第四章流域产与汇流计算

1第四章流域产流与汇流计算本章重点名词解释降水（Precipitation）：大气中的水分凝结后以液态水或固态水降落到地面的现象。降雨（Rain）：液态降水。降雨面积（Rainfallarea）：降雨笼罩的地表面积。降雨分布（Rainfalldistribution）：雨深在时间和空间上的变化情况。蒸发（Evaporation）：水分子从水面、冰雪面或其他含水物质表面以水汽形式逸出的现象。截流（Interception）：植物枝叶或建筑物拦截部分降水，使其未能达到地面即行蒸发的现象。填洼（Depressionfilling）：降雨或融雪充填地面凹陷和小坑的现象。下渗（入渗）（Infiltration）：水透过地面进入土壤和岩石空隙的现象。径流（Runoff）：陆地上的降水汇流到河流、湖库、沼泽、海洋、含水层或沙漠的水流。2地面滞留（Surfacedetention）：在降水期间部分雨水暂时滞留在地面的现象，不包括填洼。点雨量（Pointrainfall）：在一定时段内某一地点的降雨量。面雨量（Arealrainfall）：某一时段内一定面积上的平均雨量。泰森多边形（Thiessenpolygon）：由相邻雨量站连线的垂直平分线所构成的多边形，其面积作为面雨量计算中点雨量的权重。等雨量线法（Isohyeetalmethod）：用两相邻等雨量线雨量的平均值，以相应两相邻等雨量线间面积为权重来计算面雨量的方法。产流（Runoffgeneration）：降水扣除截流、填洼、蒸散发和土壤缺水量等损失后产生地面流、壤中流及地下径流的现象。蓄满产流（Saturation-excessrunoff）：降水补足土壤包气带缺水后所形成的径流。超渗产流（Infiltration-excessrunoff）：当降雨强度或融雪强度超过地面的土壤下渗能力后所形成的径流。产流面积（Generationareaofrunoff）：由降雨和融雪在流域内产生径流的面积。地表径流（直接径流）（Directrunoff）：地面流、槽面净雨与表层壤中流之和。3地面流（坡面流）（Surfacceflow）：生成于地面并沿地面流动的水流。下渗能力曲线（下渗曲线）（Infiltrationcapacitycurve）：下渗能力随时间变化的曲线。初损（Initiallosses）：产流前损失的降水量。后损（后渗）（Continuinglosses）：开始产流之后损失的降水量。流域最大蓄水量（Maximumbasinstoragecapacity）：全流域包气带达到田间持水量时，流域上截流、填洼以及包气带的蓄水总容量。流域蓄水容量曲线（Basinstoragecapacitycurve）：蓄水容量与小于或等于该蓄水量的面积同全流域面积的比值所建立的关系曲线。净雨（产流量）（Excessrainfall）：降水扣除损失后的水量。汇流（Runoffconcentration）：扣除损失后的雨水或雪水沿地表、地下汇集于河网或汇集到流域出口断面的现象。坡面汇流（Overlandflowconcentration）：降水扣除损失后形成的水流，沿坡面向河槽的汇集过程。河网汇流（河槽汇流）（Riverflowconcentration）：水流沿组成河网的各级河槽向下游的汇集过程。地下汇流（Groundwaterflowconcentration）：以地下径流的形式，通过岩土空隙向出口断面的汇集过程。4汇流曲线（Flowconcentrationcurve）：单位入流经过沿程滞蓄过程作用，在出口断面形成的流量过程线。单位线（Unithydrograph）：在给定的流域上，单位时段内时空分布均匀的单位净雨量，在流域出口断面所形成的地表径流过程线。经验单位线（Empiricalunithydrograph）：根据实测出口站流量资料和相应净雨过程反推的单位线。水文模型法（Hydrologicmodelmethod）：根据降雨形成径流的物理机制与影响因素的关系，建立具有一定预见期的确定性水文模型，把现时水文气象信息输入计算机，以求得预报值的方法。大气水汽含量（Atmosphericwatervapourcontent）：大气中所含气态水的数量。通常以单位截面积气柱中所含水汽全部凝结成液态水时在气柱所相当的水深来表示。大气水汽输送（Atmosphericwatervapourtransport）：大气中的水分随着气流从一个地区输送到另一个地区或由低空输送到高空的现象。蒸发能力（Evaporationcapability）：在一定的气象和下垫面条件下，有充分供水时，单位时段内蒸发的水汽量。稳渗（Steadyinfiltration）：当土壤孔隙被水充满达到饱和时，水在重力作用下呈饱和水流运动，下渗率维持稳定。5降雨径流（Rainfallrunoff）：由降雨所形成的河川径流。暴雨径流（Stormrunoff）：由暴雨所形成的河川径流。融雪径流（Snowmeltrunoff）：积雪（冰）融化所形成的河川径流。暴雨洪水（Stormflood）：由暴雨所形成的洪水。大气环流（Atmosphericcirculation）：大气层具有一定稳定性的各种气流运行的综合现象，一般指给定时段内大范围大气运动的基本状况。第一节降雨径流要素计算第二节蓄满产流计算第三节超渗产流计算第四节流域汇流计算第五节河道汇流计算6研究对象：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计算方法。研究内容：1、流域降雨特性；2、流域产流机理；3、流域汇流过程。研究目的：研究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第一节降雨径流要素计算内容提要1、分析降雨特征及其在流域上的时空分布；2、分析径流的组成、分割和影响因素；学习要求掌握降雨特征的表达方式，流域降雨时空分布的计算方法，径流过程的组成部分，地表径流和地下径流的分割方法，前期降雨对径流形成的影响。流域产流：流域产流过程就是降雨转化为净雨的过程。因此，产流计算也就是净雨量的计算，即计算降雨经植物截流、下渗、填洼等损失，降雨扣除损失后，剩余的部分就是净雨。流域汇流：流域汇流过程就是净雨沿地面和地下汇入河网，再经河网汇集，形成流域出口断面流量的过程。与之相应的计算称为汇流计算。因此，流域出口断面的流量过程由地面径流、表层流径流（壤中流）、浅层和深层地下径流组成。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。8一、流域降雨分析降水特性包括降雨量、降雨历时、降雨强度、降雨面积及降雨中心等。降雨量为一定时间内降落在某一点或某一面积上的水层深度，以mm计；降雨历时为一次降雨所经历的时间，以min、h或d计；降雨强度为单位时间内的降雨量，以mm/min，mm/h计；降雨面积为降雨笼罩的水平面积，以km2计；降雨中心是指降雨集中且范围较小的地区。1、降雨特性分析（1）降雨强度过程线降雨强度过程线就是降雨强度随时间的变化过程。通常用柱状图来表示（见图4-1中1线所示），时段平均雨强为纵坐标，时间为横坐标。当时段趋于无限小时，1线变得光滑而称为瞬时雨强过程线（见图4-1中2线）。（2）降雨量累积曲线降雨量累积曲线是从降雨开始对各时段雨量沿时间的累积值，也是雨强过程线的积分。降雨量累积曲线上任一点的坡度为雨强，即。iidtdPiP图4-1某水文站一次降雨过程92、流域平均雨量计算雨量站观测的降雨量只代表那一点的降雨，而形成河川径流的则是整个流域上的降雨量，对此，可用流域平均雨量（或称面雨量）来反映。下面介绍三种常用的计算方法。（1）算术平均法当流域内雨量站分布较均匀、地形起伏变化不大时，可根据流域内各站同一时段的雨量用算术平均值计算：式中—流域某时段的平均降雨量，mm；—流域内第个雨量站同时段降雨量，mm；—流域内雨量站数。（2）泰森多边形法该法假定流域上各点的雨量以其最近的雨量站的雨量为代表，因此需要采用一定的方法推求各站代表的在流域中距其最近的点的面积，这些站代表的面积图称泰森多边形。其作法是：先用直线（图中的虚线）就近连接各站为许多三角形，然后作各连线的垂直平分线，它们与流域分水线一起组成n个多边形，每个多边形的面积，就是其中的雨量站代niiPnP11PiPn（4-1）i10表的面积。设第i站代表的面积为fi,雨量为Pi,则该法计算流域平均雨量的公式为：式中—第i站代表面积占流域面积的比值，称权重。niiiPFfP1Ffi（4-2）图4-2泰森多边形法计算流域平均降雨量11（3）等雨量线法根据流域及附近的雨量站观测的同一时段的雨量值，参考地形影响，类似绘制地形等高线那样，然后量出相邻等值线间的流域面积fi，即可按下式计算流域平均雨量。式中—相邻两条等雨量线间的面积，km2；—相应于上的平均雨深，一般采用相邻两条等雨量线的平均值，mm。iniiPfFP11ifiPif图4-3等雨量线法计算流域平均降雨量（4-3）12二、径流量一次洪水流量过程除包括本次暴雨所形成的地面径流、表层流径流和地下径流外，往往还包括前期洪水尚未退完的部分水量及非本次降雨补给的深层地下径流。因此，在计算本次洪水径流和进行产、汇流分析时，需对各次洪水及洪水流量过程中的不同水源成分进行划分。1、流量过程的分割流量过程线的分割和不同水源的划分常用退水曲线。退水曲线是流域蓄水量的消退过程。流域的地下径流退水过程比较稳定，可采用多次实测洪水退水过程的下包线，如图4-4所示。图4-4流域地下水退水曲线13流域退水方程流域退水过程可用线性水库泄流方程来描述，即式中—t时刻的流量，m3/s；—t=0时刻的流量，m3/s；gKteQtQ0tQ0Q（4-4）将非本次降雨产生形成的径流分割出去，就得对应于本次降雨所形成的流量过程线。图4-5流量过程线分割示意图14式中—次洪径流深，mm；—每隔一个时段的流量值（通过量取图中阴影部分的纵坐标确定），m3/s；—计算时段，h；—流域面积，km2；3.6为单位换算系数。—地下水退水参数或地下水蓄水常数，s。大表示地下水退水慢，反之则快。值可利用流域退水曲线求出：gKgKttQtQtKglnln（4-5）gK2、径流量计算实测流量过程线割去非本次降雨形成的径流后，本次降雨形成的径流量为图4-5中的阴影部分，计算为FtQR6.3tRQtF（4-6）15式中—流域面积，km2。从始涨点A连一条直线到B，AB以上为直接径流，以下和基流以上部分为地下径流。2.084.0FNF（4-7）3、水源的划分直接径流和地下径流可用斜线分割法来划分。如图4-6所示。图4-6地下径流分割示意图首先用流域退水曲线确定分离点B，使退水曲线CBD的尾部与流量过程线退水段尾部重合。B点也可以用经验公式，通过计算洪峰出现时刻至直接径流终止点的时距N（日数）来确定：16三、土壤含水量1、流域土壤含水量的计算根据水量平衡原理，流域土壤含水量采用递推公式推求：（4-8）式中—第t时段初始时刻的流域土壤含水量蒸散发量，mm；—第t时段降雨量，mm；—第t时段蒸发量，mm；—第t时段产流量，mm。为流域土壤含水量的上限，即流域蓄水容量。应用式（4-8）的初始时刻和相应的土壤含水量：（1）流域出现大暴雨的次日，这时认为流域已饱和，即W=Wm。（2）流域长期间干旱期，这时认为W=0，或W=Wmin。（3）提前较长时间（如15-30天）作为起始日，假定一个土壤含水量（如假定W=Wm/2）作为初值，经过较长时间运算后，误差会减小到允许的程度。tttttREPWW1tWtPtEtRmWW0mW172、流域蒸散发计算流域蒸散发是产流量计算中的重要环