第四章 流域产流与汇流计算2011.9

第四章流域产汇流计算第一节概述第二节流域降雨径流要素计算第三节蓄满产流计算第四节超渗产流计算第五节流域汇流计算第六节河道汇流计算第一节概述第二章对径流的形成过程作了定性的描述，本章从定量的角度阐述降雨形成径流的原理和计算方法，它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。本章基本内容：资料整理（如：流域面平均雨量、径流过程线的分割等。）产流计算（降雨径流关系图法、初损后损法）地面径流汇流计算（等流时线、时段单位线）地下径流汇流计算（线性水库法）第一节概述降雨P(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)数量上相等降雨过程推求径流过程流程图1、流域平均雨量计算由测站观测的降雨量，称为点雨量整个流域上的降雨量称为流域平均雨量（或称面雨量）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，因此，可用流域平均雨量（或称面雨量）来反映。下面介绍3种常用的计算方法。第二节流域降雨径流要素计算一、流域降雨量1)算术平均法流域内雨量站分布较均匀、较密且地形起伏变化不大。1211nniiPPPPPnnP——流域内某时段的平均降雨量；Pi——第i个雨量站的降雨量；n——流域内雨量站的个数。第二节流域降雨径流要素计算ArealPrecipitationEstimates:ArithmeticMean算术平均法StationObservedRainfallmmP220P330P440P550140Ave.Rainfall=140/4=35mm第二节流域降雨径流要素计算2)泰森多边形法（垂直平分法）地形起伏变化不大的流域1122211nniiiPfPfPfPPfFF方法：①尽量用直线连接相邻雨量站构成n-2个锐角三角形；②作每个三角形各边的垂直平分线，这些垂直平分线将流域分成n个以流域边界为界的多边形；③假设每个多边形内雨量站的雨量代表该多边形面积上的降雨量，按面积加权法推求流域平均降雨量。pi,fi第二节流域降雨径流要素计算ArealPrecipitationEstimates:ThiessenPolygonMethod泰森多边形法JjjjPAAP11StationObservedRainfallAreaWeightedRainfallmmkm2mm.km2P1100.222.2P2204.0280.4P3301.3540.5P4401.6064.0P5501.9597.59.14284.6Ave.Rainfall=284.6/9.14=31.1mm第二节流域降雨径流要素计算3）等雨深线法流域内雨量站分布较密时，可根据各站同时段雨量绘制等雨量线，然后推算流域平均降雨量。11niiiPPfFfi——相邻两条等雨量线的面积；Pi——相应面积上的平均雨深，一般采用相邻两条等雨线的平均值；n——分块面积数。第二节流域降雨径流要素计算求流域平均降水量精度较高，适合于地形变化显著的流域；绘制等雨量线需较多站点雨量资料；不同时段的等值线图需重绘，工作量大。等雨量线法的优点：能反映出降雨量在空间的实际分布情况。等雨量线的不足点：第二节流域降雨径流要素计算ArealPrecipitationEstimates:IsohyetalMethod等雨深线法Ave.Rainfall=255.2/9.14=27.9mmIsohyetsAreaAverageRainfallRainfallVolumekm2mmmm0.8854.4101.591523.9202.242556.0303.0135105.4401.224554.9500.205310.69.14255.2第二节流域降雨径流要素计算00.10.20.30.40.50.60.70.85152535455565758595105115125135145Time(min)IncrementalRainfall(inper5min)第二节流域降雨径流要素计算2.雨量过程线降雨强度过程线0123456789100306090120150Time(min.)CumulativeRainfall(in.)30min1hr2hr3.075.568.2第二节流域降雨径流要素计算降雨量累积曲线tpPitijjjjkk11jP两者的转换：第二节流域降雨径流要素计算降雨强度～历时曲线第二节流域降雨径流要素计算二、径流量流域出口流量过程地面径流表层流径流地下径流（浅层）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第二节流域降雨径流要素计算1.流量过程线的分割：退水曲线：流域蓄水量的消退过程。不同次降雨形成的流量过程线的分割常采用退水曲线。降雨场次的划分一定要与洪水场次的划分相对应。暴雨I对应洪水I暴雨II对应洪水II第二节流域降雨径流要素计算将多次无雨期的退水线绘在透明纸上；将各退水段在水平方向上移动，使其尾部重合；作出下包线，即得流域退水曲线。使用：图4-6第二节流域降雨径流要素计算基流的分割：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）。gKteQtQ/)0()(Kg：地下水退水参数；Kg越大地下水退水越慢，反之则快。)(ln)(lnttQtQtKg退水曲线可用下式表示：时间t流量Q图7-3地下径流标准退水曲线示意图Qg～t第二节流域降雨径流要素计算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实测洪水过程线第二节流域降雨径流要素计算2.径流量的计算黄色的面积（ABCDFA）：FtQRnii16.3式中R——径流深，mm；Δt——时段长度，h；Qi——第i时段末的流量值，m3/s；F——流域面积，km2。第二节流域降雨径流要素计算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实测洪水过程线C′D′D的面积与AEF大约相等，ABCDFA≈ABCC′D′FEAD’C’第二节流域降雨径流要素计算3.水源的划分上面从洪水过程中割除了基流和前期洪水的退水部分，得到本次洪水的径流过程,还需划分地面径流和地下径流。地面径流表层流径流地下径流直接径流本次洪水的径流过程第二节流域降雨径流要素计算AEGBCHIDt(h)Q(m3/s)F深层地下径流（基流）本次降雨形成的径流过程实测洪水过程线D’C’B’直接径流地下径流起涨点斜线分割法:N2.084.0FN地面径流终止点第二节流域降雨径流要素计算水平线分割法:简便易行，对地下径流小，洪水历时短的流域较为适合。水平分割法：斜线分割法:对地下径流比重大、洪水连续时间长的流域较为合理。第二节流域降雨径流要素计算三、土壤含水量降雨开始时，流域土壤的干湿程度（即土壤的含水量大小）是影响降雨形成径流过程的一个主要因素。如何来表示流域的土壤含水量？流域的蓄水量W、前期影响雨量Pa第二节流域降雨径流要素计算1.流域最大蓄水量WM和消退系数K流域最大蓄水量：又称流域蓄水容量，相当于田间持水量与凋萎含水量的差值。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。依据水量平衡原理有：ERPWm第二节流域降雨径流要素计算一个流域的蓄水容量是反映该流域蓄水能力的基本特征，比较稳定。我国大部分地区的经验表明，Wm一般约为80～120mm。流域的实际蓄水量在0～Wm之间变化。消退系数K：消退系数综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性。流域的蒸散发：1）流域蒸散发能力EM；2）流域供水条件，即流域蓄水量W、WM;第t日的流域蒸发量：EMWMWEtt第二节流域降雨径流要素计算ttataPPKP,1,2.前期影响雨量Pa的计算mmtatatatattmmtmtmtWEKPPKPPEWWEEWWEE1W1,t,1,,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，故：注意：Pa≤WM，若计算出PaWM，则取Pa=WM。如果第t日内有降雨Pt，但未产流，则：如果第t日内有降雨Pt并产生径流Rt，则:)(,1,tttataRPPKP消退系数第二节流域降雨径流要素计算注意：Pa可用上式进行计算，但要事先确定起算值。一般前期较长一段时间无雨，土壤已经很干燥，可令Pa=0；而在一场大雨或连续大暴雨后的Pa近似等于Wm，由此向后逐日推算，便可求得逐日的Pa。【例题】某流域经分析WM=100mm，6、7月份平均EM分别为5.6mm/d和6.8mm/d.试计算下表中6月25日至7月5日的逐日Pa值。)(,1,ttataPPKPmmWM100K6=1-5.6/100=0.944WMEMK1Pa=0.944*(100+14.7)=108.3WM(100)Pa=0.944*100=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第三节蓄满产流计算一、蓄满产流模式“蓄满产流”是指包气带土壤含水量达到田间持水量时，称“蓄满”，蓄满后开始产流，此后的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨。这种产流模式称为蓄满产流。只有在蓄满的地方才产流，所以产流期的下渗为稳定下渗率fc。下渗的雨量形成地下径流，超渗的雨量成为地面径流。田间持水量：土层中最大毛管悬着水量，当土壤含水量超过这一值时，过剩水分以重力形式下渗。第三节蓄满产流计算蓄满前：蓄满后：12WWEP1WWREPm蓄水容量总产流＝直接径流Rs＋浅层地下径流RgRs=P-E-FcRg=Fc稳定下渗量用公式说明：第三节蓄满产流计算蓄满产流以满足包气带缺水量为产流控制条件。就流域中某点而言，蓄满前的降雨不产流，蓄满后才产流，产流量（总净雨量）可以用水量平衡方程计算：)()(0mWWEPR上式只适用于包气带各点蓄水容量相同的流域，或用于雨后全流域蓄满的情况。由于流域上不同的点，蓄满有早有晚，产流有先有后，所以还要考虑降雨开始时流域的蓄水分布情况（即流域蓄水容量分布曲线）。当流域部分面积包气带的缺水量得到满足并开始产生径流，称为部分产流。随降雨的继续，蓄满产流面积逐渐增加，最后达到全流域蓄满产流，称为全面产流。第三节蓄满产流计算二、降雨径流相关图每场降雨过程流域的面平均雨量相应产生的径流量影响径流形成的主要因素Pa、W0、降雨历时等相关分析，建立相关图第三节蓄满产流计算二、降雨径流相关图在降雨径流相关图中经常考虑的主要影响因素：前期影响雨量Pa、季节M、降雨历时T、雨型、暴雨中心位置等，可以根据流域的具体情况加以选用。方法简单，有一定精度，实际工作中应用广泛。湿润地区R(mm)第三节蓄满产流计算降雨相关图的规律：1）P相同，Pa越大，损失越小，R越大，故Pa等值线的数值自左向右增大。2）Pa相同时，P越大，损失相对于P越小，径流系数越大，P～R线的坡度随P的增大而减缓，但不应小于45°。3）相关图的上段表现为一组平行等距离直线。湿润地区R(mm)第三节蓄满产流计算当实测的P、R、W0点据较少时，降雨径流相关图也可简化为P+W0～R关系。当流域径流资料不充分或分析困难时，可用Pa代替W0。注意的问题：建立经验相关图必须有足够的实测资料；如本地区没有实测的暴雨洪水资料，可采用邻近地区的降雨径流相关图来估算降雨的产流量。第三节蓄满产流计算应用：在我国湿润和半湿润地区最常用的是P～Pa～R三变量相关图。两时段降雨：P1=49mmP2=81mm降雨开始时：Pa=60mm由P1=49mm,查得R1=20.0mm。（49mm)由P1+P2=130mm,查得R1+R2=80.0mm。(130mm)则第二时段净雨为R2=80-20=60mm【例4-1】湿润地区第三