水文学原理课件(第十一章)

第十一章流域产流WatershedRunoffGeneration/Production本章主要内容引言(Introduction)1流域产流面积的变化(Variationsinrunoffproducingarea)2蓄满产流的流域产流量的计算(Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage)3超渗产流的流域产流量计算(Computationoftotalrunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration)4Part1Introduction径流(Runoff)A径流形成过程(Rainfall-RunoffProcess)BPart1Introduction1-1Runoff降落在流域上的具有一定时空分布的降水，扣除损失后，在重力作用下，从地面和地下向流域出口断面汇集的水流现象称径流。1)Definition(定义)Part1Introduction1-1Runoff降水－径流过程中最根本的损失即蒸散发降落在流域上的具有一定时空分布的降水，扣除损失后，在重力作用下，从地面和地下向流域出口断面汇集的水流现象称径流。1)Definition(定义)蒸散发土壤持水耗于蒸散发填洼耗于蒸发或继续下渗截留耗于蒸散发或下渗损失Part1Introduction1-1Runoff2)径流量降水量扣除损失量余额称为径流量，又称净雨量。径流量的单位：体积单位(m3,万m3,亿m3),谈水资源量时常用m3径流深(RunoffDepth)单位：长度单位(mm),分析降雨径流关系时用mm3)径流量的时程分配(Temporaldistributionofrunoff)降水的时程分配扣除损失量的时程分配之结果称为径流量时程分配，又称净雨量的时程分配。RtPart1Introduction1-2Rainfall-RunoffProcess流域上承受一场具有一定时空分布降水后，在其出口断面形成流量过程的现象称为径流形成过程。1)现象描述出流蒸散发坡地河网降水截留填洼土壤持水量地面径流壤中水径流地下水径流汇流汇流汇流Part1Introduction1-2Rainfall-RunoffProcess2)降雨径流形成的子过程a.在产流物理条件支配下产生径流量的子过程，发生在坡地上，结果产生各种径流成分径流及时程分配—流域产流.c.河网总入流加上河网水面降水向流域出口汇流的子过程，发生在河网，其结果为流域出口断面流量过程—河网汇流.b.各种径流成分分别沿地面和地下向河网汇集的子过程，发生在坡地上，其结果是河网总入流—坡地汇流.Part1Introduction1-2Rainfall-RunoffProcess流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流流Part1Introduction1-2Rainfall-RunoffProcess3)两点注记(a)对复杂的问题，为了研究必须简化，但简化必须符合物理规律和精度要求。(b)产流和汇流原本是耦合的过程，为研究方便，将产流、汇流割裂开来。Part2Variationsinrunoffproducingarea现象及原因(Phenomena&Causes)A蓄满产流条件下总径流的产流面积变化(Variationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage)B超渗产流地面径流产流面积变化(Variationsintherunoffproducingareaofsurfacerunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltration)CPart2Variationsinrunoffproducingarea2-1Phenomena&Causes1、现象及原因降雨过程中，流域上产生径流的部分称为产流区。产流区所包围的流域面积称为产流面积。Keypoints:产流面积是逐渐变化着的Part2Variationsinrunoffproducingarea2-1Phenomena&Causes一降雨就认为全流域产流是错误的，或者不全面的，原因在于：a.降雨空间分布不均b.下垫面条件空间分布不均匀（植被、土层厚度、土质等）目前GIS中DEM可很好地考虑降雨、下垫面条件的不均匀性，但这里还是讲解传统的但在实际中应用效果较好的方法Part2Variationsinrunoffproducingarea2-2Variationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage.........N个点,对于任意第i点，测出其包气带田间持水量(体积含水量×土层深度)'miW1)流域蓄水容量曲线(Watershedwatercapacitycurve)'miW''''12mimmmn将测到的所有从小到大排序：每个点代表的面积是已知的。如果以包气带达到田间持水量时的土壤含水量Wm′为纵坐标，以小于等于该Wm′所占的面积比重f/F为横坐标，则所得到的曲线称为流域蓄水容量曲线Part2VariationsinrunoffproducingareaaMW0W'mW'mmW1.0/()fF0'mmWMW0Wa--流域的最大点蓄水容量--流域最大平均蓄水容量--流域初始平均蓄水量--最大初始点蓄水量2-2VariationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstoragePart2Variationsinrunoffproducingarea流域蓄水容量曲线的特点：①单增曲线②唯一性（对一个固定流域而言，天然条件下）③最小值可以是0（流域中存在不透水区域）'mW/()fF1.0'mW/()fF1.0有不透水区没有不透水区00'mmW'mmW2-2VariationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstoragePart2Variationsinrunoffproducingarea2)在降雨空间分布均匀的情况下，蓄满产流总径流产流面积的变化(Spatialdistributionofrainfalliseven)Start：0000,MMWD1W110MDWWDPE1后：土壤含水量的增加量为2W2121MD（）PE2后：土壤含水量的增加量为3W31232MD（+）PE3后：土壤含水量的增加量为PE4时，全流域蓄满。'mW/()fF0'mmW特点:(1)土壤缺水量小、先蓄满的地方先产流(2)产流面积随着降雨继续而不断增大(3)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。2-2Variationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage18流域产流过程示意图部分面积产流全面产流包气带W0Wm-W0W0=Wm潜水PPart2Variationsinrunoffproducingarea若初始土含不为0，即''0000,(1())amm结论同W0=0的情况。流域蓄水容量曲线的缺点：不能指出流域某一具体地点的田间持水量、缺水量。蓄水容量曲线函数'()mfWF2-2VariationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstoragePart2Variationsinrunoffproducingarea3)降雨空间分布不均匀的情况下，蓄满产流径流面积的变化把流域分成若干个降雨空间分布均匀的子流域，精度取决于划分区域的大小。如何取得真实的下垫面及降雨量分布？(数字化特征技术，尽可能离散化;雷达测雨)2-2VariationsintherunoffproducingareaoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstoragePart2Variationsinrunoffproducingarea2-3Variationsintherunoffproducingareaofsurfacerunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltrationpf0WMWW00.51.01)下渗容量分配曲线(InfiltrationcapacityCurve)123ppppnffffpf如果以地面下渗容量为纵坐标，以小于等于该地面下渗容量所占的流域面为横坐标，则所得的曲线称为流域下渗容量分配曲线。如图所示。积比重（下渗容量分配曲线下的面积为流域平均下渗容量）0W0pWf，MWWcf下渗容量与（流域初始土壤含水量）有关，，下渗容量分配曲线即为分配曲线。0(,)pfW：稳定下渗率（包气带达田间持水量时的下渗率）。cfPart2Variationsinrunoffproducingarea2)降雨空间分布均匀情况下超渗产流面积变化特点101I1r1.0,pif1i0()aWW(a)2I2r21.00,pif2i01()bWWI(b)3r3I031.0,pif3i012()cWWII(c)特点:产流面积变化与降雨强度和初始土壤含水量有关，与降雨量无关2-3VariationsintherunoffproducingareaofsurfacerunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltrationPart2Variationsinrunoffproducingarea3)降雨空间分布不均匀情况，超渗产流面积变化特点划分子区域降雨空间分布均匀2-3VariationsintherunoffproducingareaofsurfacerunoffunderrunoffformationinexcessofinfiltrationPart3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage总径流量的计算(Computationoftotalrunoff)A径流成分的划分(Separationofrunoffcomponents)BWm流域蓄水容量曲线''''0'011)1()1(''mmmbmmmWmWmWbd0流域的蓄水容量流域的最大持水量最大流域蓄水量''1(1)bmmmWfFWPart3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-1Computationoftotalrunoff1、降雨空间分布均匀的情况1)初始土湿分布与计算W0amdWW00)1(])1(1[10bmmmWaWW])1(1[110'bmmmPart3Computationoftotalrunoffunderrunoffformationonrepletionofstorage3-1Computationoftotalrunoff2)建立降雨径流关系mmWPEaPEaamdWRmmWPEa])1()1[(11bmmbmmmWPEaWaWPERmWWPER0参数E,Wm,b,