農(nóng)水工程水文(第4章產(chǎn)匯流)課件

第四章流域產(chǎn)匯流分析與計(jì)算第一節(jié)概述一、流域產(chǎn)匯流計(jì)算的基本內(nèi)容與流程

由流域降雨推求流域出口的流量過程，大體可分為兩步：

①產(chǎn)流計(jì)算：降雨扣除植物截留、蒸發(fā)、下滲、填洼等各種損失之后，剩下的部分稱為凈雨，在數(shù)量上等于它所形成的徑流深，也稱為產(chǎn)流量，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：凈雨沿著地面和地下匯入河網(wǎng)，然后經(jīng)河網(wǎng)匯流形成流域出口的徑流過程，關(guān)于流域匯流過程的計(jì)算稱之為匯流計(jì)算。產(chǎn)流計(jì)算的方法因產(chǎn)流方式不同而異，分別有蓄滿產(chǎn)流方式和超滲產(chǎn)流方式的產(chǎn)流計(jì)算方法；匯流計(jì)算方法的重點(diǎn)是時(shí)段單位線法和瞬時(shí)單位線法。

無論產(chǎn)流計(jì)算還是匯流計(jì)算，基本思路都是：先從實(shí)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(shè)計(jì)條件時(shí)，則可由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，用于預(yù)報(bào)時(shí)，則由實(shí)際暴雨預(yù)報(bào)洪水。

蒸發(fā)產(chǎn)流計(jì)算匯流計(jì)算產(chǎn)流量出口斷面流量過程降水產(chǎn)匯流計(jì)算流程簡(jiǎn)圖

二、次洪水過程的分割及計(jì)算1.流量過程的分割觀測(cè)到的次洪流量過程包括：(a)本次降雨形成的地面徑流、壤中流、地下徑流；(b)前期洪水尚未退盡的水量及非本次降雨補(bǔ)給的深層地下徑流；(c)若該次洪水尚未退完又遇降雨，還會(huì)有后期洪水混入。實(shí)測(cè)流量過程示意圖（曲線下方數(shù)字為洪號(hào)）

流量過程的分割有兩項(xiàng)工作：

一是將非本次降雨形成的徑流分割出去，求出本次洪水的徑流總量。

二是由于不同水源的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，所以還需將本次洪水徑流總量劃分為不同的水源。次洪水徑流總量地面徑流壤中流地下徑流直接徑流流量過程分割的依據(jù)是流域退水曲線。

1.流量過程的分割（續(xù)）(1)流域退水曲線的推求繪制流域退水曲線的具體步驟如下：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；用一張透明紙描繪出最低的退水過程線；將此曲線移到另一場(chǎng)洪水的退水段，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的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；逐一描繪各場(chǎng)洪水的退水流量過程線，最后作光滑下包線，就構(gòu)成流域地下水退水曲線。各次退水過程求平均，得到流域平均退水曲線。退水曲線示意圖地下水退水曲線平均退水曲線1.流量過程的分割（續(xù)）(2)次洪劃分當(dāng)洪水的起漲流量小于后繼洪水的起漲流量時(shí)，用流域平均退水曲線將退水過程延長(zhǎng)到與起漲流量相等。ABCDEFABCDEFA面積=本次洪水的徑流量用矩形法求面積，則：Qt1.流量過程的分割（續(xù)）(3)水源劃分最常用的是斜線分割法。首先在退水曲線上找到直接徑流的終止點(diǎn)；將起漲點(diǎn)A與直接徑流終止點(diǎn)B直線相連，AB線以上為直接徑流WS，以下為地下徑流Wg，其地面徑流深RS、地下徑流深Rg只要分別除以流域面積F即可得到。QtABWSWg第二節(jié)產(chǎn)流的分析與計(jì)算一、包氣帶對(duì)降水的再分配作用包氣帶中孔隙和裂隙等具有吸收、儲(chǔ)存和輸送水分的功能。1.包氣帶地面對(duì)降雨的再分配作用降雨到達(dá)地面以后，一部分消耗于植物截留、蒸發(fā)、填洼等損失，剩下部分被分成兩部分：超過地面下滲能力(容量)部分留在地表，其余部分滲入地下。分配的結(jié)果是將雨水分為地面和地下兩個(gè)部分。即：P當(dāng)雨強(qiáng)小于下滲能力時(shí)，降雨全部滲入地下。RSI一、包氣帶對(duì)降水的再分配作用（續(xù)）對(duì)一場(chǎng)總降雨量為P的降雨過程來說，雨強(qiáng)時(shí)大時(shí)小，有時(shí)i＞fp，有時(shí)i＜fp，下滲到包氣帶土層中的水量I為：

而形成的地面徑流RS為：

根據(jù)水量平衡原理，顯然有：

一、包氣帶對(duì)降水的再分配作用(續(xù))2.土層對(duì)下滲水量的再分配作用下滲水量一部分以蒸發(fā)形式逸出地面，剩余部分又被分成兩部分：首先補(bǔ)充土壤缺水，超過包氣帶蓄水容量部分成為自由重力水。若雨后包氣帶達(dá)到田間持水量，則：I=E+(WM-W0)+RG

若雨后包氣帶未達(dá)到田間持水量，則：I=E+(We-W0)其中：W0——降雨開始時(shí)包氣帶蓄水量；

We

——雨末包氣帶蓄水量；

E———蒸發(fā)量；

RG

——包氣帶中能自由運(yùn)動(dòng)的重力水。一、包氣帶對(duì)降水的再分配作用(續(xù))3.蓄滿產(chǎn)流

包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量前(即未蓄滿)不產(chǎn)流，降雨全部被土壤吸收，補(bǔ)充包氣帶缺水量；包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量后(即蓄滿)開始產(chǎn)流，之后的降雨扣除蒸發(fā)后全部形成凈雨。這種產(chǎn)流方式稱為“蓄滿產(chǎn)流”。4.超滲產(chǎn)流

干旱和半干旱地區(qū)，地下水埋藏深，流域包氣帶很厚，缺水量大，降雨過程中下滲的水量不易使整個(gè)包氣帶達(dá)到田間持水量，很少產(chǎn)生壤中流或地下徑流。但當(dāng)雨強(qiáng)超過土壤下滲能力時(shí)會(huì)產(chǎn)生地面徑流。這種產(chǎn)流方式稱為“超滲產(chǎn)流”。二、蓄滿產(chǎn)流與降雨徑流相關(guān)圖法1.蓄滿產(chǎn)流量的計(jì)算公式在蓄滿產(chǎn)流條件下，由水量平衡方程知：式中:x——一次降水的流域面雨量(mm)

；

Pa——降雨開始時(shí)刻流域的土壤含水量(mm)；

Im——流域的最大蓄水量(mm)；

I——一次降水的損失量，等于Im-Pa(mm)；

y——本次降水形成的總徑流深，包括地表和地下徑流。2.Pa的計(jì)算降雨開始時(shí)，流域內(nèi)包氣帶土壤含水量的大小直接影響降雨損失的大小。嚴(yán)格講，Pa不完全等同于土壤含水量。但它也能反映流域土壤的干濕程度，工程水文計(jì)算中用Pa代表土壤含水量。Pa也稱為前期影響雨量，其值取決于前期降水對(duì)土壤的補(bǔ)給量和蒸散發(fā)對(duì)土壤含水量的消耗量。

若t日無雨，顯然Pt=Rt=0；若t日有雨，因Rt難以確定，實(shí)際計(jì)算時(shí)仍按Rt=0處理，并以Pa不超過流域最大蓄水量Im為控制。若流域較大，Pa值應(yīng)按雨量站分塊計(jì)算，全流域Pa值由各塊Pa值加權(quán)平均。Pa的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

Pa,t+1=K·(Pt-Rt)+K·Pa

,t式中：Pa,t+1

—第t+1日開始時(shí)刻的前期影響雨量；

Pa,t

——第t日開始時(shí)刻的前期影響雨量；

Pt———第t日的降雨量；

Rt———第t日的產(chǎn)流量；

K———土壤含水量的日折減系數(shù)。

Im可根據(jù)水量平衡原理確定。閉合流域水量平衡方程：P-R-E=W

選前期十分干旱，雨末蓄滿的一次降雨產(chǎn)流過程的雨洪資料分析得到。因前期干旱，雨末蓄滿，故W初≈0，W末≈

Im，

Im=P-R-E。（Im，P，R，E的單位均為mm）

3.Im的確定流域最大蓄水量又稱流域蓄水容量。包氣帶含水量中有一部分水在最干旱的自然狀況下也不可能被蒸發(fā)掉，包氣帶蓄水容量是包氣帶達(dá)到田間持水量時(shí)的蓄水量與最干旱時(shí)的蓄水量之差。數(shù)值上等于包氣帶最干旱時(shí)的缺水量。

4.土壤含水量日折減系數(shù)K

K綜合反映流域蓄水量因流域蒸散發(fā)而減少的特性。流域蒸散發(fā)一方面取決于蒸散發(fā)能力Zm，另一方面取決于供水條件（即流域蓄水量），假定流域蒸散發(fā)量Z與兩者呈線性正比關(guān)系，若第t日不降雨，則根據(jù)水量平衡方程：

4.土壤含水量日折減系數(shù)K(續(xù))算例：某流域經(jīng)分析求得Im=100mm，6、7月份多年平均的流域日蒸散發(fā)能力為5.6mm/d和6.8mm/d，試計(jì)算下表中6月25日～7月5日的逐日Pa值。

土壤含水量日折減系數(shù)K(算例)

月日Pt(mm)KPa(mm)備注(1)(2)(3)(4)(5)6.2560.30.944

Wm=100mm

Pa為每日開始時(shí)的前期影響雨量6.2678.80.944

6.2714.70.9441006.28

0.9441006.29

0.94494.46.30

0.94489.17.1

0.93283.07.220.20.93277.47.321.90.93290.97.42.20.9321007.5

0.93295.32日8:00至3日8:00雨量=0.932×(77.4+20.2)=0.932×(90.9+21.9)=0.932×835.相關(guān)圖的制作降雨徑流相關(guān)圖是用每場(chǎng)降雨流域的面平均雨量P和相應(yīng)產(chǎn)生的徑流量R，以及影響徑流形成的主要因素建立的一種定量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。主要因素包括：前期影響雨量Pa、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度等。最常用的是R=f(P，Pa)的三變數(shù)相關(guān)圖。

PaPR

P～Pa～R相關(guān)圖具有以下特征：(1)Pa曲線簇在45o直線的左上側(cè)，Pa值越大，越靠近45o線，即降雨損失量越??；(2)每一Pa等值線都存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上的Pa線呈45o直線，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下為坡度大于45o的曲線；(3)Pa直線段之間的水平間距相等。6.相關(guān)圖的應(yīng)用相關(guān)圖是依據(jù)次降雨量與次洪徑流總量建立的定量關(guān)系。應(yīng)用中不僅可用于洪水徑流總量的預(yù)報(bào)，也可用于逐時(shí)段的凈雨量的推求。PaPR0P1R1P1+

P2R1+

R2P1+

P2+

P3R1+

R2+

R3

按蓄滿產(chǎn)流方式，一次降雨所產(chǎn)生的徑流總量包括地面徑流和地下徑流兩部分，在推求洪水過程線時(shí)要分別處理。即將凈雨h分成h地面和h地下。6、穩(wěn)定下滲率fc

的確定及水源劃分

當(dāng)流域降雨使包氣帶缺水得到滿足后，全部降水形成徑流，其中按穩(wěn)定下滲率fc

入滲的水量形成地下徑流，降雨強(qiáng)度超過穩(wěn)定入滲的那部分水量形成地面徑流。在水源劃分中，fc

是一個(gè)重要參數(shù)，它是土壤、地質(zhì)、植被等的綜合反映，可根據(jù)實(shí)測(cè)雨洪資料分析得到。6、穩(wěn)定下滲率fc

的確定及水源劃分（續(xù)）首先要推求出一次洪水的地下徑流總量y下

，及相應(yīng)的降雨過程xΔt～t，凈雨過程hΔt～t。然后采用試錯(cuò)法確定fc，具體步驟與算例見教材P46表4-3

。為保證精度，宜選產(chǎn)流計(jì)算誤差小的洪水。分析多次洪水，定出流域平均的fc值。

當(dāng)根據(jù)實(shí)測(cè)雨洪資料確定了穩(wěn)定下滲率fc

后，就可以對(duì)已知的凈雨過程劃分水源了。

三、超滲產(chǎn)流的產(chǎn)流量計(jì)算1、下滲強(qiáng)度曲線法

主要步驟：（a）設(shè)下滲能力只與土壤含水量有關(guān)，與其垂向分布無關(guān)，即Pa～f關(guān)系單一。由實(shí)測(cè)雨洪資料確定Pa～f關(guān)系；fPa（b）根據(jù)降雨開始時(shí)的Pa0查fp1，i1與fp1對(duì)比，確定第1時(shí)段的實(shí)際下滲量f1與凈雨量y1，Pa1=Pa0+f1（c）根據(jù)Pa1查fp2，i2與fp2對(duì)比，確定第2時(shí)段的實(shí)際下滲量f2與凈雨量y2，Pa2=Pa1+f2（如此循環(huán)……）時(shí)分iPa

fpfy地面16080.30.02.60.3016090.30.32.60.3016100.30.62.60.3016110.30.92.50.3016121.01.22.51.0016131.02.22.41.0016141.93.22.31.9016151.95.12.01.9016161.97.01.91.9016171.98.91.71.70.216183.310.61.61.61.7教材第49頁例題2、初損后損法

將損失分成兩部分，產(chǎn)流前的損失稱為初損（I0）。產(chǎn)流后的損失稱為后損，后損由產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)的下滲量（數(shù)值上等于產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)平均下滲強(qiáng)度×產(chǎn)流歷時(shí)）和后期不產(chǎn)流的雨量?jī)刹糠纸M成。

初損平均下滲強(qiáng)度產(chǎn)流歷時(shí)后期不產(chǎn)流雨量a)初損值的確定

建立Pa～I(xiàn)0的關(guān)系，必要的話以雨強(qiáng)或月份為參數(shù)建立關(guān)系。

2、初損后損法（續(xù)）

Pa～I(xiàn)0的關(guān)系可根據(jù)實(shí)測(cè)雨洪資料分析得到。具體來說，對(duì)每場(chǎng)降雨，按照前面介紹的方法計(jì)算降雨開始時(shí)的Pa，取流域出口斷面流量起漲點(diǎn)前的累積雨量作為I0。根據(jù)多組（Pa，I0）確定Pa～I(xiàn)0關(guān)系。b)平均下滲強(qiáng)度的確定

在初損確定后，產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)的平均下滲強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

后期不產(chǎn)流的降雨歷時(shí)降雨開始至流量起漲點(diǎn)的歷時(shí)初損、后損方案確定后，就可以由已知的降雨過程推求凈雨過程了。（教材P51例題）第三節(jié)流域匯流的分析與計(jì)算流域匯流分析計(jì)算的基本內(nèi)容：在分析計(jì)算流域內(nèi)凈雨過程和相應(yīng)的流量觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，擬定流域的匯流方案。利用擬定的匯流方案推求出口斷面的流量過程。流域匯流是指，在流域各點(diǎn)產(chǎn)生的凈雨，經(jīng)過坡地和河網(wǎng)匯集到流域出口斷面，形成徑流的全過程。

同一時(shí)刻在流域各處形成的凈雨到達(dá)流域出口斷面的距離有遠(yuǎn)有近、流速有大有小，所以不可能全部在同一時(shí)刻到達(dá)流域出口斷面。一、單位線

采用單位線法進(jìn)行匯流計(jì)算基于以下假定：(1)倍比假定：如果單位時(shí)段內(nèi)的凈雨不是一個(gè)單位而是k

個(gè)單位，則形成的流量過程是單位線縱標(biāo)的k倍。

(2)疊加假定：如果凈雨不是一個(gè)時(shí)段而是m個(gè)時(shí)段，則形成的流量過程是各時(shí)段凈雨形成的部分流量過程錯(cuò)開時(shí)段疊加。

1.單位線的基本概念

在給定流域上，單位時(shí)段內(nèi)分布均勻的單位地面凈雨量，在流域出口斷面所形成的地面徑流過程線。單位凈雨量