24第四章 流域产流与汇流计算

第四章流域产汇与汇流计算ComputationofRunoffGenerationandConcentration4.1概述一、流域产汇流计算的基本概念产流是指降雨量扣除损失量即为产流量。降雨损失包括植物截留、下渗、填洼与蒸发，其中以下渗为主。产流量是指降雨形成径流的那部分水量，以mm计。由于各流域所处的地理位置不同和各次降雨特性的差异，产流情况相当复杂。汇流是指由降水形成的水流，从它产生的地点向流域出口断面的汇集过程。全称流域汇流，是径流形成概化过程的后一阶段。汇流可分为坡地汇流及河网汇流两个子阶段。由流域降雨推求流域出口的流量过程，大体可分为两步：（1）产流计算：降雨扣除植物截留、蒸发、下渗及填洼等各种损失之后，剩下的部分称为净雨，在数量上等于它所形成的径流深，也称为产流量，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。产流计算的方法因产流方式不同而异，分别有蓄满产流方式和超渗产流方式的产流计算方法；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洪水，用于预报时，则由实际暴雨预报洪水。蒸发产流计算汇流计算产流量出口断面流量过程降水产汇流计算流程简图4.2流域降雨径流要素计算一、流域降雨量主要包括：流域平均雨量计算的各种途径；雨量过程线的各种表现形式。(1)降水特征的描述1、降水要素降水量、降水历时、降水强度、降水面积及降水中心2、降水量过程线3、降水量累积曲线4、等雨量线5、降水强度～历时曲线6、平均雨深～面积曲线7、平均雨深～面积～历时曲线时间时段降雨累积降雨13:420014:0011.511.514:3033.545.015:3431.976.917:001.678.518:102.280.71234560102030405060降水量过程图降水量（mm）时段0.020.040.060.080.0100.0120.01213141516171819时间降水量(mm)累积降水量过程线时间累积降雨时段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2根据105站资料绘制根据26站资料绘制020406080012345678时间降水量(mm)降雨强度与历时曲线时间累积降雨时段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2历时累积降雨雨强148.548.5265.532.8377.025.7478.519.6580.716.1680.713.4对一场降雨，对应某指定的历时，变动起讫时间求得相应该历时的最大平均降雨强度，并点绘成曲线。该曲线反映降水的时间变化特性。对一场降雨，从降雨量等值线图的中心开始，分别量取不同的等雨量线所包围的面积及该面积内的平均水深，并点绘成曲线。该曲线反映降水的空间变化特性。90705040110根据一场暴雨不同历时(如12h、24h、48h等)的等雨量线图作出相应的平均雨深～面积曲线，并综合绘于同一张图上，即得平均雨深～面积～历时曲线。简称时-面-深曲线。其规律为：当历时一定时，面积愈大，平均雨深愈小；当面积一定时，历时愈长，平均雨深愈大。(2)流域平均雨量计算算术平均法：适用于面积不大，地形起伏不大，站点较多且布设较均匀的流域。计算简便。泰森多边形：适用于站点较少且分布不均，面积不大的流域。在确定各站的权重后也很简便，且精度较好。缺点是在各场降雨中把雨量站权重视为固定，与实际情况不完全一致。等雨量线法：适用于面积大、地形起伏大、站点较密的流域。理论上完善，但每次降雨都必须绘制等雨量线，并计算权重，工作量大。泰森多边形法算例A1A2A3A4A5A6单元面积权重计算公式：第i块单元面积的权重i=Ai/ΣA总面积ΣA=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)流域平均雨量计算公式：662211xxxxx1x2x3x4x5x6等雨量线法A2A690705040A1A3A4A5110总面积ΣA=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)各子块权重i=Ai/ΣAx=Σixi二、径流量流域出口断面的流量过程线，除本次降雨形成的径流外，还可能包括：(1)本次降雨形成的地面径流、壤中流、地下径流；(2)前期洪水尚未退尽的水量及非本次降雨补给的深层地下径流；(3)若该次洪水尚未退完又遇降雨，还会有后期洪水进入。图2-9地面径流：运动速度快、流程短、受到调蓄作用小；形成流量过程陡涨陡落，涨洪和洪峰附近流量过程主体部分地下径流：运动速度慢、流程长、受到调蓄作用大、汇流时间长；洪水退水尾部主体部分，常延续至后续洪水过程中地面径流壤中流地下径流快速壤中流慢速壤中流直接径流(地面径流)地下径流1、流量过程线的分割流量过程分割的主要目的是：一是将非本次降雨形成的径流分割出去，求出本次洪水的径流总量。二是由于不同水源的水流运动规律不同，所以还需将本次洪水径流总量划分为不同的水源。次洪水径流总量地面径流壤中流地下径流直接径流流量过程分割的依据是流域退水曲线。(1)流域退水曲线的推求绘制流域退水曲线的具体步骤如下：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；用一张透明纸描绘出最低的退水过程线；将此曲线移到另一场洪水的退水段，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的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；逐一描绘各场洪水的退水流量过程线，最后作光滑下包线，就构成流域地下水退水曲线。各次退水过程求平均，得到流域平均退水曲线。QQi+1i图3.2-2=Qi+1f()Qi0地下水退水线a81357911(d)102030405060Q(m/s)3图3.2-3地下水退水线a退水曲线组合图退水曲线示意图地下水退水曲线平均退水曲线退水曲线指数方程QdtdWQKWQKdtdQ1KtteQQ0从0～t积分地下水退水方程tQQdtKdQQt0110QIdtdW退水I=0QKWK的物理意义：泄完蓄水量Wt所需的时间平均汇集时间把地下水退水方程写成递推形式：tKtQeQ11KeC1令：CKln/1C:流量消退系数，反映退水速率快慢。(C1)CandKC的推求方法二直线段坡度－地下水消退系数CCCQQtt/1/tan1(2)径流量计算当洪水的起涨流量小于后继洪水的起涨流量时，用流域平均退水曲线将退水过程延长到与起涨流量相等。ABCDEFABCDEFA面积=本次洪水的径流量用矩形法求面积，则：AtQRnii/6.3110Qt(3)水源划分最常用的是斜线分割法。首先在退水曲线上找到直接径流的终止点；将起涨点A与直接径流终止点B直线相连，AB线以上为直接径流WS，以下为地下径流Wg，其地面径流深RS、地下径流深Rg只要分别除以流域面积F即可得到。QtABWSWg三、土壤含水量（1）流域土壤含水量降雨开始时，流域内包气带土壤含水量的大小是影响径流形成过程的一个重要因素，降雨相同，土壤含水量的则产生的净流量大，反之亦然。tttttREPWW1（2）流域蒸发量流域蒸发量的大小主要取决于气象要素和土壤湿度，可以用流域蒸散发能力和土壤含水量来描述。0EEm（3）流域蒸散发计算模式EU,WU,WUmEL,WL,WLmED,WD,WDm上层(Upperlayer)下层(Lowerlayer)深层(Deeplayer)上土层蒸发量：EU=Em下土层蒸发量：EL=Em.WL/WLm深土层蒸发量：ED=C.Em土壤蒸发量：E=EU+EL+ED(notes:同时刻相加）三层蒸发模式的具体计算1)当WU+P=Em,EU=Em,EL=0,ED=0;2)当WU+PEm,WL=C.WLm,EU=WU+P,EL=(Em-EU)*WL/WLm,ED=0;3)当WU+PEm,C.(Em-EU)=WLC.WLm,EU=WU+P,EL=C*(Em-EU),ED=0;4)当WU+PEm,WLC.(Em-EU),EU=WU+P,EL=WL,ED=C*(Em-EU)-EL.(4)前期影响雨量Pa计算前期影响雨量计算采用递推形式：Pa,t+1=Ｋ（Pa,t+Pt-Rt）简化形式：Pa,t+1=Ｋ（Pa,t+Pt）上式限制条件：当Pa,t+1≥Wm时，Pa,t+1=Wm4.3蓄满产流计算一、蓄满产流模式包气带土壤含水量达到田间持水量前(即未蓄满)不产流，降雨全部被土壤吸收，补充包气带缺水量；包气带土壤含水量达到田间持水量后(即蓄满)开始产流，之后的降雨扣除蒸发后全部形成净雨。这种产流方式称为“蓄满产流”。计算表达式为：)(0WWPRm主要影响因素：W0,T(降雨历时),M(季节),暴雨类型(Type),暴雨中心(Center)五变数：R=f(P,W0,T,季节)四变数：R=f(P,W0,T)三变数：R=f(P,W0)二、降雨径流相关图P～Pa～R相关图W0P(mm)R(mm)45。2)转折点：以上为450直线，以下为下凹的曲线。3)W0直线段之间水平间距相等。1)曲线簇在450直线上方(why?)；W0越大，越靠近450直线。特点：W0=020406080100PE(mm)R(mm)R1R2R3R4P4P3P2P1例：某次降雨前W0=58mm，各时段雨量分别为P1,P2,P3，P4。内插W0=58mm相关线（黄线）查得相应的R1，R2，R3，R4W0PR0P1R1P1+P2R1+R2P1+P2+P3R1+R2+R3三、蓄满产流模型1.产流机理任一地点上，土壤含水量达蓄满（即达田间持水量）前，降雨量全部补充土壤含水量，不产流；当土壤蓄满后，其后续降雨量全部产生径流。由此形成蓄满产流概念蓄满产流机制比较接近或符合土壤缺水量不大的湿润地区。这些地区，一场较大的降雨常易使全流域土壤含水量蓄满。2、蓄满产流概念形成PERPERpaPER周次历时paPERW0PE+W0R蓄满点WWm-W0降水RPE带包气潜水带蓄满产流计算示意图1tttttWWPERmWWPER03.基本方程若一场降雨不能使全流域蓄满，流域内也观测到径流，why?原因：流域内各点包气带厚度不一致，各点蓄水容量（土壤缺水量）也不相同，先蓄满的地方先产流，后蓄满的地方后产流，产流面积是不断变化的，这种产流状态称之部分产流（局部产流），最后逐步过渡到全面产流。4.蓄水容量曲线流域内各点包气带的蓄水容量是不同的，将各点包气带蓄水容量从小到大排列，以包气带达到田间持水量时的土壤含水量WM′为纵坐标，以流域内小于等于该WM′的面积占全流域的面积比α为横坐标，所绘的曲线称为流域蓄水容量曲线。流域蓄水容量曲线:表征土壤缺水量空间分布的不均匀性BmmmWWFf)1(1''BWd1)1()1('0'''0'''])1(1[1)1()1(1''0'''0'0BmmmmAmBmmmAmWABWdBmmm110')1(1[mmmWBW)1('mWWPER0BmmmmBmmmBmmmPEAAmWAPE1011')1()1()1(mmWPEA若mmWPEA'若四、水源划分1.二水源划分(直接径流＋地下径流)(1)基本原理Notes:1)超渗产流只有地面径流，水源划分主要针对蓄满产流；2)按蓄满产流方式，一次降雨所产生的径流总量包括地面径流和地下径流两部分，在推求洪水过程线时要分别处理。即将净雨h分成地面径流hs和地下径流hg。