第21章 流域产流ppt课件.ppt

第2章 流域产流,2.1 概述,产汇流研究内容：从定量上研究降雨形成径流的原理和计算方法，包括流域的产流计算和汇流计算。产流计算：由降雨量计算能达到流域出口断面的径流深。即研究流域上一场降雨，扣除植物截留、填洼、蒸发、下渗等损失后，形成净雨量的计算方法；汇流计算：研究净雨沿地面和地下汇入河网，并沿河网汇集形成流域出口断面径流。分为坡地和河网汇流。,流域产流计算的意义：流域产流计算是由降雨量直接计算流域出口断面的径流量，较河段洪水预报（根据河段上断面的水位或流量，推求下断面的水位或流量）来说，预见期长。当河段上、下断面区间面积较大时，为了提高洪水预报精度，考虑区间降雨径流的影响，也常用降雨产流计算方法处理；另外，一些调节库容大的水库，通常只需计算一场降雨形成的洪量或一段时间的降雨产流量，就可以进行防洪与兴利调度了。常用的水文模型，将降雨径流过程分为产流和汇流两种机制。因此，降雨产流计算，既是生产实际的需要，也是研制水文模型的重要组成部分。,2.1 概述,2.1 概述,基本原理,基本原理闭合流域和非闭合流域,2.1 概述,基本原理非闭合流域水量平衡,R=P-E-WP-WS-WR交 R引 R其他,2.1 概述,In:P(降水)Out:E(流域蒸散发量)WP(植物截留量)WS(地面坑洼储水量)W（土壤蓄水量变化）R(径流量)R引(跨流域引水量，引入为正，引出为负)R交(流域不闭合径流交换量)R其他(其他因素引起的水量增减),基本原理闭合流域水量平衡,Rt=Pt-Et+Wt-Wt+1,无大的跨流域引水工程：R引=0无大的其他影响流域蓄水量增减的因素：R其他=0将冠层截留、填洼与土壤蓄水合并,Rt流域产流量 Pt 时段降雨量Et时段蒸发量Wt,Wt+1分别为时段初、末土壤蓄水量,2.1 概述,R=P-E-WP-WS-WR交 R引 R其他,=0,已知：Pt和Wt还需计算：Et利用蒸发计算模式（2.3节）计算Rt通过建立PtRt关系（相关图2.4、蓄满产流2.5、超渗产流2.6、混合产流2.7），利用Pt、Wt、Et推求Rt由上式计算Wt+1，返回1按上述方法逐时段推求Rt+1,？,与流域产流机制有关,2.2 产流机制分析,产流机制：即产生径流的物理条件。由于流域的地理、气候等特征的差异，导致流域降雨产流机制的不同。因此，根据流域的自然地理和气候特征，对复杂的流域产流物理过程进行必要的概化描述，是建立数学模型的前提。为简化模型结构，把降雨产流过程概化为超渗产流和蓄满产流两种基本模式。,2.2 产流机制分析,蓄满产流：包气带土壤含水量达到田间持水量（蓄水容量,Wm）的产流情况。当土壤蓄满后，降雨入渗到土壤中的部分将形成地下径流（Rg）；降雨超过入渗强度（fc）的部分形成地表径流（Rs）。总径流量：R=Rg+Rs。水量平衡平衡方程：R=P-E-(Wm-W0)超渗产流是指降雨强度过大，导致降雨强度超过下渗率，未渗入土壤的水量,便形成地表径流的产流过程。总径流量：R=Rs。水量平衡平衡方程：R=P-E-(We-W0),流域产流过程就是水分经过流域下垫面（包括地面和包气带）作用之后对降水的再分配的过程。因此，不同的下垫面条件对应不同的流域产流机制，从而进一步影响到整个流域径流发展的过程也不相同。,思考：两者的差异?地下径流雨强/雨量,2.2 产流机制分析,产流机制论证方法流量过程线分析气候、地理和下垫面特征分析1.流量过程线分析地面与地下径流向流域出口断面运动过程中，因流经的介质和路径不同，所受流域的调蓄作用不同，反映在流域出口断面的流量过程线（Qt）的涨落特征上有明显差异，为流域产流方式的论证提供信息。超渗产流和蓄满产流最本质的差别是：在一次洪水过程中，超渗产流没有或基本没有地下径流，蓄满产流地下径流比例大,2.2 产流机制分析,2.2 产流机制分析,形状不对称系数CS定量描述洪水过程线的对称性 流量过程线转化为总量为1的比例过程线,Cs不对称系数qt比例过程线的纵坐标tB过程线重心的时间t时间,Cs=-0.0099,Cs=0.7,2.2 产流机制分析,2.气候、地理和下垫面特征分析,表2-1、2-2列出了全国主要河流和各省、自治区、直辖市典型站点水文特征值,统计学,2.2 产流机制分析,综合分析,2.2 产流机制分析,r2=0.632,r2=0.234,r2=0.98,r2=-0.104,不同流域产流机制是什么？,综合分析,小结,2.1概述产流计算定义及研究内容产流计算研究意义产流计算基本原理（闭合、非闭合流域）2.2产流机制分析产流机制蓄满产流和超渗产流产流机制论证方法流量过程线分析气候、地理和下垫面特征分析综合分析重点难点：见红色部分。,2.3 流域蒸发量计算,1.流域蒸发量计算重要性在产流计算中流域蒸发量计算是产流计算的重要内容，既影响降雨期的产流量，也决定了无雨期土壤含水量的消耗，特别对于长时期的产流量估计，蒸发量是决定因素。,2.流域蒸散发：流域上不同蒸发面（水面、裸土、岩石、植被等）的蒸发和散发总称为流域蒸散发。一般流域内水面所占比重不大，所以土壤蒸发是流域蒸散发决定性部分。,2.3 流域蒸发量计算,陆面蒸发,3.蒸发模型的概化控制土壤蒸发的条件气象条件能量-蒸发面上水分子获得能量的多少动力-蒸发面上空气水汽输送的速度如何下垫面条件供水-蒸发面储存水量的多少土壤结构土壤颗粒组成有关的因素。,2.3 流域蒸发量计算,针对某一指定流域，土壤结构随时间变化不大，由蒸发公式中的常参数来反映，蒸发模型中可不考虑。,Es=Es（E0，W）,E0=f（气象要素）,2.3 流域蒸发量计算,3.蒸发模型的概化蒸发能力：充分供水条件下，单位时间从单位面积逸散到大气中的水分子与从大气中返回蒸发面的水分子数之差值。土壤蒸发能力Ep：土壤充分供水条件下的土壤蒸发量。是在当日气象条件下流域蒸发量的上限。,2.3 流域蒸发量计算,4.流域蒸发能力的确定在本课程中，通过水面蒸发值折算来获得,EPKC*E0,蒸散发折算系数,蒸发器实测,Ep=f（气象要素）=f(E0),蒸发器,2.3 流域蒸发量计算,4.流域蒸发能力的确定EPKC*E0,5.水面蒸发E0估计通常由蒸发皿实测而得，没有实测资料时，常用公式计算求得。计算方法水库水量平衡法空气动力学法彭曼经验公式 将空气动力学和能量平衡方程结合得出,2.3 流域蒸发量计算,：温度饱和水汽压曲线中气温T0处的斜率：湿度计常数，常取0.66 Qn：以蒸发单位表示的净辐射Ed：气温等于水温时的蒸发量,6.流域蒸发量推求地下水面（水位）：地下一定深度岩石中的空隙被重力水充满，形成一个自由水面，以海拔高度表示，称为地下水位。,图 包气带与饱水带示意图,2.3 流域蒸发量计算,饱水带：岩石空隙被水完全充满 固、液二相介质 水的存在形式：重力水、结合水 重力水连续分布（孔隙是连通）传递压力在水头差作用下，地下水可以连续运动。包气带：岩石空隙未被水充满 固、液、气三相介质并存 水的存在形式（多样）：结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水 包气带水的垂直分带 毛管悬着水带中间过渡带 支持毛细水带,Es=Es（Ep，W）,26,2.3 流域蒸发量计算,6.流域蒸发量推求包气带水分动态包气带水分的增长：下渗,包气带水分的消退：蒸散发、内排水,不同时间的土壤水分下渗剖面,不同时间的土壤水分蒸发剖面,2.3 流域蒸发量计算,6.流域蒸发量推求土壤蒸发三阶段土壤蒸发随土壤含水率的变化关系第一阶段：=c1,Es/EP=1.0第二阶段：c2c1，Es/EP=f()=*第三阶段：=c2,Es/EP=Cc1、c2为临界点含水率,c2 c1,2.3 流域蒸发量计算,6.流域蒸发量推求土壤蒸发三阶段分析 第一阶段：=c1蒸发特点：主要发生在土壤表层，表层土壤因蒸发而减少的水量通过毛管作用由下层得到充分补充，因此，E=Ep影响因素：气象因素第二阶段：c2c1蒸发特点：E继续，减小，上层土壤毛管水开始断裂。随毛管水断裂程度的加重，下层对上层供水速率变慢，因此，E减小影响因素：气象因素和土壤含水率第三阶段：=c2蒸发特点：毛管水完全断裂，即毛管输送水分完全破坏，只能以膜状水或气态水形式移动，速度慢，数量小，因此，E小而稳定影响因素：气象因素和地下水埋深,6.流域蒸发量推求流域蒸散发计算模式三层蒸发模型,EU,WU,WUm,EL,WL,WLm,ED,WD,WDm,上土层蒸发量：EU=Em,下土层蒸发量：EL=Em.WL/WLm,深土层蒸发量：ED=C.Em,土壤蒸发量：E=EU+EL+ED(notes:同时刻相加）,2.3 流域蒸发量计算,6.流域蒸发量推求流域蒸散发计算模式三层蒸发模型,2.3 流域蒸发量计算,EP流域蒸发能力C.WLm毛管完全断裂含水量，即下层土壤最大扩散能力C.(Ep-EU)下层土壤扩散能力,2.3 流域蒸发量计算,6.流域蒸发量推求一层蒸发模式假定流域蒸发量与土壤含水量成正比二层蒸发模式将流域蓄水量WM分为上层WUM和WLM。假定蒸发先消耗上层土壤含水量，再消耗下层。上层按流域蒸发能力蒸发下层蒸发量与下层土壤含水量成正比,2.3 流域蒸发量计算,6.流域蒸发量推求三层蒸发模式增加下层最小蒸发扩算系数C，下层蒸发：由公式及相关实例表明，三层蒸发模式计算蒸发量最大，二层次之，一层最小。二层模式简化了深层结构，忽略了深层土壤的扩散作用，当WL很小且持续无雨时，蒸发量比三层模式计算的小；一层模式既没考虑深层蒸发，也没考虑供水充足时应按蒸发能力蒸发，导致计算结果偏小。,小结,2.3 流域蒸发量计算流域蒸发量计算重要性流域蒸散发概念及分类流域蒸发模型的概化流域蒸发能力的确定水面蒸发E0估计流域蒸发量推求重点难点：见红色部分；难点为流域蒸发量推求。,作业：1.土壤蒸发三阶段分析2.p22，一层、二层、三层模式蒸发量计算。,2.4 实测径流分析,流域出口断面的流量过程线往往是由若干次暴雨所形成的洪水径流组成，因此，除本次降雨形成的径流外，还可能包括：(1)前期洪水尚未退尽的水量及非本次降雨补给的深层地下径流；(2)若本次洪水尚未退完又遇降雨，还会有后期洪水进入；因此，为了研究暴雨与洪水之间的关系，必须将流量过程线加以分割。,2.4 实测径流分析,另外，本次降雨形成不同的水源：地面径流、壤中流、地下径流。,地面径流：运动速度快、流程短、受到调蓄作用小；形成流量过程陡涨陡落，是涨洪和洪峰附近流量过程的主体部分,地下径流：运动速度慢、流程长、受到调蓄作用大、汇流时间长；是洪水退水尾部主体部分，常延续至后续洪水过程中,由于地表径流和地下径流汇流特性不同，还需分析总径流深中不同径流成分及其比例。,2.4 实测径流分析,主要任务：一是分割次洪水。即将非本次降雨形成的径流分割出去，求出本次洪水的总径流量。依据是流域平均退水曲线。二是划分水源。由于不同水源的水流运动规律不同，所以还需将本次洪水径流总量划分为不同的水源（地面径流、地下径流）。依据是流域地下水退水曲线。,2.4.1 退水曲线分析 流域退水曲线即流域蓄水量的消退过程曲线1.组合退水曲线 绘制具体步骤如下：以相同的比例尺，在半对数坐标纸上点绘出各场洪水的退水流量过程线；再用一张透明半对数坐标纸，左右移动，移动位置尽可能使各次退水过程线的尾部相重合，由此得组合退水曲线；最后作光滑下包线(低水部重合的直线)就构成流域地下水退水曲线；各次退水过程求平均，得到流域平均退水曲线。,组合退水曲线示意图,2.退水曲线指数方程从0t 积分退水方程 K的物理意义：当泄流量为Qt时，泄完蓄水量Wt所需的时间，或流域平均汇集时间,把地下水退水方程写成递推形式：令：C:流量消退系数，反映退水速率快慢。(C1),确定Cg法1：Cg可直接由计算时段（t=1）始末两个实测退水流量来确定。即根据退水曲线上每隔t的流量值Q t+1、Q t，可算出由于实测流量资料存在观测误差和缺乏代表性，若只用一组数据，会引起较大误差。因此资料要有一定的样本容量和充分的代表性，即要包含各种特性的洪水（不同降水时空分布、退水发生在汛初、汛中、汛末等），最后，可用最小二乘法估计Cg。,法2：根据退水方程有 lnQtt 成线性关系，由若干个Qt 点绘 lnQtt 图，直线的斜率为-1/Kg，从而定出Kg。,3.相邻时段流量关系图法,直线段坡度地下水消退系数C,2.4.2 次洪径流深计算 方法1：平割法当洪水的起涨流量小于后继洪水的起涨流量时，用流域平均退水曲线将退水过程BC延长到与起涨流量相等，如图中D点。用梯形法求面积，则径流深：,2.4.2 次洪径流深计算 方法2：蓄泄关系法流域出口断面流量过程线，除本次降雨形成的径流外，还可能包括：(1)前次洪水尚未退尽的水量。(2)本次洪水尚未退完的水量。因为本次洪水尚未退完时又遇降雨，会有后期洪水进入。,2.4.2 次洪径流深计算 方法2：蓄泄关系法Re前、Re后的计算建立退水流量与退水径流深之间的关系，绘制Q0 Re。,2.4.2 次洪径流深计算 次洪分割中需注意的问题：平割法和蓄泄关系法，分割洪水都用的是流域平均退水曲线（即认为所有的洪水的退水规律相同），但是前次洪水的退水规律与本次洪水退水规律不同时，会导致较大误差。,因此，编制降雨产流量预报方案时，尽量选择前后起涨点都低，流量相差不大的洪水。,2.4.3 水源划分除了研究降雨量与径流深之间的关系（PR）,由于地表径流和地下径流汇流特性不同，还需分析总径流深中不同径流成分及其比例。最常用的是分割直接径流和地下径流。,斜线分割法将起涨点A与直接径流终止点B直线相连，AB线以上为直接径流WS，以下为地下径流Wg。分别除以流域面积F即可得到其地面径流深RS、地下径流深Rg。,地下径流分割示意图,初始土壤含水量：是表示降雨开始时，包气带土壤湿润程度的物理量。是影响降雨径流形成过程的一个主要因素。土壤含水量与前期降雨有密切关系，在资料不充分的情况下，可以用参数前期影响雨量（Pa）来反映。,2.5 降雨径流经验相关法,前期雨量指数模型(API)降雨径流相关图的建立降雨径流相关图的应用1.降雨径流相关图的建立主要影响因素：W0,T(降雨历时),M(季节),暴雨类型(Type),暴雨中心(Center)可以根据流域的具体情况加以选用。方法简单，有一定精度，实际工作中应用广泛,前期降雨指数（前期影响雨量）计算由上可知，Pa对降雨径流关系影响最大，一般用经验公式计算为便于计算，采用递推形式：对无雨日：上式限制条件：当Pa,t+1Wm 时，Pa,t+1=Wm长时间无雨时，可取起始Pa 值较小些，或令Pa0。一次大雨后，土壤比较饱和，可取起始PaWm。,Pa，t为t日上午8时的前期降雨指数;n为影响本次径流的前期降雨天数，常取15天左右；k为常系数，一般取0.85.,降雨径流关系图绘制 根据流域内多次暴雨的雨量P(扣除蒸发量），对应的径流量R，初始土壤含水量Pa，可点绘以Pa为参数的PPaR相关图。,特征：1)曲线簇在450直线上方(why?)；Pa越大，越靠近450直线。2)转折点以上为450直线，以下为下凹的曲线(why?)。3)Pa直线段之间水平间距相等。,PPaR相关图,降雨径流相关图的应用已知某次降雨各时段雨量分别为P1,P2,P3，,前期降雨指数Pa,如何推求R?,降雨径流相关图的应用例：某次降雨各时段雨量分别为P1,P2,P3，P4。前Pa=58mm，,内插W0=58mm相关线,解：由已知内插Pa=58mm相关线,