7第六章：产汇流分析(二)

第六章流域产汇流分析（二）《水文学原理及应用》清华大学水利水电工程系2008年11月7日6.2.46.2.4流域总径流量流域总径流量RR的划分的划分PartitionofTotalrunoffPartitionofTotalrunoff¾流域总径流的划分：是指将总径流划分为地下、地面径流两部分。¾划分地下和地面径流的原因：考虑两者在汇流特性上的差异。¾另外，研究流域的降雨-径流机理需要明晰地下和地面径流的数量关系。1、概述分析：分析：在蓄满产流的模式中，只有当产流面积上的土壤含水量达田间持水量θfc时，才会产生径流量R。由于此时土壤含水量很高，故可以认为入渗率达到了稳定入渗率fc。因此，进入土层的降雨以稳定入渗率fc的速度形成地下径流。可见，地下径流量取决于：（1）产流面积大小（α=f/F）；（2）降雨强度i与稳定入渗率fc的相对关系。已知：在Δt时段内，有效降雨=P-E(mm)，稳定的入渗率为fc(mm/s)，流域的产流面积f与全流域面积F的比为：F/f=α求：地面径流Rs和地下径流Rg下面分两种情况进行讨论：gcRftα=Δ])[(tfEPRcsΔ−−=α)(EPRRRgs−=+=αEPR−=∴αcf()cPEft−≥ΔtfEPRRcgΔ⋅⋅−=—地下径流])[(tfEPEPRRcsΔ⋅−−−=—地上径流X当在Δt时段内：式中，P-E：Δt时段的有效降雨;R：Δt时段的产流量;fc：Δt时段的稳定的入渗率.)(246−+−=∑∑∑−−tfEPtfEPcgccRtEPRfRΔΔΔcftEP−Δ)(地面径流Rs=0地下径流Rg=α(P-E)(6-23)¾对于一场降雨过程，地下径流总量为：Y当在Δt时段内：推求流域的稳定入渗率推求流域的稳定入渗率ffcc若已知流域一场降雨各时段Δt的径流R和地下径流量Rg，则可根据式（6－24）来推求该场雨的稳定入渗率fc，常用试算的方法求出fc。¾地下径流量Rg过程线可根据水文测站实测的流量过程线，采用分割法分割法进行划分，进而求出Rg值。¾现代水文学采用示踪法来估算流域径流中的地下、地面径流的定量关系。Qt¾¾流域出口断面的实测流量过程线包括流域出口断面的实测流量过程线包括::z本次降雨形成的地面径流;z本次降雨形成的地下径流;z前期降雨产生的部分未退完的径流量。abct0h本次降雨形成的Rs&Rg本次降雨形成本次降雨形成的的RRss&&RRgg前次降雨形成的R前次降雨形成的前次降雨形成的RR2、流域径流过程中地下径流的划分b)地下蓄水的消退。其特点为退水慢，退水曲线坡度缓，各次退水规律基本相同。(1)(1)退水曲线退水曲线（（RecessioncurveRecessioncurve））¾指流域蓄水消退的过程线，蓄水消退包括：a)地面蓄水（河槽、湖泊等地面水体中水）的消退。其特点为退水快、退水曲线坡度陡，各次退水规律不一。Qt¾作图法求流域标准的地下水退水曲线【注】：d～地面退水的终止点/转折点地表&地下蓄水退水地下蓄水退水dz地下水退水来自流域蓄水，故不受降雨大小的影响，各次退水规律相同，表现为同一个流域的各次地下水退水曲线是可以重合的。因此，按此可求到流域标准的地下水退水曲线。YY作出重叠部分的下包线流域标准地下水退水曲线的推求流域标准地下水退水曲线的推求aba’b’cc’XX取流域多次实测洪水过程线的退水部分曲线aa’cc’bb’下包线即为流域标准地下水退水曲线下包线即为流域标准地下水退水曲线(1))()(tQKtWg=¾采用经验方程描述退水曲线假定：在地下水退水阶段，流域蓄水量W与流域出口断面流量Q呈线性关系：(2))()(dttdWtQ−=由水量平衡得：gKtAe)t(Q−=对(1)微分后代入(2)并积分得：27)(60−=−gKtteQQ代入初始条件：t=0,Q=Q0得：式中，Qt：t时刻的地下水流量(m3/s)Q0：初始时刻的地下水流量(m3/s)Kg：地下水退水系数tQ该方法的关键是如何确定转折点该方法的关键是该方法的关键是如何确定转折点如何确定转折点RsN=0.84A0.2cc标准退水曲线标准退水曲线标准退水曲线aabb起涨点转折点a)a)斜线分割法一斜线分割法一适用的条件：包气带较厚，地下水埋深大；本次降雨形成的地下径流不会与本次地面径流同时到达出口断面。则地下径流是前一场降雨形成的。注：N~洪峰点至地面径流终止点的时距(day)；A~流域面积(km2)；C~洪峰出现时刻。(2)(2)地面和地下径流划分地面和地下径流划分((对单峰流量过程线的分割对单峰流量过程线的分割))RgtQcba适用的条件：湿润地区，包气带较浅，地下水埋深小，本次降雨形成的地面和地下径流退水可能同期到达出口断面，但地下水要滞后地面水一段时间。dfa,e,c---地面径流与地下径流的分界线b)b)斜线分割法二斜线分割法二t’：地下水到达出口的滞后时间he本次降雨形成的地面径流本次降雨形成的地面径流本次降雨形成的地下径流本次降雨形成的地下径流前期降雨形成的地下径流前期降雨形成的地下径流c)c)示踪法示踪法¾示踪法起源于20世纪70年代，它通过测定径流中化学物质的组成或者水中的同位素成分来分析流域产流的来源和机理。¾示踪法假设一场降雨径流中由两部分组成：前期降雨形成的基流（地下径流，baseflow），称为‘旧水（oldwater）’；本次降雨形成的地面径流（quickflow），成为‘新水（newwater）’。¾通过测定基流（‘旧水，oldwater）’和地面径流（‘新水，newwater）’中的化学物质浓度，可以推测径流中组成比例。¾示踪法测定径流组成的方法z设一场降雨的总径流量为Qt，其中基流（‘oldwater’）流量为Qo；地表径流（‘newwater’）流量为Qn。z采用示踪法测得其总径流中氯化物的浓度为Ct；基流（‘oldwater’）中氯化物的浓度为Co；地表径流（‘newwater’）中氯化物的浓度为Cn。notQQQ+=水量守恒：nnoottCQCQCQ+=物质守恒：z综上二式，可得：tonotnQCCCCQ⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=)()(6.36.3超渗产流的分析与计算超渗产流的分析与计算超渗产流产生的条件与特点：z降雨强度大于土壤入渗能力：ifp；z干旱地区或湿润地区的干旱季节;z包气带较厚;z一场降雨不能使得包气带土壤含水量达田间持水量;z径流中不包括地下径流Rg已知一下垫面均匀流域，在某一时段Δt内降雨强度为i，土壤的入渗能力为fp。由于流域的包气带很厚，该时段降雨不能使包气带达到田间持水量。求该时段内的地表径流量。z地表径流量：ΔsppR=(i-f)t,if≤spR=0,if土壤入渗能力fp是土壤含水量的函数，fp=f(θ)。若流域的土壤初始含水量W0已知，则可以求出土壤在降雨初期的入渗能力。,ppftif=ΔIz入渗量：,pitif=Δ≤I在一场降雨中，土壤的入渗能力随土壤含水量而变化，即fp≠常数。这时，只要将一场降雨分为若干时段就可计算出各时段的初始含水量、土壤入渗能力和径流量。2）Δt2：降雨强度i2；土壤初始含水量W2=W1+I1Æfp2z地表径流量，入渗量3）Δt3：降雨强度i3；土壤初始含水量W3=W2+I2Æfp3z地表径流量，入渗量1）Δt1：降雨强度i1；土壤初始含水量W1=W0Æfp1z地表径流量：Δs11p111p1R=(i-f)t,if≤s11p1R=0,if1111,ppftif=Δ1Iz入渗量：1111,pitif=Δ≤1I¾超渗产流计算的关键：建立土壤入渗能力fp与土壤含水量（前期影响雨量）之间的关系。tc/2fI’降雨强度itt0流量QtRsRRssRsRRsstappPftf,~~⇒6.3.1入渗曲线法产流历时的中点时刻t=tc/2的入渗率以表示f¾通过对流域已知的水文资料的分析，来推求流域概化的入渗曲线fp~t，并转换成fp~Pa,t。tc产流历时流域平均入渗强度流域平均入渗强度方法如下：式中，Pa,t0~产流开始时刻t0的流域蓄水量;I’~产流历时tc的前半段tc/2的入渗量:'0,,IPPtata+=2ctf'I⋅=该时刻(t=tc/2)流域的蓄水量Pa,t可用水量平衡原理求得：由此求到流域Pa,t–f的一一对应关系。同理，可根据多场降雨和流量资料进行类似分析，计算求得各场降雨的Pa,t~f，从而可得到该流域的Pa,t~f的关系曲线。已知：一场降雨历时T划分为若干个时段：Δt1、Δt2、…Δtn，各时段内平均降雨强度为；蒸散发为E(t)；该场降雨的前期影响雨量Pa0；本流域Pa~f关系曲线。求：流域径流过程R(t)。)(ti用用PPaa~~ff关系曲线计算超渗产流基本步骤：关系曲线计算超渗产流基本步骤：令10ff=11if11()sRift=−Δt≤T输出各时段的Rs(t)N超渗产流的计算流程图00aPf→~aFromPf1101EIPPaa−+=12aPf→~aFromPf12ff=令Y11Ift=⋅ΔY:产流11Iit=⋅ΔN:不产流6.3.26.3.2初损后损法初损后损法¾该方法是入渗曲线法的一种简化方法。它把实际的入渗过程简化为初损和后损二个阶段：z初损量I0：产流前的总损失水量，包括植物截留，填洼以及产流前的入渗水量；z后损量：是指流域产流后的入渗水量，以平均的入渗率表示。tiIrP'tr~降雨后期不产流的雨量。P′初损后损法求产流量图例初损后损法求产流量图例0'srRPIftP=−−−rstPIRPf′−−−=0z欲求Rs，需确定:I0,tr,P,f′RsRsff~平均入渗率；I0~初损量；tr~后损历时；ftIrr⋅=~后损量；I0P应用水量平衡原理，可得：Q(t)~t(流量过程线)a)a)根据实测的雨洪资料分析推求根据实测的雨洪资料分析推求∑P~t(流域平均时段累积雨量过程线)t0I0(1)(1)初损值初损值II00的确定的确定以流量过程线的起涨点作为产流的开始时刻，则相应的降雨开始到该时刻的累积雨量即为初损值。以流量过程线的起涨点作为产流的开始时刻，则相应的降雨开始到该时刻的累积雨量即为初损值。12510Pa(mm)I0(mm)i0(mm/h)以雨强为参变量的Pa~I0的相关图Pa(mm)I0(mm)月份M546以月份M为参变量的Pa~I0的相关图b)b)利用实测雨洪资料建立初损值利用实测雨洪资料建立初损值II00与雨前土壤蓄水量与雨前土壤蓄水量PPaa及及平均雨强平均雨强ii为参数为参数的相关图的相关图；由于；由于II00还受到植被和土地利用具还受到植被和土地利用具有季节性因素的影响，也可建立以月份为参数的相关图有季节性因素的影响，也可建立以月份为参数的相关图推求推求::¾前期干旱PaL，则初损值大I0K；¾降雨强度大i0K，则易于超渗产流，则I0L¾¾前期干旱PaL，则初损值大I0K；¾¾降雨强度大i0K，则易于超渗产流，则I0L已知：降雨前流域蓄水量Pa=15.4mm，初损量I0=31.0mm,平均入渗率,一场降雨过程各时段内的降雨量见下表①栏。hmm.f51=【【算例算例】】采用初损后损法推求该场降雨的径流过程时间（h）P①I0②f•△t(mm)③Rs(mm)④=①-③-②i降雨强度(mm/h)⑤3~61.26~917.89~123612~158.815~185.418~217.721~241.9总和78.831.01.217.8124.5=1.5×34.5=1.5×34.5=1.5×31.9214.30.93.2012=36/31.52.9=8.8/31.51.8=5.4/31.52.6=7.7/31.50.63=1.9/31.53=1.5×23118.429.4)h/mm(.....'ttt'PIRPt'PIRPfr51372191031429878000=−−−−−=−−−−−=−−−=校核:tiIrtrfI0tt’P'R6.4流域汇流分析与计算6.4.1概述降落在流域上的雨水，从各处向流域出口断面汇集的过程称为流域汇流。它可划分为坡面汇流和河网汇流两个阶段。流