水文学原理水文预报：第4节 槽蓄原理与特征河长.ppt

'第4节槽蓄原理与特征河长水文学原理·第9章河道水流 引言河道汇流过程是洪水波运动过程，洪水波是一种波长远大于水深的浅水波，一般涨落相对比较缓慢，属于缓变不稳定流。洪水波运动的数学描述途径主要有水力学途径（水力学理论）、水文学途径（水文学原理）、系统论途径（系统论和控制论，系统分析）。水力学途径描述洪水波运动的方法：圣维南方程组。连续方程能量方程（质量守恒）（力和能量平衡）水文学途径描述洪水波运动，关键在于建立槽蓄方程，研究槽蓄水量与流量之间的函数关系（槽蓄原理）。在槽蓄曲线的基础之上，引进特征河长概念，使得洪水演算计算方便。本节主要介绍槽蓄原理与特征河长。水文学原理/第9章河道水流第四节槽蓄原理与特征河长 1.槽蓄原理水文学途径描述洪水波运动，关键在于建立槽蓄方程。对于河段上下游断面，有如下关系河段水量平衡方程式河段水量平衡方程式揭示了洪水波通过河段时，河段入流、出流和河槽蓄水量之间的定量关系。但是仅上式还不能解决洪水波运动的数学描述问题，因为I已知，但O、W未知。所以仅用上式来描述洪水波运动不充分，不能达到已知上断面洪水过程预测下断面未来出现的洪水过程的目的。I(t)O(t)QttsWtts河槽的调蓄作用：水文学原理/第9章河道水流第四节槽蓄原理与特征河长 河段的蓄量与河道水面线有关，也即与河段中的水位沿程分布有关；而河段中每一断面的水位与流量又存在一定的关系。故河段槽蓄量W与河段上下断面流量I、O之间会存在一定的函数关系。是流量沿程分布和断面水位流量关系的函数。槽蓄方程一般表达式联立河段水量平衡方程和槽蓄方程，即可描述洪水波的运动。若要获得槽蓄方程的具体形式，需先考察洪水波运动情况下槽蓄量的变化现象。如果是稳定流，河段槽蓄量与河段中的稳定流量呈单一关系。I(t)O(t)QtW0WtQ0水文学原理/第9章河道水流第四节槽蓄原理与特征河长1.槽蓄原理 水文学原理/第9章河道水流第四节槽蓄原理与特征河长如果发生洪水波运动，则情况不一样。槽蓄量随时间变化。观测发现，洪水波通过河道时，如果没有旁侧入流和回水顶托作用，河段下断面出流过程峰值的出现时间有以下三种情况：相对应，那么河段槽蓄量W与其下断面流量O之间的关系有以下三种：I(t)O(t)QttsWttsWO逆时针绳套WO顺时针绳套WO1.槽蓄原理 2.特征河长在以上三种河段槽蓄量与其下断面流量之间的关系中，最希望的是河段槽蓄量W与河段下断面流量O为单一关系的情况。因为由单值槽蓄曲线构建的洪水演算方法将会比较简单、方便。那么什么样的水力条件下？或者什么样的河段下？才会有单值的河段槽蓄量与河段下断面流量关系呢？为此，引入特征河长的概念。2.1特征河长的概念根据水力学，河流上任一断面的流量可表述为洪水波通过时，水位与水面比降将发生变化，对流量如何产生影响？水文学原理/第9章河道水流第四节槽蓄原理与特征河长 代表稳定流水面线代表涨洪时水面线代表落洪时水面线涨洪时：在中断面水位保持不变的情况下，下断面水位比稳定流时降低，可使下断面流量减小；但此时水面比降比稳定流时增加了i，又可使下断面流量增大。落洪时：在中断面水位保持不变的情况下，下断面水位比稳定流时升高，可使下断面流量增大；但此时水面比降比稳定流时减小了i，又可使下断面流量减小。i2.1特征河长的概念为便于分析问题，在河段中假设一个中断面。分析水位和水面比降对流量的影响时，抓住中断面水位保持不变这一考察问题的思维方法。水文学原理/第9章河道水流第四节槽蓄原理与特征河长2.特征河长 代表稳定流水面线代表涨洪时水面线代表落洪时水面线特征河长：水位引起的Q与河段长有关。特征河长就是使下断面由水位引起的Q正好与由附加比降引起的Q抵消时的河长。i综上，无论涨落洪，对河段下断面流量来说，影响它的水面比降和水位两个因子都存在相互抵消或补偿作用。如果对一个河段这两个因子不能完全抵消，下断面流量与同水位的稳定流流量就不相同；若全部抵消了，则下断面流量与同水位的稳定流流量就相同了。假设洪水波的附加比降i不变化，且涨落洪附加比降的绝对值相同，那么无论涨落洪，中断面以下各断面由附加比降引起的流量变化值是相同的，但由水位引起的流量变化各不相同。因此，可以通过调整下断面的位置也就是河段长短，来使得由水位引起的流量变化与由附加比降引起的流量变化正好完全抵消。2.1特征河长的概念2.特征河长水文学原理/第9章河道水流第四节槽蓄原理与特征河长 2.2特征河长的推导2.特征河长水文学原理/第9章河道水流第四节槽蓄原理与特征河长 （a）可从理论上解释前述W～O关系存在三种情况的原因。涨洪时，水位变化引起的Q的减小量>附加比降引起的Q的增大量，使下断面流量小于稳定流时的流量。落洪时，水位变化引起的Q的增大量>附加比降引起的Q的减小量，使下断面流量大于稳定流时的流量。L>l的情形：ilLWQ逆时针绳套2.特征河长2.3特征河长的重要意义先出现河段最大蓄量，后出现下断面最大流量。I(t)O(t)Qt水文学原理/第9章河道水流第四节槽蓄原理与特征河长 涨洪时，水位变化引起的Q的减小量<附加比降引起的Q的增大量，使下断面流量大于稳定流时的流量。落洪时，水位变化引起的Q的增大量<附加比降引起的Q的减小量，使下断面流量小于稳定流时的流量。L