产汇流计算.ppt
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1、产汇流计算产汇流计算 产流方案产流方案是根据流域实测降雨、蒸发和径是根据流域实测降雨、蒸发和径流资料,分析确定降雨量、蒸发量、土壤含水流资料,分析确定降雨量、蒸发量、土壤含水量和径流量之间的关系。量和径流量之间的关系。汇流方案汇流方案是根据流域降雨和流量资料,推是根据流域降雨和流量资料,推求净雨和流量过程线之间的关系。求净雨和流量过程线之间的关系。根据产流方案,由降雨量和雨前土壤含水根据产流方案,由降雨量和雨前土壤含水量推出相应径流量,然后根据汇流方案,推求量推出相应径流量,然后根据汇流方案,推求出流过程线。出流过程线。本节专门讨论降雨量、径流量和流域土壤本节专门讨论降雨量、径流量和流域土壤含
2、水量的计算方法。含水量的计算方法。降雨量在时间上分配是不均匀的,实际工降雨量在时间上分配是不均匀的,实际工作中采用时段雨量说明降雨过程。作中采用时段雨量说明降雨过程。以时段雨量为纵坐标,时段的时序为横坐以时段雨量为纵坐标,时段的时序为横坐标绘成时段雨量直方图,也称标绘成时段雨量直方图,也称雨量过程线雨量过程线。用。用雨量筒人工观测的结果可以直接点绘这种过程雨量筒人工观测的结果可以直接点绘这种过程线。线。一、流域降雨分析一、流域降雨分析 单位时段的雨量称降雨强度。降雨量过程单位时段的雨量称降雨强度。降雨量过程线可以转换成线可以转换成雨强过程线雨强过程线,其纵坐标值为,其纵坐标值为i i=P P/
3、tt。以降雨开始后雨量累积值为纵坐标,相应以降雨开始后雨量累积值为纵坐标,相应时间为横坐标点绘的曲线称时间为横坐标点绘的曲线称累积雨量曲线累积雨量曲线。累。累积雨量曲线错开积雨量曲线错开t t 相减即可得出雨量过程线。相减即可得出雨量过程线。一、流域降雨分析一、流域降雨分析 9012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2105010015020025030035040045001020304050607080时段雨量直方图与累积雨量过程线时段雨量直方图与累积雨量过程线算术平均法:当流域内雨量站分布较均匀,地形起伏变算术平均法:当流域内雨量站分布较均匀
4、,地形起伏变化不大时,可用算术平均法求得流域上的平均降水量:化不大时,可用算术平均法求得流域上的平均降水量:二、流域降雨特性分析二、流域降雨特性分析1.1.流域平均降雨量流域平均降雨量式中:式中:P P 流域平均降水量,流域平均降水量,mm;mm;P P1 1P Pn n 各雨量站同时期内的降水量,各雨量站同时期内的降水量,mm;mm;n n 测站数。测站数。泰森多边形法:泰森多边形法:当流域内雨量站分布不太均匀时,当流域内雨量站分布不太均匀时,假定流域各处的降水量由距离最近的雨量站代表。设假定流域各处的降水量由距离最近的雨量站代表。设P P1 1,P P2 2,P Pn n为各站雨量,为各站
5、雨量,f f1 1,f,f2 2,f,fn n为各站所为各站所在的部分面积,在的部分面积,F F为流域面积,则流域平均降水量为流域面积,则流域平均降水量P P可由可由下式计算:下式计算:式中式中f fi i/F/F表示第表示第i i雨量站所代表面积占整个流域雨量站所代表面积占整个流域面积的份额,通常称为权重。求得的流域平均雨深又面积的份额,通常称为权重。求得的流域平均雨深又称为加权平均雨深。称为加权平均雨深。P1P3P2P4某一流域某一流域 n n个雨量站个雨量站 P P1 1,P P 2 2,P P n n要求划分各雨量站权重面积要求划分各雨量站权重面积泰森法划分雨量站控制面积示意图泰森法划
6、分雨量站控制面积示意图(1)(1)勾绘勾绘n n-个锐角三角形个锐角三角形(2)(2)绘制三角形各边的垂直平分线绘制三角形各边的垂直平分线(3)(3)量算量算n n个雨量站的权重面积个雨量站的权重面积 f f1 1,f f2 2,f fn n等雨深线图法等雨深线图法 :当流域上雨量站分布较密时,:当流域上雨量站分布较密时,可用等雨深线图来计算流域平均雨深。可用等雨深线图来计算流域平均雨深。式中式中,f fi i 两条等雨深线间的面积;两条等雨深线间的面积;P Pi i f fi i 上的平均雨深。上的平均雨深。2.时时-面面-深关系曲线深关系曲线3h6h1h面平均面平均 雨深雨深(mm)(mm
7、)面积(面积(kmkm2 2)3.点点-面关系曲线面关系曲线P Pi i/P/Pc cF F面积面积(km(km2 2)1.0二、径流量计算二、径流量计算Q(m3/s)t(h)Q1QiQi+1Qnt 地面径流退水较快,而地下径流退水历时较长。地面径流退水较快,而地下径流退水历时较长。实测流量过程线往往是由若干次暴雨所形成的洪水径实测流量过程线往往是由若干次暴雨所形成的洪水径流组成。为了研究暴雨与洪水之间的关系,必须流量流组成。为了研究暴雨与洪水之间的关系,必须流量过程线加以分割,可采用退水曲线方法。过程线加以分割,可采用退水曲线方法。退水曲线退水曲线是流域蓄水消退曲线,对同一流域的各是流域蓄水
8、消退曲线,对同一流域的各次洪水,将若干条流量过程线的退水部分绘于透明纸次洪水,将若干条流量过程线的退水部分绘于透明纸上,然后沿时间轴左右移动,使退水线尾部重合,其上,然后沿时间轴左右移动,使退水线尾部重合,其下包线下包线可作为标准的可作为标准的地下水退水曲线。地下水退水曲线。流域地下水退水曲线流域地下水退水曲线次洪水过程线划分次洪水过程线划分 Qtt 地表径流和地下径流汇流特性不同,一般地表径流和地下径流汇流特性不同,一般还要用还要用斜线分割法斜线分割法分割开地面径流和地下径流。分割开地面径流和地下径流。斜线分割法斜线分割法:从起涨点到地面径流终止从起涨点到地面径流终止点绘制直线点绘制直线AB
9、,AB线以上为地面径流,以线以上为地面径流,以下为地下径流。下为地下径流。地下径流分割示意图地下径流分割示意图 A起涨点起涨点B地表径流终地表径流终止点止点地表径流地表径流地下径流地下径流NN=0.84F 0.2 Q0三、三、土壤含水量土壤含水量 地下水面以上土壤空隙不饱和,包含有部分空气地下水面以上土壤空隙不饱和,包含有部分空气的土壤层称的土壤层称包气带包气带或或通气层通气层,它是土壤含水量经常发,它是土壤含水量经常发生变化的土层,由于分子力和毛管力的作用,土壤会生变化的土层,由于分子力和毛管力的作用,土壤会吸附一部分下渗水量。吸附一部分下渗水量。土壤含水量土壤含水量是表示包气带土壤是表示包
10、气带土壤湿润程度的物理量。土壤保持水分的最大量称为湿润程度的物理量。土壤保持水分的最大量称为田间田间持水量持水量。土壤中的水分,由于蒸发而逐渐减少,降雨则是土壤中的水分,由于蒸发而逐渐减少,降雨则是其补充来源。土壤湿度是影响径流的一个重要因素。其补充来源。土壤湿度是影响径流的一个重要因素。水文学上一般根据实测降雨,蒸发和径流资料,根据水文学上一般根据实测降雨,蒸发和径流资料,根据水量平衡原理推求土壤含水量。水量平衡原理推求土壤含水量。通气层通气层通气层通气层浅层地下水层浅层地下水层浅层地下水层浅层地下水层深层地下水层深层地下水层深层地下水层深层地下水层河流河流不透水层不透水层不透水层不透水层不
11、透水层不透水层 在实际工作中,在实际工作中,WMWM是指流域十分干旱情况下,是指流域十分干旱情况下,降雨产流过程的最大损失量,也常称之土壤最大含降雨产流过程的最大损失量,也常称之土壤最大含水量。它包括植物截留、地表填洼,以及渗入包气水量。它包括植物截留、地表填洼,以及渗入包气带不能成为径流的水量。带不能成为径流的水量。对于包气带不厚且雨量充沛地区,对于包气带不厚且雨量充沛地区,WM WM 值在实值在实用上可由实测雨洪资料推求。其方法是选取久旱不用上可由实测雨洪资料推求。其方法是选取久旱不雨后一次降雨量较大且全流域产流的资料,计算出雨后一次降雨量较大且全流域产流的资料,计算出流域平均雨量流域平均
12、雨量P P及所产生的径流量及所产生的径流量R R。由于久旱不雨,。由于久旱不雨,可以认为可以认为P Pa a=0=0,故,故 WM=P-R-EWM=P-R-E雨雨 (2 25 5)流域日蒸发量流域日蒸发量流域日蒸发量流域日蒸发量 E E E E 是该日气象条件(气温、日照、是该日气象条件(气温、日照、是该日气象条件(气温、日照、是该日气象条件(气温、日照、湿度、风速等)和土壤含水量湿度、风速等)和土壤含水量湿度、风速等)和土壤含水量湿度、风速等)和土壤含水量 P P P P 的函数。当的函数。当的函数。当的函数。当 P P P Pa a a a=0 =0 =0 =0 时时时时 E E E E=
13、0=0=0=0;P P P Pa a a a=WM WM WM WM 时,时,时,时,E E E E=E E E Em m m m。E E E Em m m m称为土壤最大日称为土壤最大日称为土壤最大日称为土壤最大日蒸发能力,主要决定于气象条件,一般流域并无蒸发能力,主要决定于气象条件,一般流域并无蒸发能力,主要决定于气象条件,一般流域并无蒸发能力,主要决定于气象条件,一般流域并无 E E E Em m m m 实测资料,常采用下式推求实测资料,常采用下式推求实测资料,常采用下式推求实测资料,常采用下式推求 E E E Em m m m=EEEE水水水水 (2 2 2 26 6 6 6)式中,
14、式中,式中,式中,E E E E水水水水水面蒸发量,水面蒸发量,水面蒸发量,水面蒸发量,mm;mm;mm;mm;经验系数。经验系数。经验系数。经验系数。可根据实地试验求得。可根据实地试验求得。可根据实地试验求得。可根据实地试验求得。假定假定E Et t与与P Patat 成线性关系,则:成线性关系,则:E Et t/EM=P/EM=Patat/WMWMWMWM 土壤含水量的土壤含水量的日消退系数日消退系数K K综合反映流域综合反映流域蓄水量因蒸散发而减少的特性。蓄水量因蒸散发而减少的特性。若若t t日无雨,则日无雨,则:E Et t=P=Pa,ta,t-P-Pa,t+1a,t+1=P=Pata
15、t/WM*EM/WM*EM=P=Pa,ta,t(1-K)(1-K)合并同类项:(合并同类项:(1-EM/WM1-EM/WM)=K=K 前期影响雨量前期影响雨量P Pa,t+1a,t+1 计算公式:计算公式:若若t t日无雨,则日无雨,则:P Pa,t+1a,t+1=K=KP Patat若若t t日有雨,但未产流,则日有雨,但未产流,则:P Pa,t+1a,t+1=K=K(P Patat+P+Pt t)若若t t日有雨,且产流,则日有雨,且产流,则:P Pa,t+1a,t+1=K=K(P Patat+P+Pt t-R-R)注:为了防止资料误差和计算方法引起的土壤含注:为了防止资料误差和计算方法引
16、起的土壤含水量大于田间持水量水量大于田间持水量WmWm的不合理情况,即当的不合理情况,即当P Pa,t+1a,t+1WmWm时,时,P Pa,t+1a,t+1=Wm=Wm 递推公式起始日的递推公式起始日的P Pa a是假定的,但起始是假定的,但起始日从何时开始呢?例如,日从何时开始呢?例如,P Pa a起始计算时间相起始计算时间相隔隔3030天,当天,当K K0.900.90时时K K30300.04,0.04,说明最大说明最大误差不到起始误差的误差不到起始误差的5 5。长时间无雨时,可取起始长时间无雨时,可取起始P Pa a 值较小些,值较小些,或令或令P Pa a 0 0。一次大雨后,土壤
17、比较饱和,可取起始一次大雨后,土壤比较饱和,可取起始P Pa aWMWM。某流域属湿润地区,某流域属湿润地区,w wm m=100mm=100mm,E Em m在在5 5月份均值月份均值5.6mm/d,65.6mm/d,6月份为月份为6.8mm/d6.8mm/d。推求逐日。推求逐日P Pa a值。值。6 6月月2525日日2727日三天雨量很大,产日三天雨量很大,产生较大径流,土壤达最大含水量生较大径流,土壤达最大含水量WMWM,直接取,直接取6 6月月2727日日 P Pa a100mm100mm6 6月月2828日日 P Pa a0.944(1000.944(10014.7)=14.7)=
18、108.3 100 ,108.3 100 ,取为取为100mm100mm6 6月月2929日日 P Pa a0.9441000.9441001.21.294.4mm94.4mm 月月日日P(mm)Em(mm/d)KPa(mm)62560.35.60.94462678.80.94462714.70.9441006280.9441006290.94494.46300.94489.1716.80.93283.27220.20.93277.47321.90.93290.9742.20.932100750.93295.3K6=1-5.6/100=0.944 K7=1-6.8/100=0.932第二节第二
19、节 流域产流分析流域产流分析 一、包气带对降雨的再分配作用一、包气带对降雨的再分配作用 包气带地面对降雨的再分配作用:包气带地面对降雨的再分配作用:(1)包气带土层对下渗水量的再分配作用:包气带土层对下渗水量的再分配作用:n 当降雨结束时包气带达到田间持水量:当降雨结束时包气带达到田间持水量:n 当降雨结束时包气带未达到田间持水量:当降雨结束时包气带未达到田间持水量:(2)(3)二、自然界中两种基本的产流模式二、自然界中两种基本的产流模式 (1)+(2):(1)+(3):蓄满产流蓄满产流超渗产流超渗产流第三节第三节 蓄满产流与降雨径流相关图蓄满产流与降雨径流相关图 一、蓄满产流一、蓄满产流 在
20、湿润地区,由于雨量充沛,地下水位较高,包在湿润地区,由于雨量充沛,地下水位较高,包气带通常不到几米,其下部经常保持在田间持水量,气带通常不到几米,其下部经常保持在田间持水量,上部则因蒸发而缺水。汛期包气带上部缺水极易为一上部则因蒸发而缺水。汛期包气带上部缺水极易为一次降雨所蓄满。如果每次大雨后,流域平均蓄水量都次降雨所蓄满。如果每次大雨后,流域平均蓄水量都能达能达WmWm,则产流量可由降雨量,则产流量可由降雨量P P减去降雨开始时的土壤减去降雨开始时的土壤缺水量缺水量(Pa)(Pa)求得。即雨量补足包气带缺水量后,全部求得。即雨量补足包气带缺水量后,全部形成径流,这种产流方式叫做蓄满产流,并可
21、以概括形成径流,这种产流方式叫做蓄满产流,并可以概括成一个简单的数学模型:成一个简单的数学模型:R=P-E-(Wm W0)当流域蓄水量达当流域蓄水量达WM时的产流状态为全流域产时的产流状态为全流域产流或称全面产流,产流量由上式求得。但有时流或称全面产流,产流量由上式求得。但有时降雨量并不能使流域蓄水量达降雨量并不能使流域蓄水量达WM值。此时,值。此时,由于包气带各处厚度不一致,各处土壤持水量由于包气带各处厚度不一致,各处土壤持水量大小不同,因而在局部地区也会产生径流,这大小不同,因而在局部地区也会产生径流,这种产流状态称之部分产流,然后逐步过渡到全种产流状态称之部分产流,然后逐步过渡到全面产流
22、。面产流。PaWm-Pa潜水潜水部分面积产流部分面积产流Pa=Wm全面产流全面产流二、降雨径流关系图二、降雨径流关系图1 1、建立降雨径流相关图、建立降雨径流相关图 计算出流域内多次暴雨的平均雨量计算出流域内多次暴雨的平均雨量P P,对应,对应的径流量的径流量R R,暴雨初始土壤含水量,暴雨初始土壤含水量P Pa a,即可点绘以,即可点绘以P Pa a为参数的为参数的P PP Pa aR R相关图。相关图。PPaR相关图相关图45。R(mm)Pa(mm)P(mm)降雨径流相关图上降雨径流相关图上部属流域全面产流状态,部属流域全面产流状态,满足方程满足方程R R=P-P-(I Im m-P Pa
23、 a)表现为一组平行等距表现为一组平行等距离的离的45450 0 直线。直线。相关图下部属流域部相关图下部属流域部分产流情况,产流量随降分产流情况,产流量随降雨量减少迅速降低,表现雨量减少迅速降低,表现为一组向下的曲线为一组向下的曲线。利用利用PPaR 相关图查算时段径流量相关图查算时段径流量 Pa=0 20 40 60 80 100P(mm)R(mm)应用应用P PP Pa aR R 相关图可以推相关图可以推出各时段径流量。例如,某出各时段径流量。例如,某次降雨前次降雨前P Pa a=58mm=58mm,共降雨,共降雨4 4个时段,各时段雨量分别为个时段,各时段雨量分别为P P1 1,P P
24、2 2,P,P3 3,P P4 4 ,则在,则在P Pa a=58mm58mm的相关线(红线)上取得的相关线(红线)上取得1 1,2 2,3 3,4 4等点,相应的等点,相应的R R1 1,R R2 2,R R3 3,R R4 4 就是这就是这4 4个时段的径个时段的径流量。流量。P4P3P2P1R4R3R2R1降雨径流关降雨径流关系也可采用系也可采用简化形式,简化形式,以以P Pe e+P Pa a为纵为纵坐标,坐标,R R 为为横坐标,点横坐标,点绘相关图绘相关图。简化的降雨径流相关图简化的降雨径流相关图 地面径流和地下径流汇流的规律是不地面径流和地下径流汇流的规律是不相同的。如果由已知雨
25、量相同的。如果由已知雨量 P P 从降雨径流相从降雨径流相关图上查得径流量关图上查得径流量 R R 后,还需再分成地面后,还需再分成地面和地下两部分,以便进行汇流计算。和地下两部分,以便进行汇流计算。三、总径流量的划分三、总径流量的划分 当流域包气带缺水量满足后,产流当流域包气带缺水量满足后,产流 R R 中有一中有一部分按稳定下渗率部分按稳定下渗率f fc c下渗,下渗的水量全部形成地下渗,下渗的水量全部形成地下径流下径流 R Rg g,超过稳定下渗率的部分形成地面径流,超过稳定下渗率的部分形成地面径流 R Rs s (包括壤中流)(包括壤中流)。因此一次降雨的总径量。因此一次降雨的总径量
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