工程水文学第四章课件

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1、第四章 流域产汇流分析,第二章对径流的形成过程作了定性的描述，本章从定量的角度阐述降雨形成径流的原理和计算方法，它是以后学习由暴雨资料推求设计洪水、降雨径流预报等内容的基础。,降雨P(t) 蒸发E(t),产流计算,净雨R(t),汇流计算,流域出口断面 径流过程Q(t),数量上相等,第一节 概述,一. 流域产汇流计算基本内容 由流域降雨推求流域出口的河川径流，大体上分为两个步骤： 产流计算：降雨扣除截留、填洼、下渗、蒸发等损失之后，转化为净雨的计算称为产流计算。 汇流计算：净雨沿着汇入地面和地下河网，并经河网汇流形成流域出口的径流过程的计算称之为汇流计算。,二. 流域产汇流计算基本流程和思路 产

2、流与汇流之间的联系可简明地表示成图5.1所示的流程图。,图5.1,基本思路:先从实际降雨径流资料出发，分析产流或汇流的规律；然后，用于设计条件时，则可由设计暴雨推求设计洪水，用于预报时，则由实际暴雨预报洪水。,第二节 降雨径流要素计算,一、流域降雨分析 （一）单站降雨特性分析（点降雨特性） 点降水量（point rainfall） 由于雨量观测站观测到的降雨量仅代表其周围 小范围内的降水量，故称为点降水量。,点降雨量用以下几个特征值描述： 降雨量（Rainfall volume ） 为一定时段内降落到地面上的总雨(mm=mm3/mm2)； 降雨历时（Rainfall volume） 一次降雨所

3、经历的时间(day或h)； 降雨强度（Rainfall intensity) 为单位时间内的降雨量(mm/min或mm/h)；, 降雨面积（(Rainfall area) 指降雨笼罩的水平面上的面积，其反映雨区的大小； 降雨中心（Rainfall center) 指降雨面积上降雨量最为集中且范围较小的局部地(区)点。,降雨量在时间上的变化特性的图形表示 降雨强度过程线（Rainfall process） 表示降雨强度随时间的变化过程，表示方法如下： 降雨强度过程线（降雨量过程线）,注：其纵坐标（左）为时段内降雨量（实际为降雨强度）， 横坐标为时序，通常以直方图或曲线表示。,0 1 2 3 4

4、5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t（h）,累积降雨过程线 (Accumulation rainfall mass curve),注： 其横坐标为时序； 纵坐标为降雨开始到 各时刻的降雨量的累积值。,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t（h）, 降水强度历时曲线： (Rainfall intensity-duration curve),说明： 根据一场降雨过程的记录统计其不 同历时内最大平均 降雨强度，以其为 纵坐标，以历时为 横坐标，由大至小绘成的变化曲线。它的变化规律是雨强与历时长短成反比。,时间（h）,降雨强度过程线,（二）流域降雨量的

5、计算 面平均降水量 (Areal mean Rainfall) 实际生产上水文工作多以流域作为研究对象，面降 雨量多指流域平均雨量 ，通常称为面平均雨量。一般由已知的各点雨量来推求面雨量。 由点雨量估算面雨量的常用方法：,流域平均雨量计算： 1. 算术平均法 条件：流域内雨量站分布较均匀、地形起伏变化不大。,2. 垂直平分法（泰森多边形法） 条件：流域雨量站分布不太均匀，为了更好地反映各站在计算流域平均雨量中的作用。 假设：流域各处的雨量可由与其距离最近的雨量站代表。,3. 等雨量线法 条件：当流域地形变化较大，而雨量站分布较密，能结合地形变化绘制等雨量线时。,该方法能考虑流域地形的变化绘制等

6、雨量线，比较好地反映了降雨在流域上的变化，精度较高。,但是绘制等雨量线需要较多站点的资料，且每次都要重绘，工作量大。,等值线法的优点： 求流域平均降水量精度较高，适合于地形变化显著的流域； 能反映出降雨量在空间的实际分布情况。 等直线法的不足： 绘制等雨量线需较多站点雨量资料；不同时段的等值线图需重绘，工作量大。,二、径流量计算,一次洪水流量过程,地面径流 表层流径流 地下径流 前期洪水未退完的部分水量 非本次降雨补给的深层地下径流,本次洪水形成,割除,A,E,G,B,C,H,I,D,t(h),Q(m3/s),F,深层地下径流（基流）,前期洪水未退完的部分,本次降雨形成的径流过程,二.径流量计

7、算 （一）降雨场次划分 降雨场次的划分一定要与洪水场次的划分相对应。 如图5.10所示，当把洪水划分为两次时，暴雨也要相应地 划分为两次，且两两对应，前次暴雨对应前面的洪水 ，后次暴雨对应后面的洪水，切不可混淆。,图5.10,（二）洪水场次划分及径流过程线分析 1.洪水场次划分 洪水场次划分是指，将非本次降雨产生形成的径流分割 出去。如图5.11，多数情况下，与本次降雨所对应的径流 过程，不仅包括本次降雨形成的地面、地下径流，而且 还包括前期降雨的地下径流。,2.径流过程线的分析,2.径流过程线的分析,（3）,3. 径流量的计算 黄色的面积（ABCDFA）：,A,E,G,B,C,H,I,D,t

8、(h),Q(m3/s),F,深层地下径流（基流）,前期洪水未退完的部分,本次降雨形成的径流过程,C,D,CDD的面积与AEF大约相等，ABCDFAABCCDFEA,方法一：水平线分割法:,适用情况：对地下径流小，洪水历时短的流域,ac地面地下径流分割线,（2）水源划分,方法二：斜线分割法 地下径流比重大，洪水持续时间长的流域,方法三：经验公式,N洪峰流量时刻到直 接径流终止点的时间 F流域面积,三、前期影响雨量 降雨开始时， 流域土壤的干湿程度（即土壤的含水量大小）是影响降雨形成径流过程的一个主要因素。 如何来表示流域的土壤含水量？ 前期影响雨量Pa、流域的蓄水量W,三、前期影响雨量,1.反映

9、全流域前期土壤湿润状况的指标 雨前流域的蓄水量W0（应用水量平衡法计算） 流域出口径流过程线的起涨点相应的流量（起涨流量Q) 前期影响雨量Pa,（一）前期影响雨量Pa的计算公式,如果第t日内有降雨Pt，但未产流，则,如果第t日内有降雨Pt并产生径流Rt，则,注意：PaWM，若计算出PaWM，则取Pa=WM。,（二）流域最大蓄水量WM 和消退系数K 1.流域最大蓄水量WM 流域蓄水容量 田间持水量与调萎系数的差值,流域实际蓄水量在0WM之间变化。,2. 消退系数K 消退系数综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性。 流域蒸散发取决于： 1）流域蒸散发能力EM； 2）流域供水条件，即流域蓄水量W

10、、WM; 第t日的流域蒸发量：,若第t日无雨，则该日流域前期影响雨量的减少全部转化为流域蒸散发，故：,又：,代入：,得：,EM为流域蒸发能力， 可用E601观测器观测的水面蒸发值作为近似值,第三节 蓄满产流的计算 蓄满产流以满足包气带缺水量为产流控制条件。 就流域中某点而言，蓄满前的降雨不产流，净雨量为零；蓄满后才产流，产流量（总净雨量）可以很简单地用下面的水量平衡方程计算：,由于流域上不同的点，蓄满有早有晚，产流有先有后，所以还要考虑降雨开始时流域的蓄水分布情况（即流域蓄水容量分布曲线），求得各点缺水量在流域上的分布，与上式合解，得流域的净雨深R。,一、降雨径流相关图法 每场降雨过程流域的面

11、平均雨量 相应产生的径流量 影响径流形成的主要因素,相关分析，建立相关图,Pa、W0、降雨历时等,1）随着降雨量的增加，产流面积也随之增加。,2）产流面积的变化与降雨强度无关。降雨强度只影响径流的分配，而不影响总径流量。,在我国湿润和半湿润地区最常用的是PPaR三变量相关图,两时段降雨： P1=49mm P2=81mm,降雨开始时： Pa=60mm,由 P1=49mm,查得R1=20.0mm。,（49mm),由 P1 +P2=130mm,查得R1+R2=80.0mm。,(130mm),则第二时段净雨为R2=80-20=60mm,降雨相关图的规律： 1）P相同，Pa越大，损失越小，R越大，故Pa

12、等值线的数值自左向右增大。 2）Pa相同时，P越大，损失相对于P越小，径流系数越大，PR线的坡度随P的增大而减缓，但不应小于45。,降雨径流相关图也可简化为P + Pa R 关系,第三节 蓄满产流的产流计算 二、流域蓄水容量（面积分布）曲线,二.,b,a,f,e,g,则有：,流域蓄水曲线用B次抛物线表示后： 流域蓄水容量WM为：,前次降雨a由下式求出： 起始蓄水量W0,（1）,（2）,将（1）式代入(2)式整理得,当 时，局部产流量,当 时，,（3）,（4）,流域蒸散发量的确定,一层模型： 假定流域蒸散发量与流域蓄水量成正比，则有：,时段内流域的蒸散发能力,含水量W,三层蒸散发量计算公式,含水

13、量W,Wdm,深层,当 即,当 即,当,当,三、地面地下径流的划分Partition of total runoff,分析：总径流量R的划分指区分地表径流Rs和地下径流Rg。在蓄满产流的模式中，只有当产流面积上的土层的含水量达田间持水量Wm时，才会产生径流量R。由于此时土层的含水量很高，故可认为入渗率达到稳定入渗率fc ，因此，进入土层的降雨以稳定入渗率fc 的速度形成地下径流。 可见，地下径流量取决于产流面积大小(=f /F )、降雨强度i 与稳定入渗率fc 的相对关系。,地面径流,(1),(2),推求流域的稳定下渗率 若已知流域一场降雨各时段t的径流R和地下径流Rg，则可由（2）式推求该场

14、雨的稳定下渗率fc，常用试算的方法求出。 试算方法为：假定一个fc带入（2）式，计算出一个Rg，与给定Rg值比较。 实际工作中，常会遇到各场洪水的fc 变化较大，这主要是流域降雨很不均匀和出现时间不一致造成的。,第四节 超渗产流的产流量计算 （一）概述 在干旱半干旱地区，地下水埋藏很深，流域的包气带很厚，缺水量大，降雨过程中的下渗的水量不易使整个包气带达到田间持水量，所以不产生地下径流，并且只有当降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流，这种产流方式称为超渗产流。关键是确定流域下渗的变化规律。,第四节 超渗产流的分析与计算,用实测的雨强过程it,扣除下渗过程fp他，即可得产流量过程Rt。,一、下渗

15、曲线法,初渗阶段，降雨全部损失，不产流。 i0f, i0 初损。,不稳定下渗和稳定下渗阶段， if，产流R if，下渗损失 后损,由水量平衡原理得： I0初损；t0初损历时； ts产流历时； 后损中的非超渗雨。,二.初损后损法计算地面净雨过程 （一）基本原理,将下渗损失过程简化为初损和后损两个阶段 初损：产流前降雨量全部损失I0（if），包括植物截流、填 洼等，历时t0 后损：产流后的损失， 为平均下渗能力。 产流历时 tR内if，取f = ，地面净雨强度为I- ，产生地面净雨深Rs if ，Rs=0，按i下渗,（二）超渗产流的产流量计算 初损后损法 1. 降雨初期到出现超渗产流，这一阶段称为初损阶段，历时为t0。降雨全部损失I0。 2.产流以后的降雨期为后损阶段，损失减小。损失按f来计算。 ftR + P,平均下渗能力f,t0,t0,tr,t,I0,P,ftR,(1) 初损量I0的确定： 对于小流域，径流过程的起涨点以前的累积雨量可以作为初损的近似值。 对于大流域则要考虑流域内各雨量站至流域出口断面汇流时间不同的问题。分别确定各自的产流开始时刻，再确定初损。,平均下渗能力f,t0,t0,tr,t,I0,P,ftR,(2) 平均后