工程水文學-4、產流及匯流計算ppt課件

1、第四章 流域的產匯流計算,在一次降雨中，扣除植物截留、蒸發(fā)、下滲損失后剩余部分稱為凈雨量，凈雨量的計算稱為產流計算。降雨產生的徑流，匯集到河網(wǎng)后，自上游向下游流動，最后流經出口斷面，其計算稱為匯流計算,產流方案是根據(jù)流域實測降雨、蒸發(fā)和徑流資料，分析確定降雨量、蒸發(fā)量、土壤含水量和徑流量之間的關系。 匯流方案是根據(jù)流域降雨和流量資料，推求凈雨和流量過程線之間的關系,根據(jù)產流方案，由降雨量和雨前土壤含水量推出相應徑流量，然后根據(jù)匯流方案，推求出流過程線。 本節(jié)專門討論降雨量、徑流量和流域土壤含水量等的計算方法,4.2 流域降雨徑流要素計算,算術平均法：當流域內雨量站分布較均勻，地形起伏變化不大時

2、，可用算術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; P1Pn 各雨量站同時期內的降水量，mm; n 測站數(shù),泰森多邊形法： 當流域內雨量站分布不太均勻時，假定流域各處的降水量由距離最近的雨量站代表。設P1，P2，Pn為各站雨量，f1, f2, fn為各站所在的部分面積，F(xiàn)為流域面積，則流域平均降水量P可由下式計算,式中fi / F表示第i雨量站所代表面積占整個流域面積的份額，通常稱為權重。求得的流域平均雨深又稱為加權平均雨深,泰森 法劃 分雨 量站 控制 面積 示意 圖,1) 勾繪n -個銳角三角形,2) 繪制三角形各邊的垂直平分線,3)

3、量算n個雨量站的權重面積 f1, f2, fn,等雨量線法 ：當流域上雨量站分布較密時，可用等雨量線來計算流域平均雨量,式中, fi 兩條等雨量線間的面積； Pi fi 上的平均雨量,降雨量在時間上分配是不均勻的，實際工作中采用時段雨量說明降雨過程。 以時段雨量為縱坐標，時段的時序為橫坐標繪成時段雨量直方圖，也稱雨量過程線。用雨量筒人工觀測的結果可以直接點繪這種過程線,4.2.1.2 雨量過程線,單位時段的雨量稱降雨強度。降雨量過程線可以轉換成雨強過程線，其縱坐標值為i = P /t。 以降雨開始后雨量累積值為縱坐標，相應時間為橫坐標點繪的曲線稱累積雨量曲線。累積雨量曲線錯開t 相減即可得出雨

4、量過程線,90,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,0,50,100,150,200,250,300,350,400,450,0,10,20,30,40,50,60,70,80,時段雨量直方圖與累積雨量過程線,4.2.2 徑流量,Q (m3/s,t (h,W,徑流深計算,Q (m3/s,t (h,流量(m3s) 徑流深(mm) t 計算時段(h) F 流域面積(km2,Qn,Q1,地面徑流退水較快，而地下徑流退水歷時較長。實測流量過程線往往是由若干次暴雨所形成的洪水徑流組成。為了研究暴雨與洪水之間的關系，必須流量過程線加以

5、分割，可采用退水曲線方法,退水曲線是流域蓄水消退曲線，對同一流域的各次洪水，將若干條流量過程線的退水部分繪于透明紙上，然后沿時間軸左右移動，使退水線尾部重合，其下包線可作為標準的地下水退水曲線,Q,圖45 退水曲線,圖46 次洪水過程線劃分,實測流量過程示意圖（曲線下方數(shù)字為洪號,流域退水曲線用數(shù)學公式表示如下,4-6,式中：Kg為地下退水參數(shù)，可根據(jù)式（4-7）用退水曲線來 計算,4-7,地表徑流和地下徑流匯流特性不同，一般還要用斜線分割法分割開地面徑流和地下徑流。 斜線分割法：從起漲點到地面徑流終止點繪制直線AB ，AB線以上為地面徑流，以下為地下徑流,地下徑流分割示意圖,地表徑流,地下徑

6、流,N,N = 0.84F 0.2,Q0,地下水面以上土壤空隙不飽和，包含有部分空氣的土壤層稱包氣帶或通氣層，它是土壤含水量經常發(fā)生變化的土層，由于分子力和毛管力的作用，土壤會吸附一部分下滲水量。土壤含水量是表示包氣帶土壤濕潤程度的物理量。土壤保持水分的最大量稱為田間持水量,4.2.3 土壤水,土壤中的水分，由于蒸發(fā)而逐漸減少，降雨則是其補充來源。土壤濕度是影響徑流的一個重要因素。水文學上一般根據(jù)實測降雨，蒸發(fā)和徑流資料，根據(jù)水量平衡原理推求土壤含水量,Wt+1 =Wt+ Pt - Rt - Et （49,在實際工作中，Wm是指流域十分干旱情況下，降雨產流過程的最大損失量，也常稱之土壤最大含水

7、量。它包括植物截留、地表填洼，以及滲入包氣帶不能成為徑流的水量,對于包氣帶不厚且雨量充沛地區(qū)，Wm值在實用上可由實測雨洪資料推求。其方法是選取久旱不雨后一次降雨量較大且全流域產流的資料，計算出流域平均雨量P及所產生的徑流量R。由于久旱不雨，可以認為Wt = 0，故 Wm = P - R - E雨 （25,流域日蒸發(fā)量 E 是該日氣象條件（氣溫、日照、濕度、風速等）和土壤含水量 P 的函數(shù)。Em稱為土壤最大日蒸發(fā)能力，主要決定于氣象條件，一般流域并無 Em 實測資料，常采用下式推求 Em= E水 （410）式中，E水水面蒸發(fā)量，mm; 經驗系數(shù)?？筛鶕?jù)實地試驗求得,4.2.3.2 流域蒸發(fā)量,假

8、定流域蒸發(fā)量與流域含水量成正比： E= (Em/Wm)W （412）式中，Em流域蒸發(fā)能力，mm; Wm流域蓄水容量,流域蒸發(fā)量計算模式：1.一層蒸發(fā)模式,當WUEm時，E=EU=Em (4-13) 當WU Em時，E=EU+EL EU= WU EL= (WL/WLm)(Em- EU) (4-14,2.二層蒸發(fā)模式,假定Et與Pat 成線性關系，則： Et /EM= Pat/WM,土壤含水量的日消退系數(shù)K綜合反映流域蓄水量因蒸散發(fā)而減少的特性,若t日無雨，則： Et = Pa,t- Pa,t+1=Pat/WM *EM =Pa,t(1- K) 合并同類項：（1- EM /WM）= K,4.2.3

9、.3 前期影響雨量Pa,前期影響雨量Pa,t+1 計算公式,若t日無雨，則：Pa,t+1=KPat,若t日有雨，但未產流，則：Pa,t+1=K（Pat+Pt,若t日有雨，且產流，則：Pa,t+1=K（Pat+Pt-R,注：為了防止資料誤差和計算方法引起的土壤含水量大于田間持水量Wm的不合理情況，即當Pa,t+1Wm時，Pa,t+1=Wm,遞推公式起始日的Pa是假定的，但起始日從何時開始呢？例如，Pa起始計算時間相隔30天，當K0.90時K300.04,說明最大誤差不到起始誤差的5。 長時間無雨時，可取起始Pa 值較小些，或令Pa 0 。 一次大雨后，土壤比較飽和，可取起始PaWM,某流域屬濕潤

10、地區(qū)，wm=100mm，Em在5月份均值5.6mm/d,6月份為6.8mm/d。推求逐日Pa值,6月25日27日三天雨量很大，產生較大徑流，土壤達最大含水量WM，直接取6月27日 Pa100mm6月28日 Pa0.944(10014.7) = 108.3 100 ,取為100mm6月29日 Pa0.94410094.4mm,K6=1-5.6/100=0.944,K7=1-6.8/100=0.932,4.3 蓄滿產流計算,4.3.1 包氣帶對降雨的再分配作用 包氣帶地面對降雨的再分配作用,1,包氣帶地面對降雨的再分配作用,包氣帶土層對下滲水量的再分配作用： 當降雨結束時包氣帶達到田間持水量： 當

11、降雨結束時包氣帶未達到田間持水量,2,3,二、自然界中兩種基本的產流模式,1）+（2,1）+（3,蓄滿產流,超滲產流,蓄滿產流和超滲產流是兩種基本產流方式。 論證一個流域的產流方式，可以從以下幾方面入手： （1）分析流域出口的流量過程線形狀； （2）分析流域的氣候、地理及下墊面特征； （3）分析影響次洪產流量的因素,在降雨過程中，流域上產生徑流的區(qū)域稱為產流區(qū)，其面積稱為產流面積，一般以占全流域面積的百分比表示,三、產流面積,蓄滿產流條件下，流域某處是否產流取決于該處的包氣帶是否達到了田間持水量。若流域某處包氣帶達到田間持水量，該處就產流，否則不產流,1、蓄滿產流情況下產流面積的變化,流域蓄水

12、容量曲線：縱坐標是全流域各點的Wm從小到大排列，橫坐標是計算小于或等于某一Wm值各點的面積之和FR占全流域面積的比重,4.3.2 蓄滿產流 在濕潤地區(qū)，由于雨量充沛，地下水位較高，包氣帶通常不到幾米，其下部經常保持在田間持水量，上部則因蒸發(fā)而缺水。汛期包氣帶上部缺水極易為一次降雨所蓄滿。如果每次大雨后，流域平均蓄水量都能達Wm，則產流量可由降雨量P減去降雨開始時的土壤缺水量(Pa)求得。即雨量補足包氣帶缺水量后，全部形成徑流，這種產流方式叫做蓄滿產流，并可以概括成一個簡單的數(shù)學模型,R = P (Wm W0,帶,包 氣,潛 水,Pa,Wm-Pa,R = Pe-(Wm- Pa,水,降,R,Pe,

13、當流域蓄水量達Wm時的產流狀態(tài)為全流域產流或稱全面產流，產流量由上式求得。但有時降雨量并不能使流域蓄水量達Wm值。此時，由于包氣帶各處厚度不一致，各處土壤持水量大小不同，因而在局部地區(qū)也會產生徑流，這種產流狀態(tài)稱之部分產流，然后逐步過渡到全面產流,Pa,Wm-Pa,潛水,部分面積產流,Pa=Wm,全面產流,4.3.3.1 建立降雨徑流相關圖（主要的影響因素？） 降雨徑流相關是在成因分析與統(tǒng)計相關相結合的基礎上，用每場降雨過程流域的面平均雨量和相應產生的徑流量，以及影響徑流形成的主要因素建立的一種定量的經驗關系,4.3.3 降雨徑流關系圖,Pa=0 20 40 60 80 100,地面徑流和地下

14、徑流匯流的規(guī)律是不相同的。如果由已知雨量 P 從降雨徑流相關圖上查得徑流量 R 后，還需再分成地面和地下兩部分，以便進行匯流計算,4.3.5 總徑流量的劃分,當流域包氣帶缺水量滿足后，產流 R 中有一部分按穩(wěn)定下滲率fc下滲，下滲的水量全部形成地下徑流 Rg，超過穩(wěn)定下滲率的部分形成地面徑流 Rs （包括壤中流） 。因此一次降雨的總徑量,RRg+Rs,Rg,Rs,P,R=Rs+Rg,fc,fc 的分析推求 (見書上例題,fc 的應用,4.4 超滲產流計算,4.4.1 超滲產流模式 干旱地區(qū)的地下水埋藏很深，包氣帶可達幾十米甚至上百米，降水不易使這樣厚的包氣帶蓄滿，下滲的水量一般不會產生地下徑流

15、。只有降水強度超過下滲率時才有地面徑流產生。這種產流方式，稱為超滲產流,超滲產流條件下，流域某處是否產流取決于該處的降雨強度是否大于土壤下滲能力。若流域某處雨強大于下滲能力，該處就產流，否則不產流,流域上某點每次降雨的實際下滲曲線是不同的。原因是降雨強度并非在整個下滲過程中均大于下滲率，不能保證充分供水條件；其次是初始土壤含水量不等于0。 解決方法是將下滲率隨歷時變化的曲線f(t)轉換成隨土壤含水量變化的曲線f(W)。因為W與f(t)之間滿足,故解此積分可得出f（W），據(jù)此，可逐時段地由土壤水量W求得相應的下滲率f，進而求得凈雨量h,4.4.2 下滲曲線法,f,f(W,W,fc,fW關系曲線,

16、4.4.2 下滲曲線法,二、初損后損法 下滲曲線法概念比較清楚，但由于降雨和下滲強度的資料很少，實際應用不廣，常用簡化方法-初損后損法。方法是把實際下滲過程簡化為初損后損兩階段。初損水量是大量產流以前的總損失量，包括植物截留，填洼和下滲水量。后損是流域產流以后的下滲水量，以平均下滲率表示。一次降雨所形成的徑流深可用下式表示： R P - Io ftR - P0 式中,P次降雨量；Io初損量；f平均后滲率；tR后損歷時； Po 后期不產流的雨量,P,f,P,f,t,R,R,下滲曲線法,初損后損法,R P - Io ftR Po,Io,t0,t,tR,f,1、初損量0 的確定 小流域：匯流時間短，

17、出口斷面的起漲點大體可作為產流開始時刻，因而起漲點以前雨量的累積值可作為初損近似值。 較大流域：考慮到流域內各雨量站至出口斷面匯流時間不等，可分站按不同匯流時間，定出流量起漲以前的時刻，并取該時刻以前各站的累積雨量的平均值或其中的最大值作為流域的初損量o。 由歷史雨洪資料，把o與流域相應的a，降雨強度及月份（考慮土地利用的季節(jié)變化等）制成相關圖備用,Pa 月份 I0相關圖,Pa,mm,I0（mm,7月,6月,5月,4月,平均下滲率f 的計算,因為： RP-I0-ftR-P0 所以o確定后，平均下滲率,式中，t降雨總歷時,to 為初損歷時,t降雨后期不產流的降雨歷時,流域上各點的凈雨，經過坡面匯

18、入河網(wǎng)，再由河網(wǎng)流達出口斷面，總稱匯流。從坡面和土壤表層匯入河網(wǎng)的，稱為坡面匯流，其歷時較短，一般只有幾十分鐘至幾小時；另一部分滲入地下，經由地下途徑注入河網(wǎng)的，稱為地下匯流，歷時可長達幾天或幾十天。 等流時線法適用于地表徑流（包括壤中流）的坡面匯流和河網(wǎng)匯流,4.5 流域匯流計算,4.5.1 等流時線 等流時線是在流域上勾繪的一組等值線，每條等值線上各點的水質點，將同時到達出流斷面。兩條等流時線間的面積稱為等流時面積，按順序用、 表示，其匯流時間分別等于t1t、t22t、t33t,2,3,4,5,t,2t,3t,4t,5t,流域出口斷面流量的計算,出流斷面在第i 時段出流量是由第一塊面積上的

19、本時段凈雨，第二塊面積上一時段凈雨等所合成的,式中，ri第i 時段地面凈雨強度,時段(h,地面凈雨hs(mm,等流時面積 (km2,部分流量Q(m3/s,h1=5mm,h2=28mm,h3=44mm,h4=3mm,Q (m3/s,1,2,3,8,7,6,4,5,0,3,3,6,21,9,18,12,15,24,6,9,5,28,44,3,58,120,130,115,82,60,24,0,0,0,0,0,0,27,56,60,53,38,11,150,311,337,298,213,156,62,236,489,530,469,334,244,98,16,33,36,32,23,17,7,27

20、,206,608,895,899,745,533,329,114,7,r,0 3 6 9 12 t,5,28,44,3,3,6,9,18,12,15,Q0=0 Q1=r1w1=h1w1/t=558(36060) 1000=26.8mm Q2=r2w1+r1w2=h2w1/t+h1w2/t =(5120+2858) 1000 (36060)=56+150=206mm,討論 1、 降雨分布不均勻問題 實際降雨在流域面上分布可能是不均勻的。如果能求出各等流時面積上的時段平均雨量，計算精度可提高。 2、 流速變化問題 若流速大小隨流量而變，等流時面積就不是恒定數(shù)值，使計算結果與實際情況存在差別，一般情

21、況是以峰為準，采用使洪峰流量誤差最小的流速數(shù)值作為繪制等流時曲線的依據(jù),3、河槽調蓄問題 按照等流時線的假定，同一等流時線上水量同時到達出流斷面，但由于各干、支流之間的干擾，漫灘影響，斷面流速分布不均等原因，使這種假定不符合實際，而是高速質點先到，低速質點后到，又按假定，各等流時面積之間沒有水流交換，只有先后次序之別，實際上是快速和慢速質質點互相混雜，嚴格的面積出流次序是沒有的。這就是等流時線未考慮河槽的調蓄問題。因此，等流時線方法只宜用于小流域，因為河槽調蓄作用小,4.5.2.1 基本概念 單位線是流域上單位時段內均勻分布的單位凈雨所形成的流域出口斷面流量過程線。 單位線的凈雨深（徑流深）一

22、般取mm；單位時段長度則依據(jù)流域性質而定。根據(jù)單位線定義有,式中，q 單位線縱高，m3s； 流域面積，km2; t 時段，h,4.5.2 時段單位線法,q(m3/s,t(6h,某河某站6h單位線(F=341km2,流域面積為km2，單位線時段長t6h。單位線包圍的面積即mm凈雨所形成的徑流量，因此有,某河某站6h單位線(F=341km2,單位線使用時的兩個假定: （1）倍比假定：如單位時段的凈雨量是n個單位，則所形成地面徑流過程線的流量為單位線流量的n倍，其歷時仍與單位線的歷時相同。 （2）迭加假定：如凈雨歷時是m個時段，則各時段凈雨所形成的徑流過程線之間互不干擾，出口斷面的流量等于各時段凈雨量所形成的流量之和,單位線推流 根據(jù)單位線的定義，只要流域上凈雨分布均勻，不論強度如何變化，均可用單位線推求地面徑流過程線,單位線推流,4.5.2.2 單位線的推求 推求單位線必須根據(jù)出流斷面實測流量過程線來分析。由于地面徑流與地下徑流匯流特性不同，應分離后分別分析各自的單位線。一般，地下徑流過程比較平緩,對洪水主體部分影響不大，常采用一些更為簡化的處理方法，而著重分析地面徑流的單位線,流域上如恰有一個時段地表凈雨所形成的流量過程線，只要將流量過程線去除地下水以后得到的地面徑流過程線縱標值，除以凈雨量的單位數(shù)就可得出單位線。 實際水文資料中，恰有一個時段凈