大三農(nóng)水工程水文第4章

1、第四章 流域產(chǎn)匯流分析與計算第一節(jié) 概述一、流域產(chǎn)匯流計算的基本內(nèi)容與流程 由流域降雨推求流域出口的流量過程，大體可分為兩步： 產(chǎn)流計算：降雨扣除植物截留、蒸發(fā)、下滲、填洼等各種損失之后，剩下的部分稱為凈雨，在數(shù)量上等于它所形成的徑流深，也稱為產(chǎn)流量，降雨轉(zhuǎn)化為凈雨的過程為產(chǎn)流過程，關(guān)于凈雨的計算稱為產(chǎn)流計算。 匯流計算：凈雨沿著地面和地下匯入河網(wǎng)，然后經(jīng)河網(wǎng)匯流形成流域出口的徑流過程，關(guān)于流域匯流過程的計算稱之為匯流計算。 產(chǎn)流計算的方法因產(chǎn)流方式不同而異，分別有蓄滿產(chǎn)流方式和超滲產(chǎn)流方式的產(chǎn)流計算方法；匯流計算方法的重點(diǎn)是時段單位線法和瞬時單位線法。 無論產(chǎn)流計算還是匯流計算，基本思路都是

2、：先從實(shí)際降雨徑流資料出發(fā)，分析產(chǎn)流或匯流的規(guī)律；然后，用于設(shè)計條件時，則可由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水，用于預(yù)報時，則由實(shí)際暴雨預(yù)報洪水。 蒸發(fā)產(chǎn)流計算匯流計算產(chǎn)流量出口斷面流量過程降水產(chǎn)匯流計算流程簡圖 二、次洪水過程的分割及計算1. 流量過程的分割 觀測到的次洪流量過程包括：(a)本次降雨形成的地面徑流、壤中流、地下徑流；(b)前期洪水尚未退盡的水量及非本次降雨補(bǔ)給的深層地 下徑流；(c)若該次洪水尚未退完又遇降雨，還會有后期洪水混入。 實(shí)測流量過程示意圖（曲線下方數(shù)字為洪號） 流量過程的分割有兩項(xiàng)工作： 一是將非本次降雨形成的徑流分割出去，求出本次洪水的徑流總量。 二是由于不同水源的水流運(yùn)動

3、規(guī)律不同，所以還需將本次洪水徑流總量劃分為不同的水源。 次洪水徑流總量地面徑流壤中流地下徑流直接徑流流量過程分割的依據(jù)是流域退水曲線。 1. 流量過程的分割（續(xù)）(1)流域退水曲線的推求 繪制流域退水曲線的具體步驟如下：以相同的比例尺，在方格紙上繪出各場洪水的退水流量過程線；用一張透明紙描繪出最低的退水過程線；將此曲線移到另一場洪水的退水段，在保持時間坐標(biāo)重合的條件下左右移動透明紙，使方格紙上的退水過程線的后部與透明紙上的退水過程線相重合，并把它也描繪在透明紙上；逐一描繪各場洪水的退水流量過程線，最后作光滑下包線，就構(gòu)成流域地下水退水曲線。各次退水過程求平均，得到流域平均退水曲線。退水曲線示意

4、圖地下水退水曲線平均退水曲線1. 流量過程的分割（續(xù)）(2)次洪劃分 當(dāng)洪水的起漲流量小于后繼洪水的起漲流量時，用流域平均退水曲線將退水過程延長到與起漲流量相等。ABCDEFABCDEFA面積=本次洪水的徑流量用矩形法求面積，則：Qt1. 流量過程的分割（續(xù)）(3)水源劃分 最常用的是斜線分割法。首先在退水曲線上找到直接徑流的終止點(diǎn)；將起漲點(diǎn)A與直接徑流終止點(diǎn)B直線相連，AB線以上為直接徑流WS，以下為地下徑流Wg，其地面徑流深RS、地下徑流深Rg只要分別除以流域面積F即可得到。QtABWSWg第二節(jié) 產(chǎn)流的分析與計算 一、包氣帶對降水的再分配作用包氣帶中孔隙和裂隙等具有吸收、儲存和輸送水分的

5、功能。1. 包氣帶地面對降雨的再分配作用 降雨到達(dá)地面以后， 一部分消耗于植物截留、蒸發(fā)、填洼等損失，剩下部分被分成兩部分：超過地面下滲能力(容量)部分留在地表，其余部分滲入地下。分配的結(jié)果是將雨水分為地面和地下兩個部分。即：P當(dāng)雨強(qiáng)小于下滲能力時，降雨全部滲入地下。RSI一、包氣帶對降水的再分配作用（續(xù)） 對一場總降雨量為P的降雨過程來說，雨強(qiáng)時大時小，有時ifp，有時ifp，下滲到包氣帶土層中的水量I為： 而形成的地面徑流RS為： 根據(jù)水量平衡原理，顯然有： 一、包氣帶對降水的再分配作用(續(xù))2. 土層對下滲水量的再分配作用 下滲水量一部分以蒸發(fā)形式逸出地面，剩余部分又被分成兩部分：首先補(bǔ)

6、充土壤缺水，超過包氣帶蓄水容量部分成為自由重力水。 若雨后包氣帶達(dá)到田間持水量，則：I=E+(WM-W0)+RG 若雨后包氣帶未達(dá)到田間持水量，則： I=E+(We-W0)其中：W0 降雨開始時包氣帶蓄水量； We 雨末包氣帶蓄水量； E蒸發(fā)量； RG 包氣帶中能自由運(yùn)動的重力水。一、包氣帶對降水的再分配作用(續(xù))3. 蓄滿產(chǎn)流 包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量前(即未蓄滿)不產(chǎn)流，降雨全部被土壤吸收，補(bǔ)充包氣帶缺水量；包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量后(即蓄滿)開始產(chǎn)流，之后的降雨扣除蒸發(fā)后全部形成凈雨。這種產(chǎn)流方式稱為“蓄滿產(chǎn)流”。 4. 超滲產(chǎn)流 干旱和半干旱地區(qū)，地下水埋藏深，流域包氣帶很

7、厚，缺水量大，降雨過程中下滲的水量不易使整個包氣帶達(dá)到田間持水量，很少產(chǎn)生壤中流或地下徑流。但當(dāng)雨強(qiáng)超過土壤下滲能力時會產(chǎn)生地面徑流。這種產(chǎn)流方式稱為“超滲產(chǎn)流”。 二、蓄滿產(chǎn)流與降雨徑流相關(guān)圖法1. 蓄滿產(chǎn)流量的計算公式 在蓄滿產(chǎn)流條件下，由水量平衡方程知： 式中:x 一次降水的流域面雨量(mm) ； Pa降雨開始時刻流域的土壤含水量(mm)； Im流域的最大蓄水量(mm)； I 一次降水的損失量，等于Im-Pa (mm)； y 本次降水形成的總徑流深，包括地表和地下徑流。2. Pa 的計算 降雨開始時，流域內(nèi)包氣帶土壤含水量的大小直接影響降雨損失的大小。 嚴(yán)格講，Pa不完全等同于土壤含水量

8、。但它也能反映流域土壤的干濕程度，工程水文計算中用Pa 代表土壤含水量。Pa也稱為前期影響雨量，其值取決于前期降水對土壤的補(bǔ)給量和蒸散發(fā)對土壤含水量的消耗量。 若t日無雨，顯然Pt=Rt=0；若t日有雨，因Rt難以確定，實(shí)際計算時仍按Rt=0處理，并以Pa不超過流域最大蓄水量Im為控制。 若流域較大，Pa值應(yīng)按雨量站分塊計算，全流域Pa值由各塊Pa值加權(quán)平均。 Pa 的經(jīng)驗(yàn)計算公式： Pa , t+1=K(Pt-Rt)+KPa , t式中：Pa , t+1 第t+1日開始時刻的前期影響雨量； Pa , t 第t日開始時刻的前期影響雨量； Pt第t日的降雨量； Rt第t日的產(chǎn)流量； K土壤含水量

9、的日折減系數(shù)。 Im可根據(jù)水量平衡原理確定。 閉合流域水量平衡方程：P-R-E=W 選前期十分干旱，雨末蓄滿的一次降雨產(chǎn)流過程的雨洪資料分析得到。因前期干旱，雨末蓄滿，故W初0，W末 Im， Im=P-R-E。（Im，P，R，E的單位均為mm） 3. Im的確定 流域最大蓄水量又稱流域蓄水容量。包氣帶含水量中有一部分水在最干旱的自然狀況下也不可能被蒸發(fā)掉，包氣帶蓄水容量是包氣帶達(dá)到田間持水量時的蓄水量與最干旱時的蓄水量之差。數(shù)值上等于包氣帶最干旱時的缺水量。 4. 土壤含水量日折減系數(shù)K K 綜合反映流域蓄水量因流域蒸散發(fā)而減少的特性。流域蒸散發(fā)一方面取決于蒸散發(fā)能力Zm，另一方面取決于供水條

10、件（即流域蓄水量），假定流域蒸散發(fā)量Z與兩者呈線性正比關(guān)系，若第t日不降雨，則根據(jù)水量平衡方程： 4. 土壤含水量日折減系數(shù)K(續(xù))算例：某流域經(jīng)分析求得Im=100mm，6、7月份多年平均的流域日蒸散發(fā)能力為5.6mm/d和6.8mm/d，試計算下表中6月25日7月5日的逐日Pa值。 土壤含水量日折減系數(shù)K (算例) 月 日Pt(mm)KPa(mm)備注(1)(2)(3)(4)(5)6.2560.30.944Wm=100mm Pa為每日開始時的前期影響雨量 6.2678.80.9446.2714.70.9441006.280.9441006.290.94494.46.300.94489.17

11、.10.93283.07.220.20.93277.47.321.90.93290.97.42.20.9321007.50.93295.32日8:00至3日8:00雨量=0.932(77.4+20.2)=0.932(90.9+21.9)=0.932835. 相關(guān)圖的制作 降雨徑流相關(guān)圖是用每場降雨流域的面平均雨量P和相應(yīng)產(chǎn)生的徑流量R ，以及影響徑流形成的主要因素建立的一種定量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。主要因素包括：前期影響雨量Pa、降雨歷時、降雨強(qiáng)度等。最常用的是R=f (P，Pa)的三變數(shù)相關(guān)圖。 PaPR PPaR相關(guān)圖具有以下特征：(1)Pa曲線簇在45直線的左上側(cè)，Pa值越大，越靠近45線，即降雨

12、損失量越??；(2)每一Pa等值線都存在一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上的Pa線呈45直線，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下為坡度大于45的曲線；(3)Pa直線段之間的水平間距相等。6. 相關(guān)圖的應(yīng)用 相關(guān)圖是依據(jù)次降雨量與次洪徑流總量建立的定量關(guān)系。應(yīng)用中不僅可用于洪水徑流總量的預(yù)報，也可用于逐時段的凈雨量的推求。PaPR0P1R1P1+ P2R1+ R2P1+ P2+ P3R1+ R2+ R3 按蓄滿產(chǎn)流方式，一次降雨所產(chǎn)生的徑流總量包括地面徑流和地下徑流兩部分，在推求洪水過程線時要分別處理。即將凈雨h分成h地面和h地下。6、穩(wěn)定下滲率 fc 的確定及水源劃分 當(dāng)流域降雨使包氣帶缺水得到滿足后，全部降水形成徑流，其中按穩(wěn)定

13、下滲率fc 入滲的水量形成地下徑流，降雨強(qiáng)度超過穩(wěn)定入滲的那部分水量形成地面徑流。 在水源劃分中，fc 是一個重要參數(shù)，它是土壤、地質(zhì)、植被等的綜合反映，可根據(jù)實(shí)測雨洪資料分析得到。6、穩(wěn)定下滲率 fc 的確定及水源劃分（續(xù)） 首先要推求出一次洪水的地下徑流總量y下 ，及相應(yīng)的降雨過程xtt，凈雨過程htt。 然后采用試錯法確定fc，具體步驟與算例見教材P46表4-3 。3.2+25.9=29.13.2+25.9+31.6=60.7產(chǎn)流66.5-60.7=5.8損失14.6-5.8=8.85.8/14.66=2.4第(3)/第(4)列得到設(shè)所有歷時均按fc下滲形成y下，fc=22.7/20.4

14、=1.11不滿足設(shè)除最后時段外均按fc下滲形成y下，fc=(22.7-3.2)/14.4=1.35滿足6、穩(wěn)定下滲率 fc 的確定及水源劃分（續(xù)） 為保證精度，宜選產(chǎn)流計算誤差小的洪水。分析多次洪水，定出流域平均的fc值。 當(dāng)根據(jù)實(shí)測雨洪資料確定了穩(wěn)定下滲率fc 后，就可以對已知的凈雨過程劃分水源了。 三、超滲產(chǎn)流的產(chǎn)流量計算1、下滲強(qiáng)度曲線法 主要步驟：（a）設(shè)下滲能力只與土壤含水量有關(guān)，與其垂向分布無關(guān)，即Paf 關(guān)系單一。由實(shí)測雨洪資料確定Paf 關(guān)系；fPa（b）根據(jù)降雨開始時的Pa 0查fp1，i1與fp1對比，確定第1時段的實(shí)際下滲量f1與凈雨量y1 ， Pa1= Pa 0 +f1

15、（c）根據(jù)Pa1查fp2， i2與fp2對比，確定第2時段的實(shí)際下滲量f2與凈雨量y2， Pa2= Pa1 +f2 （如此循環(huán) ）時 分 i Pa fp f y地面16 08 0.3 0.0 2.6 0.3 016 09 0.3 0.3 2.6 0.3 016 10 0.3 0.6 2.6 0.3 016 11 0.3 0.9 2.5 0.3 016 12 1.0 1.2 2.5 1.0 016 13 1.0 2.2 2.4 1.0 016 14 1.9 3.2 2.3 1.9 016 15 1.9 5.1 2.0 1.9 016 16 1.9 7.0 1.9 1.9 016 17 1.9 8

16、.9 1.7 1.7 0.216 18 3.3 10.6 1.6 1.6 1.7教材第49頁例題2、初損后損法 將損失分成兩部分，產(chǎn)流前的損失稱為初損（I0）。產(chǎn)流后的損失稱為后損，后損由產(chǎn)流歷時內(nèi)的下滲量（數(shù)值上等于產(chǎn)流歷時內(nèi)平均下滲強(qiáng)度產(chǎn)流歷時）和后期不產(chǎn)流的雨量兩部分組成。 初損平均后損率產(chǎn)流歷時后期不產(chǎn)流雨量a) 初損值的確定 建立PaI0的關(guān)系，必要的話以雨強(qiáng)或月份為參數(shù)建立關(guān)系。 2、初損后損法（續(xù)） PaI0的關(guān)系可根據(jù)實(shí)測雨洪資料分析得到。具體來說，對每場降雨，按照前面介紹的方法計算降雨開始時的Pa，取流域出口斷面流量起漲點(diǎn)前的累積雨量作為I0。根據(jù)多組（ Pa，I0）確定Pa

17、I0關(guān)系。 b) 平均下滲強(qiáng)度的確定 在初損確定后，產(chǎn)流歷時內(nèi)的平均下滲強(qiáng)度可按下式計算： 后期不產(chǎn)流的降雨歷時降雨開始至流量起漲點(diǎn)的歷時 初損、后損方案確定后，就可以由已知的降雨過程推求凈雨過程了。（教材P51例題）第三節(jié) 流域匯流的分析與計算 流域匯流分析計算的基本內(nèi)容：在分析計算流域內(nèi)凈雨過程和相應(yīng)的流量觀測資料的基礎(chǔ)上，擬定流域的匯流方案。利用擬定的匯流方案推求出口斷面的流量過程。 流域匯流是指，在流域各點(diǎn)產(chǎn)生的凈雨，經(jīng)過坡地和河網(wǎng)匯集到流域出口斷面，形成徑流的全過程。 同一時刻在流域各處形成的凈雨到達(dá)流域出口斷面的距離有遠(yuǎn)有近、流速有大有小，所以不可能全部在同一時刻到達(dá)流域出口斷面。

18、一、單位線 采用單位線法進(jìn)行匯流計算基于以下假定：(1)倍比假定：如果單位時段內(nèi)的凈雨不是一個單位而是k 個單位，則形成的流量過程是單位線縱標(biāo)的k倍。 (2)疊加假定：如果凈雨不是一個時段而是m個時段，則形 成的流量過程是各時段凈雨形成的部分流量過程錯開時 段疊加。 1. 單位線的基本概念 在給定流域上，單位時段內(nèi)分布均勻的單位地面凈雨量，在流域出口斷面所形成的地面徑流過程線。單位凈雨量常取10 mm。單位時段取1、3、6、12h等，依流域大小而定。 用單位線推求地面徑流過程的例子見教材P55。(a)從實(shí)測資料中選降雨、洪水過程，要求雨型和洪水呈單峰，洪水起漲流量小，過程線光滑；(b)推算凈雨

19、過程和分割地面徑流，要求地面凈雨深等于洪水過程的地面徑流深；(c)解線性代數(shù)方程組求不同時刻單位線的縱坐標(biāo)。二、單位線(續(xù))2. 分析法推求單位線的步驟檢查單位線的總量是否是10mm，一般要求計算誤差小于或等于0.1mm。因凈雨量的計算誤差、流量的測驗(yàn)誤差以及凈雨量的時空變化等原因，各種誤差的積累常使單位線后段的縱標(biāo)出現(xiàn)鋸齒形，有時甚至為負(fù)。此時應(yīng)對計算的單位線進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整時可取波動的平均線，要求平均線光滑，且單位線總量為10mm。 月日時 地面徑流量 Qd,o m3/s凈雨rd mm凈雨15.7產(chǎn)生的徑流 m3/s凈雨5.9產(chǎn)生的徑流 m3/s計 算單位線 m3/s9249015.7002

20、11205.91200762592752304514621737651864152691065821244523120/1.57=76760.59=45275-45=230230/1.57=1461460.59=86737-86=651651/1.57=415根據(jù)各次降雨洪水資料分析的單位線有差別，原因：單位線的線性假定與實(shí)際情況不盡符合。大洪水時，流速大，洪峰出現(xiàn)時間提前，用它分解的單位線洪峰也相應(yīng)提前，而一般小洪水則相反。凈雨量在空間分布上不均勻，對單位線的影響顯著，例如暴雨中心在上游時，流程長，調(diào)蓄影響大，洪峰低，峰現(xiàn)時間遲后；如果暴雨中心在下游，流程短，調(diào)蓄影響小，峰高形尖，峰現(xiàn)提前。

21、 3、討論長江三峽區(qū)間單位線按暴雨中心分類圖 單位線是有一定時段長的。凈雨時段長必須和單位線時段長一致，才能用于匯流計算。當(dāng)兩者不一致時，可通過S曲線對原單位線進(jìn)行時段轉(zhuǎn)換。 S曲線就是單位線各時段累積流量和時間的關(guān)系曲線。由一系列單位線加在一起而構(gòu)成，每一條單位線比前一條單位線滯后t小時。因時段凈雨量連續(xù)不斷，則地面徑流量不斷累積，至某一時刻，全流域凈雨量參加匯流以后，徑流量就成了不變的常數(shù)，其形狀如S。4、單位線時段轉(zhuǎn)換 表4-6 S曲線計算k10mm10mm10mm10mm10mm10mm10mmS （tk）= Q （tk）0001q10q12q2q10q1+ q23q3q2q10q1+ q2+ q34q4q3q2q10q1+ q2+ q3+ q45q5q4q3q2q10q1+ q2+ q3+ q4+ q56q5q4q3q2q10q1+ q2+ q3+ q4