水庫調(diào)度自動化：第六章 流域產(chǎn)匯流理論與模擬技術

1、第五章流域產(chǎn)匯流分析第一節(jié) 概述一. 流域產(chǎn)匯流計算基本內(nèi)容 由流域降雨推求流域出口的河川徑流，大體上分為兩個步驟： 產(chǎn)流計算：降雨扣除截留、填洼、下滲、蒸發(fā)等損失之后，轉化為凈雨的計算稱為產(chǎn)流計算。 匯流計算：凈雨沿著地面和地下匯入河網(wǎng)，并經(jīng)河網(wǎng)匯流形成流域出口的徑流過程的計算稱之為匯流計算。二. 流域產(chǎn)匯流計算基本流程和思路 產(chǎn)流與匯流之間的聯(lián)系可簡明地表示成圖5.1所示的流程圖。 圖5.1基本思路:先從實際降雨徑流資料出發(fā)，分析產(chǎn)流或匯流的規(guī)律；然后，用于設計條件時，則可由設計暴雨推求設計洪水，用于預報時，則由實際暴雨預報洪水。 第二節(jié) 降雨徑流要素計算流域降雨分析（一）單站降雨特性分析

2、（點降雨特性） 點降水量（point rainfall） 由于雨量觀測站觀測到的降雨量僅代表其周圍 小范圍內(nèi)的降水量，故稱為點降水量。 點降雨量用以下幾個特征值描述： 降雨量（Rainfall volume ）為一定時段內(nèi)降落到地面上的總雨(mm=mm3/mm2)； 降雨歷時（Rainfall volume）一次降雨所經(jīng)歷的時間(day或h)； 降雨強度（Rainfall intensity)為單位時間內(nèi)的降雨量(mm/min或mm/h)； 降雨面積（(Rainfall area)指降雨籠罩的水平面上的面積，其反映雨區(qū)的大??； 降雨中心（Rainfall center)指降雨面積上降雨量最為集

3、中且范圍較小的局部地(區(qū))點。降雨量在時間上的變化特性的圖形表示 降雨強度過程線（Rainfall process）表示降雨強度隨時間的變化過程，表示方法如下： 降雨強度過程線（降雨量過程線） 注：其縱坐標（左）為時段內(nèi)降雨量（實際為降雨強度）， 橫坐標為時序，通常以直方圖或曲線表示。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t（h）累積降雨過程線(Accumulation rainfall mass curve)注：其橫坐標為時序；縱坐標為降雨開始到各時刻的降雨量的累積值。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t（h） 降水強度

4、歷時曲線：(Rainfall intensity-duration curve)說明： 根據(jù)一場降雨過程的記錄統(tǒng)計其不 同歷時內(nèi)最大平均 降雨強度，以其為 縱坐標，以歷時為 橫坐標，由大至小繪成的變化曲線。它的變化規(guī)律是雨強與歷時長短成反比。時間（h）降雨強度過程線（二）流域降雨量的計算面平均降水量 (Areal mean Rainfall)實際生產(chǎn)上水文工作多以流域作為研究對象，面降雨量多指流域平均雨量 ，通常稱為面平均雨量。一般由已知的各點雨量來推求面雨量。由點雨量估算面雨量的常用方法： 算術平均法：式中:p i各雨量站同時期的降雨量(mm)n 測站數(shù)流域平均降雨量P 流域平均降雨量 該法

5、適用于流域內(nèi)地形起伏不大，雨量站分布較均勻的情況泰森多邊形法示意圖 等值線法的優(yōu)點：求流域平均降水量精度較高，適合于地形變化顯著的流域；能反映出降雨量在空間的實際分布情況。 等直線法的不足：繪制等雨量線需較多站點雨量資料；不同時段的等值線圖需重繪，工作量大。（三）面降雨量特性分析求面平均雨深面積關系示意圖說明：該曲線表示不同累計面積上相應最大平均雨深，其規(guī)律是：面積越大，平均雨深越小。二.徑流量計算（一）降雨場次劃分降雨場次的劃分一定要與洪水場次的劃分相對應。如圖5.10所示，當把洪水劃分為兩次時，暴雨也要相應地劃分為兩次，且兩兩對應，前次暴雨對應前面的洪水，后次暴雨對應后面的洪水，切不可混淆

6、。 圖5.10（二）洪水場次劃分及徑流過程線分析1.洪水場次劃分洪水場次劃分是指，將非本次降雨產(chǎn)生形成的徑流分割出去。如圖5.11，多數(shù)情況下，與本次降雨所對應的徑流過程，不僅包括本次降雨形成的地面、地下徑流，而且還包括前期降雨的地下徑流。2.徑流過程線的分析2.徑流過程線的分析（3）方法一：水平線分割法:適用情況：對地下徑流小，洪水歷時短的流域 ac地面地下徑流分割線（2）地面地下徑流劃分方法二：斜線分割法地下徑流比重大，洪水持續(xù)時間長的流域方法三：經(jīng)驗公式N洪峰流量時刻到直 接徑流終止點的時間F流域面積（3）地面地下徑流深的計算地面、地下徑流分割后，分割線上面的部分即地面徑流WS，下面的部

7、分即地下徑流Wg，其地面徑流深RS、地下徑流深Rg分別除以流域面積F即可得到。 三.流域蓄水量與前期影響雨量1.反映全流域前期土壤濕潤狀況的指標雨前流域的蓄水量W0（應用水量平衡法計算）流域出口徑流過程線的起漲點相應的流量（起漲流量Q)前期影響雨量Pa【算例】 已知：Wm=100mm，k=0.96，6月1日至6月12日的流域平均降雨系列。第三節(jié) 流域產(chǎn)流分析一.包氣帶對降雨的再分配作用(Redistribution of rainfall by unsaturated zone)(1) 包氣帶對降雨的再分配作用：已知：降雨強度為i ; 土壤的下滲能力（容量）為fp若i fp ，則實際的下滲率為

8、f = fp 則在某時段T內(nèi)降雨形成的地表徑流量（超滲雨）為 若i fp ，則實際的下滲率為f =i，Rs=0t=t0t1，二.蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流 （1） （2）由（1）式代入（2）式得： （3） （1） （2） （3） 第四節(jié) 蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流計算一.流域蓄水容量（面積分布）曲線 二.bafeg則有：流域蓄水曲線用B次拋物線表示后：流域蓄水容量WM為：前次降雨a由下式求出：起始蓄水量W0（1）（2）將（1）式代入(2)式整理得當 時，局部產(chǎn)流量當 時，（3）（4）流域蒸散發(fā)量的確定一層模型： 假定流域蒸散發(fā)量與流域蓄水量成正比，則有：時段內(nèi)流域的蒸散發(fā)能力含水量W三層蒸散發(fā)量計算公式含水量W

9、Wdm深層 當 即 當 即 當 當 三.地面地下徑流的劃分Partition of total runoff分析：總徑流量R的劃分指區(qū)分地表徑流Rs和地下徑流Rg。在蓄滿產(chǎn)流的模式中，只有當產(chǎn)流面積上的土層的含水量達田間持水量Wm時，才會產(chǎn)生徑流量R。由于此時土層的含水量很高，故可認為入滲率達到穩(wěn)定入滲率fc ，因此，進入土層的降雨以穩(wěn)定入滲率fc 的速度形成地下徑流。 可見，地下徑流量取決于產(chǎn)流面積大小(=f /F )、降雨強度i 與穩(wěn)定入滲率fc 的相對關系。地面徑流 (1) (2)推求流域的穩(wěn)定下滲率 若已知流域一場降雨各時段t的徑流R和地下徑流Rg，則可由（2）式推求該場雨的穩(wěn)定下滲率

10、fc，常用試算的方法求出。 試算方法為：假定一個fc帶入（2）式，計算出一個Rg，與給定Rg值比較。 實際工作中，常常會遇到各場洪水的fc 變化較大，這主要是流域降雨很不均勻和出現(xiàn)時間不一致造成的。 例， P88 4-3第五節(jié) 超滲產(chǎn)流的分析與計算 用實測的雨強過程it,扣除下滲過程fp他，即可得產(chǎn)流量過程Rt。 一.下滲曲線法二.初損后損法計算地面凈雨過程（一）基本原理將下滲損失過程簡化為初損和后損兩個階段初損：產(chǎn)流前降雨量全部損失I0（if），包括植物截流、填 洼等，歷時t0后損：產(chǎn)流后的損失， 為平均下滲能力。 產(chǎn)流歷時 tR內(nèi)if，取f= ，地面凈雨強度為i- ，產(chǎn)生地面凈雨深Rs i

11、f ，Rs=0，按i下滲由水量平衡原理得： I0初損；t0初損歷時； ts產(chǎn)流歷時； 后損中的非超滲雨。 二C）應用 根據(jù)降雨前的流域起始蓄水量W0，降雨強度過程查相關圖得I0三 平均后損率的確定a).由實測資料分析確定 實測降雨洪水的P、RS、I0已知，結合其降雨過程，即可試算得相應的b).建立 相關圖法第六節(jié) 流域匯流理論與計算原理一、基本概念1、研究流域上地面徑流、表層流和地下徑流如何匯集為出口斷面的流量過程。2、水流向出口斷面匯流過程中具有下列特點：各產(chǎn)流點水體向河網(wǎng)的補給是不同步和不均勻的各點水體到出口斷面的傳播時間不同各點水流沿程所受河網(wǎng)調(diào)蓄作用不同流域匯流是高阻尼系統(tǒng)，具有高度衰

12、減性。二、匯流系統(tǒng)概念和分析方法1、研究匯流時，常概化為一維線性時不變集總系統(tǒng)第六章 流域產(chǎn)匯流理論與模擬技術 凈雨量過程，為已知U(t)數(shù)學中稱核函數(shù)系統(tǒng)分析中為脈沖響應函數(shù)水文中為匯流曲線二、匯流系統(tǒng)概念和分析方法2、分析方法-單位線法定義：P63分類：兩個基本假定 3、原型單位線（例）第六章 流域產(chǎn)匯流理論與模擬技術 第七節(jié) 河道洪水演進與預報河道流量演算是在圣維南方程組簡化的基礎上，利用上斷面流量過程演算下斷面的流量過程。相應水位（流量）法流量演算法第六章 流域產(chǎn)匯流理論與模擬技術 第七節(jié) 河道洪水演進與預報一、流量演算法基本原理1、天然河道中洪水波運動屬于非恒定流，其水力要素隨時間、空間而變化。最早描述非恒定流的基本方程為圣維南方程組，即 一階雙曲型擬線性偏微分方程組