水文学原理计算课件.ppt

水文学原理计算,水文学原理计算水文学原理计算第四章 流域产流与汇流计算4.1 概述4.2 流域降雨径流要素计算4.3 蓄满产流计算4.4 超渗产流计算主要内容4.5 流域汇流计算4.6 河道汇流计算4.2 降雨径流影响要素计算1、降雨量2、径流量3、土壤含水量主要内容,2 径流量,（1）径流深计算,（1）径流深计算（2）径流过程分割（3）水源划分,4.2 降雨径流影响要素计算,径流深计算,Q(m3/s),t(h),4.2 降雨径流影响要素计算,2 径流量,地面径流退水较快，而地下径流退水历时较长。实测流量过程线往往是由若干次暴雨所形成的洪水径流组成。为了研究暴雨与洪水之间的关系，必须流量过程线加以分割，可采用退水曲线方法。,（2）流量过程线分割,4.2 降雨径流影响要素计算,2 径流量,4.2 降雨径流影响要素计算,（2）流量过程线分割（why）,2 径流量,流域出口流量过程线除本次降雨形成的径流以外，往往还包括前期降雨径流中尚未退完的水，在计算本次径流时，应当把这部分水量从流量过程线中分割出去,4.2 降雨径流影响要素计算,（2）流量过程线分割,退水曲线是流域蓄水消退曲线，对同一流域的各次洪水，将若干条流量过程线的退水部分绘于透明纸上，然后沿时间轴左右移动，使退水线尾部重合，其下包线可作为标准的地下水退水曲线。,2 径流量,4.2 降雨径流影响要素计算,（2）流量过程线分割（how）,2 径流量,流域蓄水量的消退过程线称为退水曲线。不同次降雨形成的流量过程线的分割常采用退水曲线,4.2 降雨径流影响要素计算,（2）流量过程线分割退水曲线,Q0,4.2 降雨径流影响要素计算,（2）流量过程线分割退水曲线,4.2 降雨径流影响要素计算,（2）流量过程线分割退水曲线,4.2 降雨径流影响要素计算,当t=0时？,（2）流量过程线分割退水曲线,4.2 降雨径流影响要素计算,【讨论1】,（2）流量过程线分割退水曲线,方法1：根据地下水退水曲线上每隔t的流量值Q（t）、Q（t+t），可算出,确定Kg的方法,取若干计算值的平均值作为流域的Kg。,4.2 降雨径流影响要素计算,（2）流量过程线分割退水曲线,方法2：根据退水方程,4.2 降雨径流影响要素计算,确定Kg的方法,（2）流量过程线分割,退水曲线,次洪水过程线划分,t,4.2 降雨径流影响要素计算,地表径流和地下径流汇流特性（水流运动规律）不同，一般还要划分地面径流和地下径流。,4.2 降雨径流影响要素计算,（3）水源划分,地下径流分割示意图,A,B,N=0.84F 0.2,地下径流,地表径流,起涨点,地表径流停止点,4.2 降雨径流影响要素计算,N为洪峰出现时刻至地面径流终止点的日数，F为流域面积，Km2,（3）水源划分退水曲线,说明：地下退水曲线的尾部与流量过程线退水段重合，分离点为地面径流终止点,土壤含水量是表示包气带土壤湿润程度的物理量，土壤保持水分的最大量称为田间持水量。田间持水量与凋萎含水量的差值称流域蓄水容量（Wm）。土壤含水量与前期降雨有密切关系，可以用参数 前期影响雨量（Pa）来反映。,4.2 降雨径流影响要素计算,3 土壤含水量,不透水层,土壤含水量变动地带,4.2 降雨径流影响要素计算,3 土壤含水量,4.2 降雨径流影响要素计算,3 土壤含水量,土壤含水量一般是根据流域前期降雨、蒸发及径流过程，依据水量平衡采用递推公式推求,（1）选择前期流域出现大暴雨的次日作为起始日，相应的土壤含水量为Wm（2）选择流域长时间干旱期作为起始日，相应的土壤含水量为0或者较小值（3）提前较长时间，eg：15-30天，假定一个土壤含水量（如0.5Wm）作为初值，经过演算，误差会减小到允许的程度,3 土壤含水量,4.2 降雨径流影响要素计算,起始含水量选择,在实际工作中，Wm 可看作流域十分干旱情况下降雨产流过程的最大损失量。,对于包气带不厚且雨量充沛地区，可选取久旱不雨（雨前Pa=0）后一次降雨量较大资料（雨后Pa=Wm），则 Wm=P-R-E雨,3 土壤含水量,4.2 降雨径流影响要素计算,4.2 降雨径流影响要素计算,3 土壤含水量,问题：,4.2 降雨径流影响要素计算,3 土壤含水量,（1）流域蒸发量的计算,流域蒸发能力：在当日气象条件下流域蒸发量的上限,【注】P31中所列公式为水面蒸发计算公式，此处为流域蒸发能力公式 比较水面蒸发量、蒸发器蒸发量、流域蒸发量、流域蒸发能力,4.2 降雨径流影响要素计算,3 土壤含水量,（1）流域蒸发量的计算,一层蒸发模式,假定：流域蒸发量与土壤含水量成正比,【讨论】,形式简单，但未考虑土壤水分垂直分布的情况。当包气带土壤含水量较小，而表层土壤含水量较大时，按该模式计算出来的蒸发量偏小，eg：久旱降了一场小雨，雨量仅仅补充了表层土壤，就是这种情况,4.2 降雨径流影响要素计算,3 土壤含水量,（1）流域蒸发量的计算,二层蒸发模式,4.2 降雨径流影响要素计算,3 土壤含水量,（1）流域蒸发量的计算,三层蒸发模式,以两层蒸发模式为基础，确定下层最小蒸发系数C,4.2 降雨径流影响要素计算,3 土壤含水量,（2）前期影响雨量计算,公式：,K是与流域蒸发量有关的土壤含水量日消退系数,若采用一层蒸发模式，假定Et与Pat 成线性关系，则：,无雨日：,3 土壤含水量,4.2 降雨径流影响要素计算,（2）前期影响雨量计算,递推公式起始日的Pa是假定的，但起始日从何时开始呢？例如，Pa起始计算时间相隔30天，当K0.90时K300.04,说明最大误差不到起始误差的5。长时间无雨时，可取起始Pa 值较小些，或令Pa 0。一次大雨后，土壤比较饱和，可取起始PaWm。,3 土壤含水量,4.2 降雨径流影响要素计算,（2）前期影响雨量计算,【讨论】,【例】某流域Wm=100mm，6月份Em5.6mm/d,7月份Em 6.8mm/d。推求7月2日3日的P和雨前Pa值。,K615.6/100=0.944 K7 16.8/100=0.932,4.2 降雨径流影响要素计算,第四章 流域产流与汇流计算,4.1 概述,4.2 流域降雨径流要素计算,4.3 蓄满产流计算,4.4 超渗产流计算,主要内容,4.5 流域汇流计算,4.6 河道汇流计算,4.3蓄满产流计算,1 蓄满产流,3 蓄满产流模型,4 水源划分,2 净雨径流相关图,主要内容,在湿润地区，包气带缺水易为一次降雨所蓄满，则产流量R 可由降雨量P减去降雨开始时土壤缺水量(Wm-W0)求得。即雨量补足包气带缺水量后，全部形成径流，这种产流方式叫做蓄满产流,定义,4.3蓄满产流计算,1蓄满产流,雨量充沛，地下水位高，包气带较薄，包气带下部含水量经常保持田间持水量，汛期的包气带缺水量很容易为一次降雨所蓄满,【说明】上式适用于包气带各点蓄水容量相同，或全流域产流的情况,Wm-W0,降水,带,蓄满产流计算示意图,1蓄满产流,4.3 蓄满产流计算,1蓄满产流,流域产流过程示意图,部分面积产流,全面产流,包气带,W0=Wm,根据流域内多次暴雨的雨量P，对应的径流量R，初始土壤含水量WO，可点绘以Pa为参数的P WO R相关图。,已知流域各次P、R，制定产流方案：K,Wm，PW0R 相关图,4.3 蓄满产流计算,2 降雨径流相关图,（1）编制（2）应用（3）简化形式,（1）建立降雨径流相关图,【强调】此处的降雨是指扣除雨期蒸发量的P，即净雨,【强调】WO=Pa,PePaR 相关图,4.3 蓄满产流计算,2 降雨径流相关图,（1）建立降雨径流相关图,Pa=0 20 40 60 80 100,Pe(mm),R(mm),R1 R2 R3 R4,例：某次降雨前Pa=58mm，各时段雨量分别为P1,P2,P3，P4。,（2）降雨径流相关图的应用,内插Pa=58mm相关线（红线）,查得相应的R1，R2，R3，R4,4.3 蓄满产流计算,2 降雨径流相关图,Pa=0 20 40 60 80 100,58,P(mm),R(mm),已知 Pa=58mm,4.3 蓄满产流计算,2 降雨径流相关图,（2）降雨径流相关图的应用,降雨径流关系也可采用简化形式，以P+Pa为纵坐标R 为横坐标点绘相关图。,4.3 蓄满产流计算,（3）简化的降雨径流相关图,2 降雨径流相关图,【例】已知 Pa=58mm,4.3 蓄满产流计算,4.3 蓄满产流计算,3 蓄满产流模型,【说明】上式适用于包气带各点蓄水容量相同，或全流域产流的情况,【问题】包气带各点蓄水容量不同且未全流域产流的情况如何计算？,蓄满产流模型,流域内各点包气带的蓄水容量是不同的。以包气带达到田间持水量时的土壤含水量Wm为纵坐标，以流域内小于等于该 Wm的面积占全流域的面积比 为横坐标，所绘的曲线称为流域蓄水容量曲线。,4.3 蓄满产流计算,3 蓄满产流模型,【说明】书P80中，定义错误，写成“大于”了,将流域内各点蓄水容量Wm从小到大排列，最大值为Wmm,计算小于某一Wm的面积占流域面积的比重为，则可绘制Wm关系曲线，称之为流域蓄水容量曲线,B反映流域内蓄水容量空间分布不均匀性的参数，取值范围一般为0.2-0.4,How to表示流域蓄水容量曲线？,用实测降雨径流资料选配曲线，间接确定。经验表明，流域蓄水容量曲线是一条单增曲线，可用B次抛物线表示：,4.3 蓄满产流计算,W0对应的最大点蓄水容量A,Wm,流域蓄水容量曲线,Pe,W0,W,R,0,A,A+Pe,Wm,流域蓄水容量曲线,Pe,W0,R,0,A,A+Pe,W=Wm-W0,=P+W0-Wm,R=P W=P(Wm W0),蓄满产流模型基本公式（产流参数Wm、b）,4.3 蓄满产流计算,3 蓄满产流模型,全流域产流,局部产流,新书P80式（4-25）有错,Pe,蓄满产流计算过程,4.3 蓄满产流计算,3 蓄满产流模型,前期影响雨量的求解,地面径流和地下径流汇流的规律是不相同的。如果由已知雨量 P从降雨径流相关图上查得径流量 R 后，还需再分成地面和地下两部分，以便进行汇流计算。,4.3 蓄满产流计算,4 水源划分,在降雨过程中，流域上产生径流的区域称为产流区，其面积称为产流面积，一般以占全流域面积的百分比表示。,在产流面积上，包气带缺水量已经满足满足，产流量 R 按稳定下渗率fc下渗，下渗的水量形成地下径流 Rg，超过稳定下渗率的部分形成地面径流 Rs（包括壤中流）。,4.3 蓄满产流计算,潜 水,fc,Rg,Rs,Pe,R Rg+Rs,二水源产流模式,4.3 蓄满产流计算,土壤缺水小、先蓄满的地方先产流 产流面积随着降雨继续而不断增大 产流面积大小与降雨量和初始土壤含水量 有关，与降雨强度无关。,蓄满产流面积的变化有如下特点：,4.3 蓄满产流计算,Pe,R,Fr,Fr R/Pe,如果已知稳定下渗率fc，可以根据净雨过程划分水源,4.3 蓄满产流计算,（）fc 的分析推求,稳定入渗率fc可用的降雨径流资料采用试错法得到。根据实测降雨过程、净雨过程、地下径流总量，假设一个fc代入公式计算，当计算得地下径流总量值与实际值相等时即为所求fc。分析多次洪水，定出流域fc的平均值。,4.3 蓄满产流计算,【例】某流域一次降水过程如表 3-4 所示，地下径流量 38.1mm，试推求稳定下渗率 fc。,产流面积R/PeFC fc t 产流面积,【例】设 fc=2.0mm/h，得 RG=47.1mm，不等于38.1mm。再假设 fc=1.6 mm/h，RG=38.6 mm，与 38.1 mm 相差很小。fc=1.6 mm/h,【例】已知某流域流域降雨径流相关图和稳定入渗率fc 1.5mm/h,一次实测暴雨过程如表（1）（2）栏。请根据 fc 将净雨划分为地表净雨hs和地下净雨hg。,（2）fc 的应用,第（3）栏：查降雨径流相关图得时段净雨量h；第（4）栏：产流面积Fr=h/Pe；,第（5）栏：时段最大稳定下渗量Fc=fctFr；,第（6）栏：根据fc将净雨划分地下净雨,第（7）栏：地表净雨 hs=h hg,第四章 流域产流与汇流计算,4.1 概述,4.2 流域降雨径流要素计算,4.3 蓄满产流计算,4.4 超渗产流计算,主要内容,4.5 流域汇流计算,4.6 河道汇流计算,干旱地区的地下水埋藏很深，包气带可达几十米甚至上百米，降水不易使包气带蓄满，下渗的水量一般不会产生地下径流。只有降水强度超过下渗率时才有地面径流产生。这种产流方式，称为超渗产流。,4.4 超渗产流计算,定义超渗产流模式,4.4 超渗产流计算,产流计算,超渗产流地区降雨强度对下渗起显著作用，由而降雨推求径流可以采用下渗曲线。下渗曲线是干燥士壤在充分供水条件下流域下渗能力过程线。将降雨强度减去下渗率就可得到净雨强度过程。这样求得的净雨量，代表地面径流，不包括地下径流部分。,一、下渗曲线法,4.4 超渗产流计算,下渗能力曲线,4.4 超渗产流计算,下渗能力曲线,下渗能力曲线,4.4 超渗产流计算,若W0不同，则f0不同，下渗能力曲线不同,【说明】,4.4 超渗产流计算,下渗曲线法,流域上每次降雨的强度并非在持续大于下渗率，不能保证充分供水条件；其次是初始土壤含水量不等于0，因此，每次降雨实际下渗曲线是不同的。,解决方法是将下渗率随历时变化的曲线f(t)转换成随土壤含水量W变化的曲线f（W）,4.4 超渗产流计算,【Problem】,Wi,t,f(Wi)=f(ti),0,ti,f(ti),下渗率随历时变化曲线,W,f(Wi),Wi,下渗率随土壤含水量变化曲线f-W关系曲线,下渗能力曲线,4.4 超渗产流计算,f-W关系曲线,4.4 超渗产流计算,下渗曲线法产流计算步骤,4.4 超渗产流计算,【说明1】,4.4 超渗产流计算,【说明2】,二、初损后渗法,4.4 超渗产流计算,小流域：汇流时间短，出口断面的起涨点大体可作为产流开始时刻，因而起涨点以前雨量的累积值可作为初损。较大流域：可分站按不同汇流时间，定出流量起涨以前的时刻，并取该时刻以前各站的累积雨量的平均值作为流域的初损。,（1）初损量0 的确定,4.4 超渗产流计算,干旱流域降雨产流过程,P,Q,初损后渗法推求产流量,t,4.4 超渗产流计算,4.4 超渗产流计算,利用实测雨洪资料，分析流域各场洪水的I0及起始土壤含水量W0，初损期的平均雨强，建立三者的相关图。,4.4 超渗产流计算,此外，初损I0还受季节的影响，也可建立以月份为参数的初损相关图。,式中，t降雨总历时；to 为初损历时；t降雨后期不产流的降雨历时。,所以：,4.4 超渗产流计算,平均后损率反映了流域产流以后平均下渗率，主要与产流期土壤含水量有关。产流开始时土壤含水量应该等于W0+I0，产流历时tR越长则下渗量越多，产流期土壤含水量越大。由于初损量与初损期平均雨强i0有关，可以建立f-i0-tR相关图。在一些流域，W0+I0相对稳定，f与tR关系更为密切，也可建立f-tR相关图,4.4 超渗产流计算,第四章 流域产流与汇流计算,4.1 概述,4.2 流域降雨径流要素计算,4.3 蓄满产流计算,4.4 超渗产流计算,主要内容,4.5 流域汇流计算,4.6 河道汇流计算,流域上各点的净雨，经过坡面汇入河网，再由河网流达出口断面，总称汇流。从坡面和土壤表层汇入河网的，称为坡面汇流，其历时较短，一般只有几十分钟至几小时；经由地下途径注入河网的，称为地下汇流，历时可长达几天或几十天。,4.5 流域汇流计算,4.5 流域汇流计算,一、等流时线法,等流时线是在流域上勾绘的一组等值线，每条等值线上各点的水质点，将同时到达出流断面。两条等流时线间的面积称为等流时面积，按顺序用f、f、f 表示，汇流时间分别等于t1t、t22t、t33t。,4.5 流域汇流计算,4.5 流域汇流计算,出流断面在第i 时段出流量是由第一块面积f上的本时段净雨，第二块面积f上一时段净雨等所合成的:式中，ri第i 时段地面净雨强度。,流域出口断面流量的计算,4.5 流域汇流计算,4.5 流域汇流计算,4.5 流域汇流计算,流域出口断面流量的计算,系数推导,书上公式：,等流时线法计算表,4.5 流域汇流计算,【例】,按照等流时线假定，同一等流时线上水质点同时到达出流断面，实际是高速质点先到，低速质点后到，严格的面积出流次序是没有的。这就是等流时线未考虑河槽的调蓄问题。因此，等流时线方法只宜用于小流域，因为河槽调蓄作用小。,【讨论】,4.5 流域汇流计算,等流时线法适用于流域地面径流的汇流计算,二、单位线法,（1）基本概念 单位线是流域上单位时段内均匀分布的单位净雨所形成的流域出口断面流量过程线q t。单位线的净雨深一般取10mm；单位时段长度则依据流域性质而定。,4.5 流域汇流计算,单位线使用时的两个假定:,迭加假定：如净雨历时是m个时段，则各时段净雨所形成的径流过程线之间互不干扰，出口断面的流量等于各时段净雨量所形成的流量之和。,4.5 流域汇流计算,倍比假定：如单位时段净雨量是n个单位，则所形成过程线的流量为单位线流量的n倍，其历时仍与单位线的历时相同。,根据单位线定义有式中，q 单位线纵高，m3s；流域面积，km2;t 时段，h。,4.5 流域汇流计算,某河某站h单位线（Fkm2）,4.5 流域汇流计算,某河某站h单位线（F km2）,4.5 流域汇流计算,根据单位线的定义，只要流域上净雨分布均匀，不论强度如何变化，均可用单位线推求地面径流过程线。,（2）单位线应用,4.5 流域汇流计算,单位线推流分别求各时段的径流,【例】p88,4.5 流域汇流计算,单位线推流各时段径流求和,推求单位线必须根据出流断面实测流量过程线来分析。由于地面径流与地下径流汇流特性不同，应分离后分别分析各自的单位线。一般，地下径流过程比较平缓,对洪水主体部分影响不大，常采用一些更为简化的处理方法，而着重分析地面径流的单位线。,（3）分析推求单位线,4.5 流域汇流计算,流域上如恰有一个时段地表净雨所形成的流量过程线，只要将地面径流过程线纵标值，除以净雨量的单位数就可得出单位线。,实际水文资料中，需要从多时段净雨的洪水资料分析出单位线。常用的方法有分析法与试错法。,4.5 流域汇流计算,（3）分析推求单位线,分析法的原理是的递推求解。已知地面径流过程Q1,Q2,Q3，时段净雨h1,h2,h3，则：,4.5 流域汇流计算,【例】单位线推求（F=8080km2）,4.5 流域汇流计算,（3）分析推求单位线分析法,分析法的缺点在于误差传，使分析的单位线值有时偏大，有时偏小而呈锯齿形，必须加以修匀。修匀得到的单位线的径流量也应为0 mm。,4.5 流域汇流计算,分析法只适用于二、三个时段净雨。,T(6h),q(m3/s),单位线修匀,4.5 流域汇流计算,三个时段以上的净雨可采用试算法。试算法是假定一条单位线。计算出流量过程，再与实测过程比较，如不相符，改正单位线后再试，直到两者相符。,4.5 流域汇流计算,试算法比较麻烦，宜在计算机上实行。,4、单位线的时段转换 实际采用的降雨时段如果与现有单位线的时段不同，就需将单位线的时段加以转换。,4.5 流域汇流计算,假定时段单位净雨连续不断，则流域出口断面的流量过程线称为 S 曲线。用单位线连续推流即可求得曲线。,4.5 流域汇流计算,P91,4.5 流域汇流计算,曲线就是单位线的累积曲线，可由单位线纵标值逐时段累加而得,反之，单位线纵标值可由曲线错开t相减得出,4.5 流域汇流计算,S(m3/s),t(h),不同时段S曲线,6小时S曲线,3小时S曲线,9小时S曲线,4.5 流域汇流计算,不同时段净雨均为10mm，时间越长，净雨强度越小，在相同时间长度中累积降雨越少,不同时段单位线的S曲线满足：,可以推得,因为,4.5 流域汇流计算,S曲线与时段长成反比,例:已知某流域h单位线（第、栏），要求转换为h和h单位线。,先求得h单位线的累积曲线（t）见表第（）栏。再根据公式求得h单位线（第5栏）和h单位线（第栏）。,【例】P92-93,单位线存在的问题及处理方法：,4.5 流域汇流计算,大洪水流速大、汇流快，用大洪水资料求得的单位线峰高且峰现时间早；小洪水则相反，求得的单位线过程平缓，峰低且峰现时间迟。可以针对不同量级的洪水采用不同的单位线,（1）洪水大小的影响,暴雨中心位于上游的洪水，汇流路径长，洪水过程平缓，单位线峰低且峰现时间偏后；暴雨中心在下游，单位线过程尖瘦，峰高且峰现时间早可以针对暴雨中心位置分别采用相应的单位线,（2）暴雨中心位置的影响,分析表明，地下水的贮水结构可视为一个线性水库，即地下水库的蓄量W与其出流量Qg的关系为线性函数,下渗的净雨量为入流量，经地下水库出流量就是流域出口断面的地下径流出流量。,三、地下径流过程的计算,4.5 流域汇流计算,1、计算方法及原理,地下水库蓄泄方程与地下水库的水量平衡方程：,式中，Ig 地下水库的入流量；Wg Qg地下水库的蓄水量与出流量；Kg地下水库的蓄泄系数。,4.5 流域汇流计算,写成有限差形式：,解得：,逐时段计算可求出地下径流的出流过程。,4.5 流域汇流计算,其中，hg时段内地下净雨量，mm；F流域面积，km2；t 时段长度，h Kg 地下水库的蓄泄系数,4.5 流域汇流计算,【例】某流域集水面积F5290km2，由多次退水过程分析得Kg=228h。1985年4月该流域发生一场洪水，起涨流量50m3/s，计算时段t=6h。该次暴雨产生的地下净雨过程Rg如表。计算该次洪水地下径流的出流过程。,4.5 流域汇流计算,将 F5290km2，Kg=228h，t=6h 代入式,得:,即：,4.5 流域汇流计算,某流域地下径流过程计算,计算公式：,4.5 流域汇流计算,合并为流域出流过程线,Q(m3/s),t,地面径流过程,地下径流过程,Q（t）=Qs（t）+Qg（t）,4.5 流域汇流计算,Pt、Emt,ht,fc,hst,Wg=KgQg,Qgt,hgt,Q t,K、Im、PeWR,I0W，f,超渗产流,蓄满产流,Qst,qt,t,等流时线法,单位线法,流域产汇流计算框图,第四章 流域产流与汇流计算,4.1 概述,4.2 流域降雨径流要素计算,4.3 蓄满产流计算,4.4 超渗产流计算,主要内容,4.5 流域汇流计算,4.6 河道汇流计算,1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。非洲2、最困难的事情就是认识自己。希腊3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。黑塞4、与肝胆人共事，无字句处读书。周恩来5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。培根,