渭南師院水文學(xué)課件04流域產(chǎn)匯流分析與計(jì)算

第四章流域產(chǎn)匯流分析與計(jì)算

研究?jī)?nèi)容

從定量上研究降雨形成徑流的原理和計(jì)算方法。

研究目的

為學(xué)習(xí)由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水、進(jìn)行降雨徑流預(yù)報(bào)、建立流域水文模型等奠定基礎(chǔ)。

要求

1.能夠推求任一場(chǎng)降雨產(chǎn)生的洪水過程。

2.掌握資料分析方法，會(huì)建立產(chǎn)匯流方案。

第一節(jié)概述內(nèi)容提要流域產(chǎn)匯流計(jì)算基本內(nèi)容降雨徑流相關(guān)圖法、流域蓄水容量曲線法和初損后損法單位線匯流、單位線轉(zhuǎn)換、分析推求單位線①產(chǎn)流計(jì)算：

降雨轉(zhuǎn)化為凈雨的過程為產(chǎn)流過程，關(guān)于凈雨的計(jì)算稱為產(chǎn)流計(jì)算。

②匯流計(jì)算：流域匯流過程的計(jì)算稱為匯流計(jì)算。流域產(chǎn)匯流計(jì)算的內(nèi)容和用途

從實(shí)測(cè)降雨徑流資料出發(fā)，分析產(chǎn)流或匯流的規(guī)律；用于設(shè)計(jì)條件時(shí)，由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水；用于洪水預(yù)報(bào)時(shí)，由實(shí)際暴雨預(yù)報(bào)洪水。【實(shí)例1】已知某流域的設(shè)計(jì)頻率為0.1%的面暴雨過程；歷史資料分析出Wm=110mm，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的前期影響雨量Pa=90mm；流域的暴雨徑流關(guān)系；推求流域匯流過程單位線所需的實(shí)測(cè)降雨徑流資料。要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行：推求設(shè)計(jì)凈雨過程；推求設(shè)計(jì)洪水過程。第二節(jié)基本資料的整理與分析

內(nèi)容提要

對(duì)實(shí)測(cè)暴雨、徑流和蒸發(fā)等資料進(jìn)行分析計(jì)算，以便從定量上研究它們之間的因果關(guān)系和規(guī)律。學(xué)習(xí)要求

掌握一次實(shí)測(cè)降雨洪水的流域平均降雨量、總徑流量、地面徑流量和地下徑流量以及雨前土壤含水量的計(jì)算方法。反映降雨空間分布情況反映降雨隨時(shí)間的變化情況4.2.1降雨資料的整理

幾個(gè)概念降雨特性點(diǎn)降雨量面降雨量點(diǎn)降雨特性分析、面降雨特性分析降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨面積、降雨中心雨量站觀測(cè)的雨量一定區(qū)域（流域）上的平均雨量相關(guān)內(nèi)容（一）單站降雨特性分析（點(diǎn)雨量）

降雨量過程線

降雨量累積曲線

降雨強(qiáng)度歷時(shí)曲線

降雨量隨時(shí)間的變化過程累積雨量隨時(shí)間的變化過程時(shí)段最大平均雨強(qiáng)隨歷時(shí)的變化過程降雨量過程線表示降雨隨時(shí)間的變化過程，一般為直方圖（柱狀圖）形式。時(shí)段（時(shí)）13--1414--1515--1616--17某站平均雨量(mm)5.7243.7412.460.92柱狀圖等時(shí)段？降雨量累積曲線縱坐標(biāo)為自降雨開始到某時(shí)刻的降雨量累積值。

關(guān)系?

最大平均雨強(qiáng)與歷時(shí)的關(guān)系即為降雨強(qiáng)度~歷時(shí)曲線1234雨強(qiáng)（mm/h）5.7243.7412.460.92歷時(shí)（1h)

1

2

3

4

最大平均雨強(qiáng)

43.74

28.1

20.64

21.56

時(shí)間連續(xù)（二）流域降雨特性分析

流域平均降雨量（面雨量）

算術(shù)平均法

垂直平分法

等雨量線法

時(shí)—面—

深關(guān)系曲線

點(diǎn)—面關(guān)系曲線

算術(shù)平均法：流域內(nèi)各站同一時(shí)段的雨量進(jìn)行算術(shù)平均。計(jì)算公式：

符號(hào)含義：

適用條件：

流域內(nèi)雨量站總數(shù)地形變化不大，雨量站分布較均勻情況。垂直平分法（泰森多邊形法）

假定

流域上各點(diǎn)的雨量以其最近的雨量站的雨量為代表。

可采用一定的方法推求距各雨量站最近的點(diǎn)的面積（流域內(nèi)部分）。

作圖

（1）連結(jié)相鄰的雨量站，盡可能構(gòu)成銳角三角形；（2）作三角形三邊的垂直平分線；（3）由垂直平分線所圍成的多邊形（僅考慮流域內(nèi)的面積），即為所求。

提示：手工作圖垂直平分法計(jì)算公式：

符號(hào)含義：

適用條件：第n塊多邊形流域內(nèi)面積地形變化不大，雨量站分布不均勻情況。第i雨量站雨深權(quán)重等雨量線法依據(jù)——等雨量線圖作圖根據(jù)流域及附近的雨量站觀測(cè)的同一時(shí)段的雨量值，參考地形影響，類似繪制地形等高線那樣，畫出雨量等值線圖。100

80

60

400

20

等雨深線數(shù)值等雨量線法計(jì)算公式：

符號(hào)含義：

適用條件：

雨量站分布較密，地形變化較大。相鄰兩條等雨深線間的流域面積面平均雨深時(shí)—面—深關(guān)系

降雨歷時(shí)—面積—平均雨深之間的關(guān)系。

降雨過程的某種歷時(shí)某一閉合等雨深線包圍的流域面積某一閉合等雨深線包圍的流域面積上的平均雨深流域某場(chǎng)降雨閉合等雨量線圖40

20

60

80

暴雨中心(115mm)

作圖方法：針對(duì)一場(chǎng)降雨某種歷時(shí)的等雨量線圖，從最大雨深處（暴雨中心）向外量取不同等雨量線包圍的面積，并求出各面積上的平均降雨量，則各包圍面積與相應(yīng)面平均雨量之間的關(guān)系稱為相應(yīng)歷時(shí)的雨深—面積關(guān)系。對(duì)同一場(chǎng)降雨，可選取各種歷時(shí)（如1、3、6、12、24、72h）的等雨量線圖，分別作雨深—面積關(guān)系曲線，并繪于同一張圖上，即為時(shí)—面—深曲線。時(shí)~面~深關(guān)系曲線面積(km2)

歷時(shí)

流域一場(chǎng)降雨各種歷時(shí)的雨深~面積曲線雨深(mm)問題：標(biāo)出圖中歷時(shí)（1h、3h、6h、12h的等值線）？點(diǎn)～面關(guān)系曲線

同一場(chǎng)降雨，流域上各處降雨量分布是不均勻的。記某種歷時(shí)暴雨中心雨量為，各條等雨量線包圍面積內(nèi)的面平均雨量為

，與對(duì)應(yīng)等雨量線所包圍的面積之間的關(guān)系為相應(yīng)歷時(shí)點(diǎn)—面關(guān)系。

不同場(chǎng)降雨的點(diǎn)—面關(guān)系不一樣，一般取其平均情況作為流域該歷時(shí)的點(diǎn)—面關(guān)系。

暴雨點(diǎn)—面關(guān)系曲線α

F(km2)一場(chǎng)降雨的點(diǎn)面關(guān)系曲線流域平均點(diǎn)面關(guān)系？4.2.2徑流資料的整理與計(jì)算(一次洪水)

流域出口斷面實(shí)測(cè)洪水過程后續(xù)洪水前期洪水（一）徑流過程分析

一次洪水流量過程可能包括以下成份：

本次洪水所形成的地面徑流、表層流徑流和地下徑流；前期洪水尚未退完的部分水量；非本次降雨補(bǔ)給的深層地下徑流；后續(xù)降水產(chǎn)生的洪水。

地面、表層、地下徑流計(jì)算次洪水徑流時(shí)，應(yīng)作如下處理：把前期洪水尚未退完的部分水量及后續(xù)降水產(chǎn)生的洪水從洪水過程線中分割出去。洪水中不同的水源成分，其水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同。因此，需對(duì)洪水流量過程中的不同水源成份進(jìn)行劃分，以便進(jìn)行匯流計(jì)算。深層地下徑流比較穩(wěn)定，流量也較小，是河川的基本流量，所以又稱為基流。

分割方法：

深層地下徑流分割的方法一般取歷年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平線分割。

流量過程線的分割及不同水源的劃分均采用退水曲線。

t時(shí)刻的流量地下水退水參數(shù)流域蓄水量的消退過程線某站退水曲線（圖中數(shù)字為洪號(hào)）退水曲線的繪制方法和步驟：

①以相同的比例尺，在方格紙上繪出各場(chǎng)洪水的退水流量過程線；

②用一張透明紙描繪出最低的退水過程線；

③將此曲線移到另一場(chǎng)洪水的次低的退水段，在保持時(shí)間坐標(biāo)重合的條件下左右移動(dòng)透明紙，使方格紙上的退水過程線在后部與透明紙上的退水過程線相重合，并把它也描繪在透明紙上；

④如此逐一描繪各場(chǎng)洪水的退水流量過程線，就構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)地下水退水曲線。（二）流量過程分割及徑流量計(jì)算

次徑流深（徑流量）的計(jì)算

次洪徑流深(mm)每隔一個(gè)時(shí)段的流量值(m3/s)計(jì)算時(shí)段(h)（三）水源劃分

（1）地面、地下徑流的劃分

①水平線分割法

水平線分割法簡(jiǎn)便易行，對(duì)地下徑流小，洪水歷時(shí)短的流域較為適合；而對(duì)地下徑流比重大、洪水連續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的流域，則會(huì)造成比較大的誤差，此時(shí)改用斜線分割法較為合理。

②斜線分割法

水平線分割法示意圖

斜線分割法示意圖

地面徑流終止點(diǎn)地面徑流終止點(diǎn)的確定方法方法一：流域地下水退水曲線

將繪在透明紙上的標(biāo)準(zhǔn)退水曲線蒙在要分割的洪水過程線的退水段上（注意比例尺的一致），使橫軸重合，然后左右移動(dòng)，當(dāng)透明紙上的標(biāo)準(zhǔn)退水曲線與洪水退水段的尾部吻合后，則兩線前方的分叉點(diǎn)C就是地面徑流終止點(diǎn)。方法二：經(jīng)驗(yàn)公式

洪峰出現(xiàn)時(shí)刻至直接徑流終止點(diǎn)的時(shí)距(日數(shù))（2）地面、地下徑流深的計(jì)算

地面、地下徑流分割后，分割線上面的部分即地面徑流WS，下面的部分即地下徑流Wg，分別除以流域面積F即可得到其地面徑流深RS、地下徑流深Rg。4.2.3前期影響雨量

降雨開始時(shí)流域是干旱還是濕潤(rùn)，對(duì)此次降雨產(chǎn)生徑流的多少影響極大，流域的干濕程度常用流域蓄水量W或其前期影響雨量Pa表示。

前期影響雨量計(jì)算式公式應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題前期影響雨量Pa的計(jì)算定義式：

由此可寫出：

前期影響雨量的計(jì)算通式：

式中土壤含水量的日消退系數(shù)（折減系數(shù)）K：

幾個(gè)應(yīng)注意的問題：

(1)最大值限制問題

當(dāng)計(jì)算出的Pa值大于WM時(shí),取WM作為該日的Pa值。（2）Pa起始值的確定

一般前期較長(zhǎng)一段時(shí)間無雨，令Pa=0；

一場(chǎng)大雨或連續(xù)幾次大雨之后，取Pa=WM。（3）流域日蒸發(fā)能力EM

取E601型蒸發(fā)器觀測(cè)的水面蒸發(fā)值作為近似值。一般按晴天和雨天或按月份分別選取。（4）流域蓄水容量Wm的計(jì)算

選取久旱無雨后一次降雨量較大且全流域產(chǎn)流的雨洪資料，計(jì)算流域平均降雨量P及相應(yīng)的產(chǎn)流量R，此時(shí)：式中，E為雨期蒸發(fā)（mm），如降雨時(shí)間短可忽略不計(jì)。

一個(gè)流域的最大蓄水量是反映該流域蓄水能力的基本特征，我國(guó)大部分地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)表明表一般為80～120mm，例如：廣東95～100mm，福建100～130mm，湖北70～110mm，陜西55～100mm，黑龍江140mm等等。流域的實(shí)際蓄水量W在0～Wm之間變化。第三節(jié)流域產(chǎn)流分析所謂產(chǎn)流，是指流域中各種徑流成分的生成過程，也是流域下墊面（包括地面和包氣帶）對(duì)降雨的再分配過程。本節(jié)介紹自然界兩種基本的產(chǎn)流形式，并建立產(chǎn)流理論的基本概念。

包氣帶對(duì)降水的再分配作用

產(chǎn)流面積的變化

1.包氣帶地面對(duì)降雨的再分配；2.包氣帶土層對(duì)下滲水量的再分配蓄滿產(chǎn)流方式超滲產(chǎn)流方式（一）包氣帶地面對(duì)降雨的再分配作用思路：

以流域內(nèi)某一單元土柱為例。通過分析雨強(qiáng)與下滲能力的關(guān)系，寫出包氣帶地面把其所承受的降雨劃分為下滲的水量和地面徑流兩部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)一場(chǎng)降雨過程來說，雨強(qiáng)時(shí)大時(shí)小，有時(shí)，有時(shí)，下滲到包氣帶土層中的水量為：

形成的地面徑流為

顯然

（二）包氣帶土層對(duì)下滲水量的再分配作用包氣帶達(dá)到田間持水量時(shí)的蓄水量稱為包氣帶蓄水容量，記為，另令表示降雨開始時(shí)包氣帶的起始蓄水量。則為包氣帶的缺水量。

當(dāng)出現(xiàn)時(shí)，

當(dāng)出現(xiàn)時(shí)，

（三）蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流雨末包氣帶達(dá)到田間持水量時(shí)，其水量平衡方程：

雨末包氣帶未達(dá)到田間持水量，其水量平衡方程：

兩式適用于某時(shí)段，也適用于一場(chǎng)降雨的總歷時(shí)。反映了自然界兩種