流域产流与汇流计算.ppt

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1、,第一节 降雨径流要素计算第二节 蓄满产流与降雨径流相关图第三节 下渗曲线与超渗产流第四节 流域汇流计算,第四章 流域产流与汇流计算,什么叫产汇流计算？,PQ(t),产流计算：PR(h(t),汇流计算：RQ(t),径流成分,地面径流,壤中流,地下径流,快速壤中流,慢速壤中流,直接径流(地面径流),地下径流,第一节 降雨径流影响要素计算,产流方案 根据流域降雨、蒸发和径流资料，分析确定的降雨量、土壤含水量和径流量等要素之间的关系(PWR)。,汇流方案 根据流域降雨和流量资料，推求净雨和出口流量之间的关系(RQ)。,P（t）,PR,R（t）,R Q,Q（t）,P（t）,R（t）,PR,Q（t）,R

2、 Q,流域产流与汇流计算,流域产流方案与汇流方案制定,一、降雨量,降雨资料分析,面平均降雨量计算,二、径流量,W,流量过程线,1、径流深计算,径流深计算,Q(m3/s),t(h),2、流量过程线分割,流域出口断面的流量过程是由不同水源的径流成分组成，并因其运动路径和受流域调蓄作用不同，使出口断面流量过程特征上互有差异。,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，涨洪和洪峰附近流量过程主体部分,地下径流：运动速度慢、流程长、受到调蓄作用大、汇流时间长；洪水退水尾部主体部分，常延续至后续洪水过程中,壤中流出流特征介于两者之间,2、流量过程线分割,实测流量过程线往往是由若干

3、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，必须对流量过程线加以分割(流量过程线分割),由于不同水源水流运动规律不同，要把本次洪水径流分为地面径流、地下径流(水源划分),流量过程线分割方法退水曲线法,退水曲线,定义：退水曲线是流域蓄水量的消退曲线。,退水曲线制作：1）点绘各场次洪水的退水过程在透明纸上(比例一样)；2）沿时间轴平移，使它们的尾部重合；3）作光滑的下包线，即为流域地下水退水曲线,退水曲线,t,Q(m3/s),退水曲线,次洪水过程线划分,t,退水曲线的形式,地下水退水满足线性水库微分方程：,从0t 积分,地下水退水方程,方法1：在地下水退水曲线上取每隔t的流量值Q（

4、t）、Q（t+t）,确定Kg的方法,Kg：反应地下水退水快慢的参数。Kg大，地下水退水慢，反之则快。,从tt+t 积分：,时段退水方程：,退水方程参数：,退水曲线微分方程：,方法1确定Kg,取若干计算值的平均值作为流域的Kg,由若干个Qt 点绘 lnQtt 图，直线的斜率为-1/Kg，从而定出Kg。,有,方法2：根据退水方程,3、水源划分斜线分割法,地表径流和地下径流汇流特性不同，一般还要划分地面径流和地下径流。,斜线分割法：从起涨点到地面径流终止点绘制直线AB，AB线以上为地面径流，以下为地下径流。,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

5、点,不透水层,土壤含水量变动地带,三、前期影响雨量,三、前期影响雨量,降雨开始时，流域内包气带土壤含水量的大小是影响降雨形成径流的一个重要因素。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。田间持水量与流域最干旱时的土壤含水量之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。,1、前期影响雨量Pa计算,前期影响雨量计算采用递推形式：Pa,t+1=（Pa,t+Pt-Rt）,简化形式：Pa,t+1=（Pa,t+Pt）,上式限制条件：当Pa,t+1WM 时，Pa,t+1=WM,2、WM and K的确定(WM的确定

6、）,WM：流域蓄水容量，相当于包气带达田间持水量时与流域最干旱时的土壤含水量之差值，数值上等于包气带最干旱时的缺水量，即最大缺水量。,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）后一次降雨量较大的雨洪资料（雨后Pa=WM），则：WM=P-R-E雨,2、WM and K的确定(K的确定),K：综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性，可直接用水文气象资料分析确定。,流域蒸散发(Et)取决于蒸散发能力(EM)和供水条件(Wt or Pa)。,Et=f(EM,Wt)当：Wt=0,Et=0 Wt=WM,Et=EM

7、,2、WM and K的确定(K的确定),一般假定，Et与Wt成正比,假定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，即,注意事项,Pa,t+1=（Pa,t+Pt）,一般，前期较长一段时间无雨，土壤已经很干燥，可令Pa 0。,一场大雨或连续几次大雨后，土壤含水量已接近最大值，可取PaWM。,【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,第二节 蓄满产流与降雨径流相关图,基本产流形式,蓄满产流,超渗产流,第二节 蓄满产流与降雨径流相关图,

8、一、蓄满产流,任一地点上，土壤含水量达蓄满（即达田间持水量）前，降雨量全部补充土壤含水量，不产流；当土壤蓄满后，其后续降雨量全部产生径流。,什么叫蓄满产流？,蓄满产流的得出,蓄满产流的概念是由五变数相关图发展而来的。,五变数：R=f(P,Pa,T,季节),四变数：R=f(P,Pa,T),三变数：R=f(P,Pa),蓄满产流的特点,蓄满产流机制比较接近或符合土壤缺水量不大的湿润地区。这些地区，一场较大的降雨常易使全流域土壤含水量蓄满。,计算公式：,R=PE-(WM-W0),WM-W0,降水,带,蓄满产流计算示意图,二、产流面积的变化,产流区：降雨过程中，流域上产生径流的部分称为产流区。产流面积：

9、产流区所包围的面积称为产流面积。,当流域土壤含水量达WM时的产流状态为全流域产流或称全面产流，产流量R=PE-(WM-W0)。,若一场降雨不能使全流域蓄满，流域内也观测到径流，why?,原因：流域内各点包气带厚度不一致，各点蓄水容量也不相同，先蓄满的地方先产流，后蓄满的地方后产流，产流面积是不断变化的，这种产流状态称之部分产流（局部产流），最后逐步过渡到全面产流。,三、降雨径流相关图,1、降雨径流相关图的建立,影响降雨径流关系的主要因素：Pa(前期影响雨量),根据流域内多次暴雨的雨量PE，对应的径流量R，初始土壤含水量Pa，可点绘以Pa为参数的PEPaR相关图。,PEPaR相关图,降雨径流相关

10、图上部属流域全面产流状态，满足方程R=PE-(WM-Pa)，表现为一组平行等距离的450直线。,相关图下部属流域部分产流情况，产流量随降雨量减少迅速降低，表现为一组向下凹的曲线。,降雨径流关系也可采用简化形式，以PE+Pa为纵坐标，R 为横坐标，点绘相关图。,3、简化的降雨径流相关图,已知 Pa=58mm,四、蓄满产流模型,流域内各点包气带的蓄水容量是不同的，将各点包气带蓄水容量从小到大排列，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 a 为横坐标，所绘的曲线称为流域蓄水容量曲线。,1、蓄水容量曲线,Wm,流域蓄水容量曲线,0,Wm,流域蓄

11、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,=Pe+W0-Wm,R=Pe W=Pe(Wm W0),蓄满产流模型基本公式（产流参数Wm、b）,五、径流（净雨）划分,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 Pe 求得径流量 R 后，还需再分成地面和地下两部分，以便进行汇流计算。,前面所求的为总径流量R：R=Rs+Rg,五、径流（净雨）划分,按照蓄满产流模型：产流面积上，包气带缺水量已经满足，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。（只有在产

12、流面积上才有地下径流产生）,潜 水,fc,Rg,Rs,Pe,RRg+Rs,蓄满产流面积变化的特点,土壤缺水量小、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。,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：,无地面径流产生,、fc 的分析推求,稳定入渗率fc可用实测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。,【例】已知某流域流域降雨径流相关图和稳定入渗率f

13、c 1.5mm/h,一次实测暴雨过程如表（1）（2）栏。请根据 fc 将径流划分为地表径流Rs和地下径流Rg。,、fc 的应用,第三节下渗曲线与超渗产流,一、超渗产流概念,干旱和半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。,超渗产流计算,超渗产流：i f,一般，干旱地区，降雨强度大，历时短，E可忽略，PE可由P代替,F的确定是关键,二、下渗曲线,下渗能力随时间的变化过程线，称为下渗能力曲线，简称下渗曲线。以f(t)t表示。下渗的水量用累积下渗量F随时间的增长曲

14、线来表示。,初始含水量不同，下渗曲线也不同，所以，下渗曲线是以初始土壤含水量为参变量的一簇曲线。,三、下渗曲线的制作,Horton公式：,从0t 积分,令,微分曲线为下渗曲线,解决方法是将下渗率随历时变化的曲线fp(t)转换成随土壤含水量W变化的曲线fp（W）,fp(t)fp(W)转换,流域上每次降雨的强度并非持续大于下渗率，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。,Wi,t,fp(Wi)=fp(ti),0,ti,fp(ti),下渗率随历时变化曲线,W,fp(Wi),Wi,下渗率随土壤含水量变化曲线,四、超渗产流产流量计算,1、应用fpt和fpW

15、关系推求产流量,2、图解法,3、初损后损法,3、初损后损法,初损后损法是把实际下渗过程简化为初损后损两阶段。初损是大量产流以前的降雨总损失量，包括植物截留，填洼和下渗水量，以流域平均深度表示，记为I0。后损是流域产流以后的下渗水量，以平均下渗率表示。,1）初损量0 的确定,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：需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。可分站按各自汇流时间，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或最大值作为流域的初损I0。,干旱流域降雨产流过程,P,Q,初损后损法,t,初损量相关图,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。,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。,W 初期雨强 I0 相关图,I0（mm）,W（mm）,W 月份 I0 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：,3）产流量计算,课本P92-93页实例,