流域产流与汇流计算.pptx
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1、4.1 4.1 概述概述一、一、流域产汇流计算的基本概念流域产汇流计算的基本概念 产产流流是是指指降降雨雨量量扣扣除除损损失失量量即即为为产产流流量量。降降雨雨损损失失包包括括植植物物截截留留、下下渗渗、填填洼洼与与蒸蒸发发,其其中中以以下下渗渗为为主主。产产流流量量是是指指降降雨雨形形成成径径流流的的那那部部分分水水量量,以以mmmm计计。由由于于各各流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。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。全称汇流是指由降水形成的水流,从它产生的地点向流域出口
2、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。阶段。第1页/共101页 由流域降雨推求流域出口的流量过程,大体可分为两步:由流域降雨推求流域出口的流量过程,大体可分为两步:(1 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)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,剩下的部分称为部分称为净雨净雨,在数量上等于它所形成的,在数量上等于它所形成的径流深径流深,也称为,也称为产流量产流量,降雨转化为净雨的,降雨转化为净雨的过程为产
3、流过程,关于净雨的计算称为产流计算。过程为产流过程,关于净雨的计算称为产流计算。(2 2)汇流计算:净雨沿着地面和地下汇入河网,)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。汇流过程的计算称之为汇流计算。第2页/共101页 产流计算的方法因产流方式不同而异,分别有产流计算的方法因产流方式不同而异,分别有蓄满产蓄满产流流方式和方式和超渗产流超渗产流方式的产流计算方法;汇流计算方法的方式的产流计算方法;汇流计算方法的重点是重点是时段单位线法时段单位线法和和瞬时单位线法瞬时单位线法。无
4、论产流计算还是汇流计算,基本思路都是:先从实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,则可于设计条件时,则可由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水,用于预报,用于预报时,则时,则由实际暴雨预报洪水由实际暴雨预报洪水。蒸发蒸发产流计算产流计算汇流计算汇流计算产流量产流量出口断面流量过程出口断面流量过程降水降水产汇流计算流程简图产汇流计算流程简图 第3页/共101页4.2 4.2 流域降雨径流要素计算流域降雨径流要素计算一、流域降雨量一、流域降雨量 主要包括:流域平均雨量计算
5、的各种途径;雨量过程线的各种表现形式。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)(1)降水特征的描述降水特征的描述 1 1 1 1、降水要素、降水要素、降水要素、降水要素 降水量、降水历时、降水强度、降水面积及降水中心降水量、降水历时、降水强度、降水面积及降水中心降水量、降水历时、降水强度、降水面积及降水中心降水量、降水历时、降水强度、降水面积及降水中心 2 2 2 2、降水量过程线、降水量过程线、降水量过程线、降水量过程线 3 3 3 3、降水量累积曲线、降水量累积曲线、降水量累积曲线、降水量累积曲线 4 4 4 4、等雨量线、等雨量线、等雨量线、等雨量线 5 5
6、 5 5、降水强度历时曲线、降水强度历时曲线、降水强度历时曲线、降水强度历时曲线 6 6 6 6、平均雨深面积曲线、平均雨深面积曲线、平均雨深面积曲线、平均雨深面积曲线 7 7 7 7、平均雨深面积历时曲线、平均雨深面积历时曲线、平均雨深面积历时曲线、平均雨深面积历时曲线第4页/共101页时间时间时间时间时段降雨时段降雨时段降雨时段降雨累积降雨累积降雨累积降雨累积降雨13:4213:420 00 014:0014:0011.511.511.511.514:3014:3033.533.545.045.015:3415:3431.931.976.976.917:0017:001.61.678.57
7、8.518:1018:102.22.280.780.7时间时间时间时间累积降雨累积降雨累积降雨累积降雨时段降雨时段降雨时段降雨时段降雨13:0013:000 00 014:0014:0011.511.511.511.515:0015:0060.060.048.548.516:0016:0077.077.017.017.017:0017:0078.578.51.51.518:0018:0080.780.72.22.2第5页/共101页根据根据105105站资料绘制站资料绘制根据根据2626站资料绘制站资料绘制第6页/共101页时时时时 间间间间累积降雨累积降雨累积降雨累积降雨时段降雨时段降雨时段
8、降雨时段降雨13:0013:000 00 014:0014:0011.511.511.511.515:0015:0060.060.048.548.516:0016:0077.077.017.017.017:0017:0078.578.51.51.518:0018:0080.780.72.22.2历历历历 时时时时累积降雨累积降雨累积降雨累积降雨雨雨雨雨 强强强强1 148.548.548.548.52 265.565.532.832.83 377.077.025.725.74 478.578.519.619.65 580.780.716.116.16 680.780.713.413.4 对一场
9、降雨,对应某指定的历对一场降雨,对应某指定的历时,变动起讫时间求得相应该历时,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成曲线。该曲线反映降水的时间变化特性。变化特性。第7页/共101页 对一场降雨,从降雨量等值线图的中心开始,分别量取对一场降雨,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。绘成曲线。该曲线反映降水的空间变化特性。90705040110第8页/共101页 根据一场暴雨不同历时根据
10、一场暴雨不同历时(如如1212h h、2424h h、4848h h等等)的等雨量线的等雨量线图作出相应的平均雨深图作出相应的平均雨深面积曲线,并综合绘于同一张图上,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。简称时即得平均雨深面积历时曲线。简称时-面面-深曲线。深曲线。其规律为:当历时一定时,面积愈大,平均雨深愈小;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,当面积一定时,历时愈长,平均雨深愈大。平均雨深愈大。第9页/共101页(2)流域平均雨量计算流域平均雨量计算算术平均法:算术平均法:算术平均法:算术平均法:适用于面积不大,地形起伏不大,站点较多
11、且布设较均匀的流域。计算简适用于面积不大,地形起伏不大,站点较多且布设较均匀的流域。计算简便。便。泰森多边形:泰森多边形:泰森多边形: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。致。等雨量线法:等雨量线法:等雨量线法: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,但每次降雨适用于面积大、地形起伏大、站点较密的流域。理论上完善,
12、但每次降雨都必须绘制等雨量线,并计算权重,工作量大。都必须绘制等雨量线,并计算权重,工作量大。第10页/共101页泰森多边形法算例泰森多边形法算例A1A2A3A4A5A6单元面积权重计算公式:单元面积权重计算公式:第第i i 块单元面积的权重块单元面积的权重 i i=A=Ai i/A A总面积总面积A=(AA=(A1 1+A+A2 2+A+A3 3+A+A4 4+A+A5 5+A+A6 6)流域平均雨量计算公式:流域平均雨量计算公式:x1x2x3x4x5x6第11页/共101页等雨量线法等雨量线法A2A690705040A1A3A4A5110总面积总面积A=(A1+A2+A3+A4+A5+A6
13、)各子块权重各子块权重 i=A i/A x=i x i 第12页/共101页二、径流量二、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:外,还可能包括:(1)(1)本次降雨形成的地面径流、壤中流、地下径流;本次降雨形成的地面径流、壤中流、地下径流;(2)(2)前期洪水尚未退尽的水量及非本次降雨补给的深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;层地下径流;(3)(3)若该次洪水尚未退完又遇降雨,还会有后期洪水若该次洪水尚未退完又遇降雨,还会有后期洪水进入。进入。第13页/共101页地面径流地面径流:运动速度快、流程
14、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地面径流壤中流壤中流地下径流地下径流快速壤中流快速壤中流慢速壤中流慢速壤中流直接径流直接径流(地面径流地面径流)地下径流地下径流第14页/共101页 1 1、流量过程线的分割流量过程线的分割 流量过程分割的主要目的是:流量过程分割的主要目的是:一是一是一是一是将非本次降雨形成的径流分割出去,求出本次洪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。水的径流总量。二是二是二是二是由于不同水源的水流运动
15、规律不同,所以还需将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。本次洪水径流总量划分为不同的水源。次洪水径流总量次洪水径流总量地面径流地面径流壤中流壤中流地下径流地下径流直接径流直接径流流量过程分割的依据是流域退水曲线。流量过程分割的依据是流域退水曲线。第15页/共101页 (1)(1)流域退水曲线的推求流域退水曲线的推求 绘制流域退水曲线的具体步骤如下:绘制流域退水曲线的具体步骤如下:以以相相同同的的比比例例尺尺,在在方方格格纸纸上上绘绘出出各各场场洪洪水水的的退退水水流流量过程线;量过程线;用一张透明纸描绘出最低的退水过程线;用一张透明纸描绘出最低的退水过程
16、线;将将此此曲曲线线移移到到另另一一场场洪洪水水的的退退水水段段,在在保保持持时时间间坐坐标标重重合合的的条条件件下下左左右右移移动动透透明明纸纸,使使方方格格纸纸上上的的退退水水过过程程线线的的后后部部与与透透明明纸纸上上的的退退水水过过程程线线相相重重合合,并并把把它它也也描描绘绘在在透明纸上;透明纸上;逐逐一一描描绘绘各各场场洪洪水水的的退退水水流流量量过过程程线线,最最后后作作光光滑滑下下包包线线,就就构构成成流流域域地地下下水水退退水水曲曲线线。各各次次退退水水过过程程求求平平均均,得到得到流域平均退水曲线流域平均退水曲线。第16页/共101页退水曲线示意图退水曲线示意图地下水退水曲
17、线地下水退水曲线平均退水曲线平均退水曲线第17页/共101页退水曲线指数方程退水曲线指数方程从0t 积分地下水退水方程 退水I=0K的物理意义:的物理意义:泄完蓄水量泄完蓄水量Wt所需的时间所需的时间平均汇集时间平均汇集时间第18页/共101页把地下水退水方程写成递推形式:令:C:流量消退系数,反映退水速率快慢。(C=Em,EU=Em,EL=0,ED=0;2)当当WU+P=C.WLm,EU=WU+P,EL=(Em-EU)*WL/WLm,ED=0;3)当当WU+PEm,C.(Em-EU)=WLC.WLm,EU=WU+P,EL=C*(Em-EU),ED=0;4)当当WU+PEm,WLC.(Em-E
18、U),EU=WU+P,EL=WL,ED=C*(Em-EU)-EL.第25页/共101页(4)(4)前期影响雨量前期影响雨量P Pa a计算计算前期影响雨量计算采用递推形式:前期影响雨量计算采用递推形式:Pa,t+1=(Pa,t+Pt-Rt)简化形式:简化形式:Pa,t+1=(Pa,t+Pt)上式限制条件:上式限制条件:当当Pa,t+1Wm 时,时,Pa,t+1=Wm第26页/共101页4.3 4.3 蓄满产流计算蓄满产流计算一、蓄满产流模式一、蓄满产流模式 包气带土壤含水量达到田间持水量前包气带土壤含水量达到田间持水量前(即未蓄满即未蓄满)不产流,降雨全部被土壤吸收,不产流,降雨全部被土壤吸收
19、,补充包气带缺水量;包气带土壤含水量达到田间持水量后补充包气带缺水量;包气带土壤含水量达到田间持水量后(即蓄满即蓄满)开始产流,之后的开始产流,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“蓄满产流蓄满产流”。计算表达式为:。计算表达式为:第27页/共101页主要影响因素: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、降雨径流相关图二、降雨径流相关图第28页/共101页PPaR相关图相关图 W0 P(mm)R(mm)
20、45。2)2)转折点:以上为转折点:以上为45450 0直线,以下为下凹的直线,以下为下凹的曲线。曲线。3)W3)W0 0直线段之间水平直线段之间水平间距相等。间距相等。1)1)曲线簇在曲线簇在45450 0直线上直线上方方(why?)(why?);W W0 0越大,越大,越靠近越靠近45450 0直线。直线。特点:特点:第29页/共101页W0=0 20 40 60 80 100 PE(mm)R(mm)R1 R2 R3 R4P4 P3P2 P1例:某次降雨前例:某次降雨前W W0 0=58mm=58mm,各时段,各时段雨量分别为雨量分别为P P1,1,P P2,2,P P3 3,P P4 4
21、 。内插内插W W0 0=58mm=58mm相关相关线(线(黄线黄线)查得相应的查得相应的R R1 1,R R2 2,R R3 3,R R4 4 第30页/共101页W0PR0P1R1P1+P2R1+R2P1+P2+P3R1+R2+R3第31页/共101页三、蓄满产流模型三、蓄满产流模型1.1.产流机理产流机理 任一地点上,土壤含水量达蓄满(即达田间持水任一地点上,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满产流概
22、念 蓄满产流机制比较接近或符合土壤缺水量不大的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。土壤含水量蓄满。第32页/共101页2 2、蓄满产流概念形成、蓄满产流概念形成PERPERpaPER周次历时paPERW0PE+W0R蓄满点第33页/共101页WWm-W0降降水RPE带包气潜水带蓄满产流计算示意图蓄满产流计算示意图3.3.基本方程基本方程第34页/共101页若一场降雨不能使全流域蓄满,流域内也观测到径若一场降雨不能使全流域蓄满,流域内也观测到径流,流,why?why?原因:流域内各点
23、包气带厚度不一致,各点蓄水容原因: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状态称之部分产流(局部产流),最后逐步过渡到全面产流。产流。4.4.蓄水容量曲线蓄水容量曲线第35页/共101页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
24、量包气带达到田间持水量时的土壤含水量WMWM为纵坐标,以流域内小于等于该为纵坐标,以流域内小于等于该 WMWM的的面积占全流域的面积比面积占全流域的面积比为横坐标,所绘的曲线称为流域为横坐标,所绘的曲线称为流域蓄水容量曲线蓄水容量曲线。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表征土壤缺水量空间分布的不均匀性第36页/共101页第37页/共101页第38页/共101页第39页/共101页四、水源四、水源划分划分1.1.二水源划分二水源划分(直接径流地下径流直接径流地下径流)(1)(1)基本原理基本原理Notes:Notes:1)1)超渗产流只有地面径流,水源划分主要针对
25、蓄满产超渗产流只有地面径流,水源划分主要针对蓄满产流;流;2)2)按蓄满产流方式,一次降雨所产生的径流总量包括按蓄满产流方式,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。即将净雨分别处理。即将净雨h h分成地面径流分成地面径流h hs s和地下径流和地下径流h hg g。第40页/共101页 (2)(2)计算公式计算公式 当流域降雨使包气带缺水得到满足后,全部降水形当流域降雨使包气带缺水得到满足后,全部降水形成径流,其中按稳定下渗率成径流,其中按稳定下渗率f fc c 入渗的水量形成地下径流,入渗的水量形成地
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