小随流量而变，等流时面积就不是恒定数值，使计算结果与实际情况存在差别，一般情况是以峰为准，采用使洪峰流量误差最小的流速数值作为绘制等流时曲线的依据。 3、河槽调蓄问题按照等流时线的假定，同一等流时线上水量同时到达出流断面，但由于各干、支流之间的干扰，漫滩影响，断面流速分布不均等原因，使这种假定不符合实际，而是高速质点先到，低速质点后到，又按假定，各等流时面积之间没有水流交换，只有先后次序之别，实际上是快速和慢速质质点互相混杂，严格的面积出流次序是没有的。这就是等流时线未考虑河槽的调蓄问题。因此，等流时线方法只宜用于小流域，因为河槽调蓄作用小。 4.5.2.1基本概念单位线是流域上单位时段内均匀分布的单位净雨所形成的流域出口断面流量过程线。单位线的净雨深（径流深）一般取１０mm；单位时段长度则依据流域性质而定。根据单位线定义有式中，q－单位线纵高，m3／s；Ｆ－流域面积，km2;Δt－时段，h。4.5.2时段单位线法 q(m3/s)t(6h)某河某站6h单位线(F=341km2) 流域面积为３４１km2，单位线时段长Δt＝6h。单位线包围的面积即１０mm净雨所形成的径流量，因此有:某河某站6h单位线(F=341km2) 单位线使用时的两个假定:（1）倍比假定：如单位时段的净雨量是n个单位，则所形成地面径流过程线的流量为单位线流量的n倍，其历时仍与单位线的历时相同。（2）迭加假定：如净雨历时是m个时段，则各时段净雨所形成的径流过程线之间互不干扰，出口断面的流量等于各时段净雨量所形成的流量之和。 单位线推流根据单位线的定义，只要流域上净雨分布均匀，不论强度如何变化，均可用单位线推求地面径流过程线。 单位线推流 4.5.2.2单位线的推求推求单位线必须根据出流断面实测流量过程线来分析。由于地面径流与地下径流汇流特性不同，应分离后分别分析各自的单位线。一般，地下径流过程比较平缓,对洪水主体部分影响不大，常采用一些更为简化的处理方法，而着重分析地面径流的单位线。 流域上如恰有一个时段地表净雨所形成的流量过程线，只要将流量过程线去除地下水以后得到的地面径流过程线纵标值，除以净雨量的单位数就可得出单位线。实际水文资料中，恰有一个时段净雨所形成的流量过程线一般不多见，需要从多时段净雨的洪水资料分析出单位线。常用的方法有分析法与试错法。 分析法的原理是递推求解。如地面径流过程为Q1,Q2,Q3…，单位线的纵坐标值为q1,q2,q3……，时段净雨量为h1,h2,h3……。根据倍比与迭加假定，可得 某站12小时单位线推求（分析法） 将h1＝15mm、h2＝5mm及Q1＝120m3/s、Q2＝340m3/s、Q3＝940m3/s…代入公式 如果计算正确，分析得到的单位线的径流量应为１0mm。分析法的缺点在于误差传，使分析的单位线q值有时偏大，有时偏小而呈锯齿形，必须加以修匀。修匀得到的单位线的径流量也应为１0mm。 分析法只适用于二、三个时段净雨。三个时段以上的净雨可采用试算法。试算法是假定一条单位线。计算出流量过程，再与实测过程比较，如不相符，改正单位线后再试，直到两者相符。试算法比较麻烦，宜在计算机上实行。 4.5.2.3单位线的时段转换实际降雨资料采用的时段如果与流域现有单位线的时段不同，就需要将单位线的时段加以转换。不同时段单位线，形状不同。3小时单位线6小时单位线9小时单位线q(m3/s)t(h) 假定时段单位净雨连续不断，则流域出口断面的流量过程线称为S曲线。用单位线连续推流即可求得Ｓ曲线。 q(m3/s)t(h)S曲线 由所列计算过程可知，Ｓ曲线就是单位线的累积曲线，可由单位线纵坐标值逐时段累加而得 不同时段单位线的S曲线满足：可以推得 例:已知某流域６h单位线（第１、２栏），要求转换为３h和９h单位线。首先，求得６h单位线的累积曲线Ｓ（t）见表第（３）栏。再根据公式得３h单位线（第5栏）和９h单位线（第７栏）。 4.5.4地下水径流过程的计算 水地下径流的出流过程。 合并为流域出流过程线Q(m3/s)tRsRg P~t、Em~tPaK、Im、Pe～Pa～RI0～Pa，fΔ、或其它方法Qg~th~ths~tfchg~tQs~tq~tw~tQ~t'