产汇流计算

7产汇流计算Watershedrunoffgeneration&flowconfluencecalculation基本资料的整理与分析流域产流分析流域汇流分析•径流的形成过程(定性描述)•定量的角度阐述降雨形成径流的原理和计算方法。把流域看作一个系统，根据输入定量模拟输出以及系统的状态变化。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•用途：–做预报（如：根据降雨实时资料及天气预报结果进行径流预报）–推求实测水文序列推求某以频率水文量（如设计降雨推求设计洪水）那一场降水做输入假定暴雨和其洪水同频率推求设计暴雨过程用设计暴雨推求设计净雨推求设计洪水过程线产流汇流成因分析降雨:时空多变流域自然地理条件:复杂百年一遇百年一遇千年一遇千年一遇流域产汇流计算研究内容: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。产流计算主要研究流域上降雨扣除植物截留、下渗、填洼等损失，转化为净雨过程的计算方法。汇流计算主要研究净雨沿地面和地下汇入河网，并经河网汇集形成流域出口断面径流过程的计算方法。研究目的:研究的流域产汇流计算是工程水文学中最基本的概念和方法之一，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。7.1概述内容提要1.流域产汇流计算基本内容与流程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：①产流计算：降雨扣除截留、填洼、下渗、蒸发等损失之后，剩下的部分称为净雨，它在数量上等于它所形成的径流深。在我国常称净雨量为产流量，降雨转化为净雨的过程为产流过程，关于净雨的计算称之为产流计算。②汇流计算：净雨沿着地面和地下汇入河网，然后经河网汇流形成流域出口的径流过程，关于流域汇流过程的计算称之为汇流计算。2.流域产汇流计算的基本思路流域产汇流计算方法的内容十分丰富。产流计算的方法有降雨径流相关图法、流域蓄水容量曲线法和初损后损法等；汇流计算方法的重点是时段单位线法和瞬时单位线法。无论产流计算还是汇流计算，基本思路都是，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径流（洪水），用于预报时，则由实际降雨预报径流（洪水）。径流Q降雨PbaPQ水文模型Hydrologymodelab水文观测数据实际发生的(Q,P)1966(Q1966,P1966)1985(Q1985,P1985)0比如：总误差最小7.2基本资料的整理与分析内容提要流域产汇流计算一般需要先对实测暴雨、径流和蒸发等资料做一定的整理分析，以便在定量上研究它们之间的因果关系和规律。本节介绍这些要素的分析计算方法。学习要求掌握一次实测降雨洪水的总径流深、地面径流深和地下径流深以及流域蒸散发量的计算方法。7.2.1降雨资料的整理关于测站的降雨分析计算，流域平均雨量、时段雨量、降雨强度等。但必须注意的是，降雨场次的划分一定要与洪水场次的划分相对应，如图7-2-1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Ⅰ对应前面的洪水Ⅰ，后次暴雨Ⅱ对应后面的洪水Ⅱ，不可混淆。图7-2-1次降雨径流分割及总径流量计算示意图降水场次可以较容易区分洪水场次容易区分吗？7.2.2径流资料的整理与计算(次洪过程)1．洪水场次划分及次洪水总径流深W的计算洪水场次划分是指，将非本次降雨产生形成的径流分割出去。如图7-2-1，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。如图中的虚线ag以下的水量，它表示如果没有降雨Ⅰ时，河中仍有持续的径流，称其为基流。另外，该次洪水尚未退完又遇降雨时，还会有后期洪水混入，如图中的第Ⅱ场洪水。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后续降水产生的洪水。•计算次洪水径流时，应作如下处理：–把前期洪水尚未退完的部分水量及后续降水产生的洪水从洪水过程线中分割出去。–洪水中不同的水源成分，其水流运动规律不同。因此，需对洪水流量过程中的不同水源成份进行划分，以便进行汇流计算。–深层地下径流比较稳定，流量也较小，是河川的基本流量，所以又称为基流。分割方法：深层地下径流：分割的方法一般取历年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平线分割。流量过程线的分割及不同水源的划分均采用退水曲线。gkteQtQ/)0()(t时刻的流量流域蓄水量的消退过程线地下水退水参数)(ln)(lnttQtQtKgAEGBCHIDt(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基流的分割：取历年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平线分割（ED线）。2．流域地下径流标准退水曲线流量过程线上的a点或a‘点是否为流域地下退水流量，可由流域地下径流标准退水曲线来确定。图7-2-2中的下包线Qg～t，即为流域地下径流标准退水曲线，其绘制方法步骤是：①以相同的比例尺，在方格纸上绘出各场洪水的退水流量过程线；②用一张透明纸描绘出最低的退水过程线；③将此曲线移到另一场洪水的次低的退水段，在保持时间坐标重合的条件下左右移动透明纸，使方格纸上的退水过程线在后部与透明纸上的退水过程线相重合，并把它也描绘在透明纸上；④如此逐一描绘各场洪水的退水流量过程线，就构成Qg～t线。3．水源划分----地面地下径流分割及计算（1）地面地下径流分割为分别研究地面径流和地下径流的产汇流规律，需将总径流中进行地下径流分割。①水平线分割法：从实测流量过程线的起涨点a（或地面径流终止点a）作一水平线交过程线的退水段于c点，则水平线ac就认为是该次洪水的地面地下径流分割线。②斜线分割法：从实测流量过程线的起涨点a到地面径流终止点c连一斜线ac，即为地面地下径流分割线。水平线分割法简便易行，对地下径流小，洪水历时短的流域较为适合；而对地下径流比重大、洪水连续时间长的流域，则会造成比较大的误差，此时改用斜线分割法较为合理。斜线分割法示意图水平线分割法示意图地面径流终止点的确定方法方法一：运用流域地下水退水曲线将绘在透明纸上的标准退水曲线蒙在要分割的洪水过程线的退水段上（注意比例尺的一致）,使横轴重合，然后左右移动，当透明纸上的标准退水曲线与洪水退水段的尾部吻合后，则两线前方的分叉点C就是地面径流终止点。方法二：经验公式0.20.84NF洪峰出现时刻至直接径流终止点的时距(d)流域面积Q流量t时间流域地下径流标准退水曲线c（2）地面、地下径流深的计算地面、地下径流分割后，分割线上面的部分即地面径流WS，下面的部分即地下径流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。FWRssFWRggAEGBCHIDt(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’C′D′D的面积与AEF大约相等，ABCDFA≈ABCC′D′FEA举例AEGBCHIDt(h)Q(m3/s)F本次降雨形成的径流过程C’D’B’直接径流地下径流N7.2.3流域蓄水量及前期影响雨量的计算降雨开始时流域是干旱还是湿润，对此次降雨产生径流的多少影响极大，流域的干湿程度常用流域蓄水量W或其前期影响雨量Pa表示。1.流域蓄水量W在流域降雨能够影响的土层内土壤含蓄的吸着水、薄膜水和悬着毛管水，不包括重力水，是土壤能够保持而不在重力作用下流走的水分。在土壤蓄水量的计算中，往往取土壤蓄水量的最小值（相当于凋萎系数）为计算零点，称田间持水量与最小蓄水量的差值为土壤蓄水容量。土壤实际蓄水量在零与蓄水容量之间变化。流域上各地点的蓄水容量是不同的，可从零变化到点最大蓄水容量，其流域平均值以Wm表示，称流域蓄水容量。WWm•土壤含水量的实测资料很少，因此水文学上用间接的方法来表示流域的土壤含水量。•目前，常用的方法有两种：–前期影响雨量Pa，–流域的蓄水量W。2.前期影响雨量Pa的计算受前期降雨与蒸发消耗有关，定义式(以日为时段)：由此可写出：于是有前期影响雨量的计算通式：式中土壤含水量的日消退系数（折减系数）K，K可取0.85~0.95。2315,11214atttttPKPKPKPKP,1,()atattPKPPPt=xt(降雨量)-yt（产流量）•t日无雨•t有雨不产流•消退系数K综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性，因此，可以直接用水文气象资料分析确定。假定流域蒸散发E与流域蓄水量W成正比。•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ttMMEWEW,,1,(1)tatatatEPPKP,attPW1MMEKW,1,atatPKP如果流域内前后两天无雨，前期影响雨量的定义为如果第t日内有降雨Pt，但未产流,1,()atattPKPP如果第t日内有降雨Pt，并产生径流Rt)(,1,tttataRPPKP几个应注意的问题：（1）最大值限制问题当计算出的Pa值大于WM时，取WM作为该日的Pa值。（2）Pa起始值的确定一般前期较长一段时间无雨，土壤已很干燥，可令Pa=0；而在一场大雨或连续几次大雨之后，土壤含水量已近最大，此时可取Pa=WM，依次为起点往后计算。（3）流域日蒸发能力EM可用E601型蒸发器(80cm套盆式蒸发皿)观测的水面蒸发值作为近似值。一般按晴天和雨天或按月份分别选取相应的约平均值。K6=1-5.6/100=0.944Pa=0.944*(100+14.7)=108.3WM(100)Pa=0.944*(100+0)=94.4K7=1-6.8/100=0.932Pa=0.932*89.1=83.0Pa=0.932*83.0=77.4Pa=0.932*(77.4+20.2=90.9)(,1,ttataPPKPWMEMK1mmWM100Pa=0.944*(94.4+0)=89.1（4）流域蓄水容量Wm的计算Wm是流域综合平均指标，一般用实测雨洪资料分析确定。选取久旱无雨后一次降雨量较大且全流域产流的雨洪资料，计算流域平均降雨量P及产流量R。因久旱无雨，可认为降雨开始时流域蓄水量W=0。所以：Wm=P-R–E式中，P为流域平均降雨量（mm）；R为P产生的总径流深（mm）；E为雨期蒸发（mm），如降雨时间短可忽略不计。一个流域的最大蓄水量是反映该流域蓄水能力的基本特征，我国大部分地区的经验表明表一般为80～120mm，例如：广东95～100mm，福建100～130mm，湖北70～110mm，陕西55～100mm，黑龙江140mm等等。流域的实际蓄水量W在0～Wm之间变化。7.3流域产流分析所谓产流，是指流域中各种径流成分的生成过程，也是流域下垫面（包括地面和包气带）对降雨的再分配过程。一、包气带对降水的再分配作用（一）包气带地面对降雨的再分配作用以流域内某一单元土柱为例，设某一时刻地面的下渗能力为，降雨强度为。若，则实际下渗率为，其余部分形成地面径流；若，则实际下渗率为，全部降雨都渗入土壤中。因此，按和的大小，包气带地面把其所承受的降雨划分为下渗的水量和地面径流两部分。pfipifpf()pifpifiipffpi地面径流入渗水量i对一场总降雨量为i的降雨过程来说，雨强时大时小，有时，有时，下渗到包气带土层中的水量为：形成的地面径流为显然pifpifpppififIfdtidt()ppifRSifdtPIRS（二）包气带土层对下渗水量的再分配作用下渗到包气带土层的水量，一部分首先被土壤颗粒吸收，成为土壤含水量的增量，一部分以蒸散发的形式逸出地面，返回大气。包气带达到田间持水量时的蓄水量称为包气带蓄水容量，记为，另令表示降雨开始时包气带的起始蓄水量。则为包气带的缺水量。当出现时，当出现时，'mW'0W''0()mWW''0mIEWW''0mIEWW''0()mIEWWRG''0()