第2章产流预报

第1节产流量计算概述第2节产流方式论证第3节流域蒸散发量计算第4节实测径流分析第5节前期雨量指数模型第6节蓄满产流第7节超渗产流1水文预报产流量预报再加汇流预报就构成降雨径流预报。产流量预报:由次洪降雨量预报产流量(净雨量)，又称扣损计算；汇流预报:将产流量演变为出口断面的流量过程。把降雨径流过程归结为产流和汇流两个阶段及两项预报内容是为了研究及运算的方便。PrecipitationRunoffQ(t)-Discharge产流量计算汇流计算坡地汇流河网汇流2水文预报在一些地区，没有发布河段预报的条件或预见期太短，为了满足防洪要求，只能采用降雨径流预报的方法。此外，在具备发布河段预报的较大流域上也常存在着处理区间入流的问题。什么情况下采用降雨径流预报？3水文预报流域产流量计算基于水量平衡。若把流域视作一个系统，降雨量作为系统的输入，蒸散发量和出口断面流量为其输出，则流域蓄水量就是系统的状态变量。若是一个不闭合流域，还存在与邻近流域的水量变换，交换导致流域水量增加的为输入，反之为输出。跨流域引水的流域，水量平衡方程中还应考虑引出或引入的水量。因此，流域产流量计算的水量平衡方程可表示为其它引交＝RRR4水文预报其它引交＝RRR5水文预报由于植物截留和地面填洼蓄水与耗于蒸散发的土壤蓄水一样，对降雨产流来讲都是一种损失，只不过各种滞蓄(例如：植物截留，土壤滞蓄。坑洼填蓄等)对产流引起的影响机制与消耗机制各不相同。但对于一般的天然流域，如果其植物截留量和地面坑洼蓄水量不大，常把这三种蓄量合并作为土壤蓄水量来处理。如果研究的是闭合流域，且无大的跨流域引水工程和其他影响流域水量增减的因素，则式(3—1)可表达为或利用上式计算流域产流量，一般只已知降雨量Pt和初始土壤蓄水量Wt，要解其方程，还需两个方程、关系或模式，才能获得方程的定解。在产流量计算中，一般利用蒸发计算模式和降雨-径流关系先推求Et和Rt。1tttttRPEWW＝WEPR＝6水文预报流域降雨径流过程太复杂，精确描述十分困难。实际工作中，在建立系统数学模型或概念性模型时，常根据流域的自然地理与气候特征，对复杂的流域产流物理过程作必要的概化，以便于数学模拟计算。对于一个特定的研究流域，其产流方式是在建立产流模型前必须首先论证的，以使建立的产流计算模型模式既简单又接近于实际。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、通常把降雨产流过程概化为蓄满产流和超渗产流两种基本模式。7水文预报蓄满产流蓄满产流是产流机制的一种概化。其基本假设为，在流域内任一地点上，土壤蓄水量蓄满(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。这种产流机制比较接近或符合土壤缺水量不大的湿润地区。蓄满前不产流，蓄满后全部产流超渗产流在干旱和半干旱地区，包气带土层厚，通常的土壤缺水量很大，经一场降雨后的补充水量不易达田间持水量，或很难使土层蓄满，降雨产流量主要由雨强超过土壤入渗率的地面径流RS组成，地下径流量RG很少，或没有，这种流域的产流方式属超渗产流。雨强大于地面下渗率产流，雨强小于地面下渗率不产流8水文预报1流量过程线分析超渗产流和蓄满产流最本质的差别是：超渗产流在一次洪水过程中没有或基本没有地下径流(不包括地表土层中的水流)，而蓄满产流的地下径流比例较大。地面径流与地下径流向流域出口断面的运动过程中，因流经介质和路径不同所受的流域调蓄作用也不同，则反映在流域出口断面流量过程线的涨落特征上有明显的差异，这为流域产流方式的论证提供了信息。地面径流：运动路径短，汇集速度快，受流域的调蓄作用小，流量过程线呈陡涨陡落，对称性好。地下径流：汇集速度小，受调蓄作用大，形成的流量过程线呈缓涨缓落变化，时间上迟后于地面径流。9水文预报下图是两个不同流域(小流域)的实测洪水流量过程线。其中左图是以地面径流为主，右图是地面径流与地下径流均占一定比例。Pg13Pg1310水文预报为了定量描述洪水过程线的对称性，把实测过程转化为总量为1.0的比例过程线（即将流量过程线纵标除次洪净雨深后所得过程线），见下图。用下式计算形状不对称系数这种定量描述判别只适合于对孤立洪水的分析，复式洪水不适用。2323))(/()(BtBtSttqttqCPg13Pg1311水文预报气候与产流机制密切关连。1）长年气候干燥的流域，因蒸发量大，使土壤缺水量大，一场降雨常以超渗产流形成地面径流。2）气候湿润地区，土壤缺水量少，多属蓄满产流。下垫面特征，除土壤含水量外，还包括土壤物理特性、土层结构、植被条件、地形以及地下水等因素。1）若土壤颗粒细小，结构密实，植被度差，地下水位埋深大，因下渗率小，多以超渗方式产生径流。2）如果土壤颗粒大，结构疏松、植被度高、地下水位高，则多属蓄满产流方式。12水文预报根据我国的情况,气候呈明显的地带性。长江以南的绝大部分地区，长年湿润多雨，多年平均降雨量在1000mm以上，年径流系数大于0.4，年蒸发量不大，属典型的蓄满产流区。西北干旱地区的一些内陆河流域，年平均降雨量小于40mm，年蒸发量很大，属典型的超渗产流区。其余的地区，年平均降水量在400-1000mm之间，年径流系数约为0.2-0.4(如东北诸河、海滦河、黄河的绝大部分、淮河流域北侧和金沙江等)属混合产流区。13水文预报3综合分析一个流域的产流方式不是绝对的，也很难以简单的指标作定量化描述，常需作综合性分析。下表列出了产流方式对比分析的内容。Pg1614水文预报定量定性定性相关分析第9行内容是通过分析产流量与降雨量、降雨强度间的相关关系来分析产流方式。降雨量是蓄满产流的主要因素，降雨强度是超渗产流的控制因素。如果一个流域，有一组洪水的产流与降雨强度关系密切，另一组洪水与降雨量关系密切，或者两者均介于密切与不密切之间，则可认为是混合产流。15水文预报表3-4和表3-5是两个流域的资料。表中P是一次洪水的降雨总量，R是一次洪水的径流深，表3-4中的i为最大5min平均降雨强度，表3-5中的i为最大15min平均降雨强度。16水文预报图3-5和图3-6分别是团山沟与姜湾的降雨径流相关关系图。相关分析得团山沟降雨量与径流深的相关系数为0.234，而降雨强度与径流深的相关系系数为0.632；姜湾径流站的相关系数分别0.980和-0.104。团山沟流域属超渗产流，姜湾流域为蓄满产流。17水文预报第3节流域蒸散发量计算蒸散发决定了无雨期土壤含水量的消耗量，也影响降雨期的产流量。流域蒸散发量很难由直接观测资料确定，常通过模型计算获得。在天然流域上，蒸散发主要包括土壤蒸发、植物散发（代表深层蒸发，一般指树木）和水面蒸发，其中最主要是土壤蒸发（裸土，草地、农作物等浅根植物代表的表土层蒸发）。土壤蒸发的主要影响因素有气象因素、土壤供水条件和土壤结构。可由如下形式表示：)(件、土壤结构气象因素、土壤供水条fEs18水文预报影响蒸发的土壤结构类因素主要是土壤颗粒机械组成有关的因素，它随时间的变化不大，看作常量，其影响可以计入函数形式中。则前式简化为：影响蒸发的气象类因素主要包括热能供给和水汽转换的气象条件，如温度、日照、风速和湿度等。这些因素的作用很复杂，难以直接建立关系，一般通过水面(或蒸发器皿的)蒸发量E0来反映这类因素的综合影响。土壤供水条件主要指土壤含水量W影响蒸发量的大小。)(件气象因素、土壤供水条fEs),(0WEfEs19水文预报在土壤供水充分的条件下，土壤蒸发量达最大，此时的蒸发称为土壤蒸发能力，蒸发能力只与土壤充分供水时的气象因素有关，可表示为：则蒸散发式子可改写为：)(0EfEP),(WEfEPs20水文预报2流域蒸发量推求一般情况下，流域蒸发量主要取决于土壤蒸发量。经对裸土的试验分析发现，在一定的气象条件下，裸土含水量从饱和到干燥的蒸发过程，大体呈现如图的三个阶段的特征，可进一步概化为图1。1221C0.1图1第一阶段第二阶段第三阶段21水文预报蒸发的三个阶段第一阶段：土壤含水量大于田间持水量，蒸发主要发生在土壤表层，蒸发取决于气象因素，等于流域蒸发能力。第二阶段：土壤含水量小于调诿含水量，蒸发主要取决于气象因素和地下水的埋藏深度。第三阶段：土壤含水量介于之间，蒸发主要取决于气象因素和土壤含水量。图2-822水文预报三层蒸发计算模式按照先蒸发上层后下层，具体计算分四种情况计算。0,0,DLPUPEEEEEPWU时，⑴当0,)(,DLUPLULPEWLMWEEEPWUEWLMCWEPWU时，⑵当0),(,)(DUPLULUPPEEECEPWUEWLMCWEECEPWU时，⑶当LUPDLLUUPLPEEECEWEPWUEEECWEPWU)(,,)(时，⑷当23水文预报三层蒸发模式共有4个参数，它们是：WUM——上土层蓄水容量。WLM——下土层蓄水容量。WDM——深层蓄水容量。C——深层蒸发系数。也可表达为：WM——流域蓄水容量。WUM——上土层蓄水容量。WLM——下土层蓄水容量。C——深层蒸发系数。而WDM=WM-WUM-WLM24水文预报三层蒸散发模式与一层、二层模式的比较三层蒸发模式由于考虑了深层蒸发，并认为深层蒸发是植物根系吸收深层水分后通过植物枝叶散发形成的蒸发量，因此，流域蒸发不会小于一个最小蒸发量，理论上更符合流域蒸发三阶段的基本规律。二层蒸发模式未考虑深层蒸发，因此计算蒸发值比三层蒸发模式偏小。一层蒸发模式未对土层分层，没有考虑到流域表层土壤较疏松，容易蓄满，输送水分能力强，容易达到充分供水的特点，因此计算蒸发值比二层蒸发模式偏小。pEC25水文预报Pg2326水文预报Pg2227水文预报流域降雨产流量预报方案的建立是以实测资料为依据，所用资料有降雨量、蒸发量和流量。一次洪水流量过程中的水量通常由三部分水量组成：⑴上次洪水的退水水量；⑵本次降雨形成的洪水地面径流水量；⑶本次降雨形成的洪水地下径流水量。实测径流分析的目的是把本次降雨形成的洪水分出来（次洪分割）以及本次洪水中的地面径流和地下径流分出来（径流成分分割）。28水文预报次洪分割：把上次洪水的退水水量从本次洪水流量过程线中分割出去，把本次洪水延伸至下次洪水过程线中的水量分割进来，以便推求本次降雨形成的洪水水量，这种工作内容称为次洪分割。径流（成分）分割：推求本次降雨形成的洪水地面径流水量与洪水地下径流水量的工作内容称为径流分割。次洪分割和径流分割所依据的方法是建立在流域退水规律分析的基础之上利用退水曲线进行的，因此需对流域退水曲线和退水规律进行分析。29水文预报1退水曲线分析图3—9为常见的流域出口断面的实测流量过程和流域平均降雨量过程，流量过程呈现前后洪水首尾相接。流域出口断面的流量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的不同，使出口断面流量过程特征上互有差异。退水曲线30水文预报地面径流由坡面直接汇人河网，运动速度快，形成的流量过程呈陡涨陡落，是涨洪和洪峰附近流量过程的主体成分。地下径流是由渗透到潜水面的雨量缓慢流出，运动速度慢，汇流时间长，变化平缓，是洪水的退水尾部段的主体，且常延续至后继洪水过程中(如图3—9所示)。壤中流出流过程的特征介于上述两者之间。31水文预报在降雨产流量计算和流域汇流水源划分中。有时把壤中流进一步划分为两部分：快速部分壤中流与地面径流合成一起，称为直接径流，而慢速部分则与地下径流合并，统称地下径流。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地下水退水的滞延性强，历时长。在分割复式洪水过程以计算次洪总径流深或划分洪水的地下径流时，为确定流域退水曲线，都要深入分析流域的退水特性和退水规律。32水文预报线性水库由下式定义式中Wt为线性水库蓄水