《工程水文学》第7章_流域产汇流计算.ppt
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WUHEE工程水文学工程水文学武汉大学水利水电学院武汉大学水利水电学院WUHEE第七章第七章流域产汇流计算流域产汇流计算F第二章对径流的形成过程作了定性的描述，本第二章对径流的形成过程作了定性的描述，本章从定量的角度阐述降雨形成径流的原理和计章从定量的角度阐述降雨形成径流的原理和计算方法，它是以后学习由暴雨资料推求设计洪算方法，它是以后学习由暴雨资料推求设计洪水、降雨径流预报等内容的基础。
水、降雨径流预报等内容的基础。
降雨降雨P（t）蒸发蒸发E（t）产流计算产流计算净雨净雨R（t）汇流计算汇流计算流域出口断面流域出口断面径流过程径流过程Q（t）数量上相等数量上相等WUHEEF第一节第一节产汇流计算基本资料的整理分析产汇流计算基本资料的整理分析实测暴雨资料、径流和蒸发资料等实测暴雨资料、径流和蒸发资料等一、降雨资料的整理一、降雨资料的整理降雨时程变化的表示方法：
降雨时程变化的表示方法：
11、22线：
降雨强度过程线线：
降雨强度过程线33线：
降雨量累积曲线线：
降雨量累积曲线WUHEE流域平均雨量计算：
流域平均雨量计算：
1.算术平均法算术平均法条件：
流域内雨量站分布较均匀、地形起条件：
流域内雨量站分布较均匀、地形起伏变化不大。
伏变化不大。
WUHEE2.2.垂直平分法（泰森多边形法）垂直平分法（泰森多边形法）条件：
流域雨量站分布不太均匀，为了更好地反条件：
流域雨量站分布不太均匀，为了更好地反映各站在计算流域平均雨量中的作用。
映各站在计算流域平均雨量中的作用。
假设：
流域各处的雨量可由与其距离最近的雨量假设：
流域各处的雨量可由与其距离最近的雨量站代表。
站代表。
WUHEE3.3.等雨量线法等雨量线法条件：
当流域地形变化较大，而雨量站分布较密，条件：
当流域地形变化较大，而雨量站分布较密，能结合地形变化绘制等雨量线时。
能结合地形变化绘制等雨量线时。
该方法能考虑流域地形的变化绘制等雨量线，比较好该方法能考虑流域地形的变化绘制等雨量线，比较好地反映了降雨在流域上的变化，精度较高。
地反映了降雨在流域上的变化，精度较高。
但是绘制等雨量线需要较多站点的资料，且每次都但是绘制等雨量线需要较多站点的资料，且每次都要重绘，工作量大。
要重绘，工作量大。
WUHEE二、径流量计算二、径流量计算一次洪水流量过程一次洪水流量过程地面径流地面径流表层流径流表层流径流地下径流地下径流前期洪水未退完的部分水量前期洪水未退完的部分水量非本次降雨补给的深层地下径流非本次降雨补给的深层地下径流本次洪水形成本次洪水形成割除割除WUHEEAEGBCHIDt（h）Q（m3/s）F深层地下径流（基流）深层地下径流（基流）前期前期洪水洪水未退未退完的完的部分部分本次降雨形成的径流过程本次降雨形成的径流过程WUHEE基流的分割：
基流的分割：
取历年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水取历年最枯流量的平均值或本年汛前最枯流量用水平线分割（平线分割（EDED线）。
线）。
流量过程线的分割及不同水源的划分（流量过程线的分割及不同水源的划分（AFAF线和线和CDCD线）：
线）：
退水曲线退水曲线Kg：
地下水退水参数；：
地下水退水参数；Kg越大地下水退水越慢，反之则快。
越大地下水退水越慢，反之则快。
WUHEE3.3.径流量的计算径流量的计算黄色的面积（黄色的面积（ABCDFAABCDFA）：
）：
WUHEEAEGBCHIDt（h）Q（m3/s）F深层地下径流（基流）深层地下径流（基流）前期前期洪水洪水未退未退完的完的部分部分本次降雨形成的径流过程本次降雨形成的径流过程CDCDDCDD的面积与的面积与AEFAEF大约相等，大约相等，ABCDFAABCCDFEAABCDFAABCCDFEAWUHEE4.4.水源的划分水源的划分斜线分割法斜线分割法上面从洪水过程中割除了基流和前期洪水上面从洪水过程中割除了基流和前期洪水的退水部分，得到的退水部分，得到本次洪水的径流过程本次洪水的径流过程。
地面径流地面径流表层流径流表层流径流地下径流地下径流直接径流直接径流本次洪水的径流过程本次洪水的径流过程WUHEEAEGBCHIDt（h）Q（m3/s）F本次降雨形成的径流过程本次降雨形成的径流过程CDB直接径流直接径流地下径流地下径流NWUHEE三、前期影响雨量三、前期影响雨量降雨开始时，降雨开始时，流域流域土壤的干湿程度（即土土壤的干湿程度（即土壤的含水量大小）壤的含水量大小）是影响降雨形成径流过程的是影响降雨形成径流过程的一个主要因素。
一个主要因素。
如何来表示流域的土壤含水量？
如何来表示流域的土壤含水量？
前期影响雨量前期影响雨量Pa、流域的蓄水量、流域的蓄水量WWUHEE
（一）前期影响雨量
（一）前期影响雨量PPaa的计算公式的计算公式如果第如果第t日内有降雨日内有降雨Pt，但未产流，则，但未产流，则如果第如果第t日内有降雨日内有降雨Pt并产生径流并产生径流Rt，则，则注意：
注意：
PaWM，若计算出，若计算出PaWM，则取，则取Pa=WM。
WUHEE
（二）流域最大蓄水量
（二）流域最大蓄水量WMWM和消退系数和消退系数KK1.1.流域最大蓄水量流域最大蓄水量WMWM流域蓄水容量流域蓄水容量田间持水量与调萎系数的差值田间持水量与调萎系数的差值流域实际蓄水量在流域实际蓄水量在0WM之间变化。
之间变化。
WUHEE2.2.消退系数消退系数KK消退系数综合反映流域蓄水量因消退系数综合反映流域蓄水量因流域蒸散发流域蒸散发而减而减少的特性。
少的特性。
流域蒸散发取决于：
流域蒸散发取决于：
11）流域蒸散发能力）流域蒸散发能力EMEM；22）流域供水条件，即流域蓄水量）流域供水条件，即流域蓄水量WW、WM;WM;第第t日的流域蒸发量：
日的流域蒸发量：
WUHEE若第若第tt日无雨，则该日流域前期影响雨量的减少全日无雨，则该日流域前期影响雨量的减少全部转化为流域蒸散发，故：
部转化为流域蒸散发，故：
又：
又：
代入：
代入：
得：
得：
EM为流域蒸发能力，为流域蒸发能力，可用可用E601观测器观测的观测器观测的水面蒸发值作为近似值水面蒸发值作为近似值WUHEEK6=1-5.6/100=0.944Pa=0.944*（100+14.7）=108.3WM（100）Pa=0.944*100=94.4K7=1-6.8/100=0.932Pa=0.932*89.1=83.0Pa=0.932*83.0=77.4Pa=0.932*（77.4+20.2=90.9WUHEE第三节第三节产流计算产流计算一、降雨径流相关图法一、降雨径流相关图法每场降雨过程流域的面平均雨量每场降雨过程流域的面平均雨量相应产生的径流量相应产生的径流量影响径流形成的主要因素影响径流形成的主要因素相关分析，建立相关图相关分析，建立相关图Pa、W0、降雨历时等、降雨历时等WUHEE在我国湿润和半湿润地区最常用的是在我国湿润和半湿润地区最常用的是PPPaPaRR三三变量相关图变量相关图两时段降雨：
两时段降雨：
P1=49mmP2=81mm降雨开始时：
降雨开始时：
Pa=60mm由由P1=49mm,查查得得R1=20.0mm。
（49mm）由由P1+P2=130mm,查得查得R1+R2=80.0mm。
（130mm）则第二时段净雨为则第二时段净雨为R2=80-20=60mmWUHEE降雨相关图的规律：
降雨相关图的规律：
11）PP相同，相同，PaPa越大，损越大，损失越小，失越小，RR越大，故越大，故PaPa等值线的数值自左等值线的数值自左向右增大。
向右增大。
22）PaPa相同时，相同时，PP越大，越大，损失相对于损失相对于PP越小，越小，径流系数越大，径流系数越大，PPRR线的坡度随线的坡度随PP的增大的增大而减缓，但不应小于而减缓，但不应小于4545。
WUHEE降雨径流相关图也可简化为降雨径流相关图也可简化为PP+PaPaRR关系关系WUHEEF某某水水文文站站实实测测有有1938年年至至1992年年最最大大洪洪峰峰流流量量资资料料，其其中中最最大大的的五五年年洪洪峰峰流流量量依依次次为为28400m3/s，13200m3/s，9850m3/s，8560m3/s，8450m3/s。
另另外外，调调查查到到1927年年发发生生一一次次洪洪峰峰为为32000m3/s是是1856年年以以来来最最大大一一次次洪洪水水，1856年年至至1938年年间间其其余余洪洪水水的的洪洪峰峰流流量量均均在在15000m3/s以以下下，试试用用统统一一样样本本法法计计算算上上述述六六项项洪洪峰峰流流量的经验频率。
量的经验频率。
F某某流流域域最最大大土土壤壤蓄蓄水水量量WM=100mm，流流域域蓄蓄水水的的日日消消退退系系数数k=0.8，试试根根据据下下表表数数据据计计算算5月月16日日19日日各各日的前期影响雨量日的前期影响雨量Pa值。
值。
WUHEE二、蓄满产流的产流量计算二、蓄满产流的产流量计算降雨总径流相关图法降雨总径流相关图法蓄满产流：
赵人俊等人提出，包括用蓄满产流：
赵人俊等人提出，包括用PPWW00RR关关系计算净雨过程，确定稳定下渗率和划分地面、地下系计算净雨过程，确定稳定下渗率和划分地面、地下净雨的方法。
该法现已成为我国湿润地区产流计算的净雨的方法。
该法现已成为我国湿润地区产流计算的一种重要方法。
一种重要方法。
（一）概述
（一）概述“蓄满产流蓄满产流”是指包气带土壤含水量达到田间持水是指包气带土壤含水量达到田间持水量之前不产流，这时称为量之前不产流，这时称为“未蓄满未蓄满”，此前的降雨全，此前的降雨全部被土壤吸收，补充包气带缺水量。
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时，称包气带土壤含水量达到田间持水量时，称“蓄满蓄满”，蓄满后开始产流，此后的降雨扣除雨期蒸散发后，蓄满后开始产流，此后的降雨扣除雨期蒸散发后全部形成净雨。
全部形成净雨。
WUHEE因为只有在蓄因为只有在蓄满的地方才产流，满的地方才产流，所以产流期的下所以产流期的下渗为稳定下渗率渗为稳定下渗率ffcc。
下渗的雨量形成下渗的雨量形成地下径流，超渗的雨地下径流，超渗的雨量成为地面径流。
这量成为地面径流。
这种产流模式称为蓄满种产流模式称为蓄满产流。
产流。
WUHEE
（二）蓄满产流的产流量计算
（二）蓄满产流的产流量计算蓄满产流以满足包气带缺水量为产流控制条件。
蓄满产流以满足包气带缺水量为产流控制条件。
就流域中某点而言，蓄满前的降雨不产流，净雨量就流域中某点而言，蓄满前的降雨不产流，净雨量为零；蓄满后才产流，产流量（总净雨量）可以很简为零；蓄满后才产流，产流量（总净雨量）可以很简单地用下面的水量平衡方程计算：
单地用下面的水量平衡方程计算：
由于流域上不同的点，蓄满有早有晚，产流有先由于流域上不同的点，蓄满有早有晚，产流有先有后，所以还要考虑降雨开始时流域的蓄水分布情况有后，所以还要考虑降雨开始时流域的蓄水分布情况（即流域蓄水容量分布曲线），求得各点缺水量在流（即流域蓄水容量分布曲线），求得各点缺水量在流域上的分布，与上式合解，得流域的净雨深域上的分布，与上式合解，得流域的净雨深RR。
WUHEEWUHEE11）随着降雨量）随着降雨量的增加，产流的增加，产流面积也随之增面积也随之增加。
加。
22）产流面积的）产流面积的变化与降雨强变化与降雨强度无关。
降雨度无关。
降雨强度只影响径强度只影响径流的分配，而流的分配，而不影响总径流不影响总径流量。
量。
WUHEE（三）地面地下径流（净雨）的划分（三）地面地下径流（净雨）的划分上面求的是总径流上面求的是总径流R，包括地面径流，包括地面径流RS和地下径流和地下径流RG，需要划分开，以便分别进行汇流计算。
，需要划分开，以便分别进行汇流计算。
蓄满产流是在包气带蓄满后才产流，此时的下渗率蓄满产流是在包气带蓄满后才产流，此时的下渗率为稳定下渗率为稳定下渗率ffcc。
当雨强。
当雨强ififcc时，（时，（i-fi-fcc）形成地面径）形成地面径流，流，ffcc形成地下径流。
形成地下径流。
对于一场降雨，产生的地下径流总量为：
对于一场降雨，产生的地下径流总量为：
WUHEE上式表明只要知道流域的上式表明只要知道流域的ffcc，就可以把时段产流量，就可以把时段产流量划分为地面、地下两部分。
划分为地面、地下两部分。
推求推求fcfc可以利用实测的降雨径流资料，计算本次可以利用实测的降雨径流资料，计算本次降雨的径流过程，并分割出相应降雨过程的地面和地降雨的径流过程，并分割出相应降雨过程的地面和地下径流过程，加上相应的蒸散发过程，由上式反推下径流过程，加上相应的蒸散发过程，由上式反推.WUHEE已知已知t=6h，RG=38.1mm（由流量过程线分割得到）（由流量过程线分割得到）先假设先假设fc=2.0mm/h，有：
，有：
WUHEE再设再设fc=1.6mm/h，有：
，有：
与与38.1mm相近，因此，确定该场洪水的相近，因此，确定该场洪水的fc=1.6mm/h。
WUHEE三、超渗产流的产流量计算三、超渗产流的产流量计算
（一）概述
（一）概述在干旱半干旱地区，地下水埋藏很深，流域的包在干旱半干旱地区，地下水埋藏很深，流域的包气带很厚，缺水量大，降雨过程中的下渗的水量不易气带很厚，缺水量大，降雨过程中的下渗的水量不易使整个包气带达到田间持水量，所以不产生地下径流，使整个包气带达到田间持水量，所以不产生地下径流，并且只有当降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流，并且只有当降雨强度大于下渗强度时才产生地面径流，这种产流方式称为超渗产流。
关键是确定流域下渗的这种产流方式称为超渗产流。
关键是确定流域下渗的变化规律。
变化规律。
WUHEE初渗阶段，降初渗阶段，降雨全部损失，雨全部损失，不产流。
不产流。
i0f，产流，产流Rif，下渗损失，下渗损失后损后损WUHEE
（二）超渗产流的产二）超渗产流的产流量计算流量计算初损后损法初损后损法1.降雨初期到出现超降雨初期到出现超渗产流，这一阶段渗产流，这一阶段称为初损阶段，历称为初损阶段，历时为时为t0。
降雨全部。
降雨全部损失损失I0。
2.产流以后的降雨期产流以后的降雨期为后损阶段，损失为后损阶段，损失减小。
损失按减小。
损失按ff来计来计算。
算。
ftR+P平均下渗平均下渗能力能力fft0t0trtI0PftRWUHEE
（1）初损量初损量I0的确定：
的确定：
对于小流域，对于小流域，径流过程的起涨点径流过程的起涨点以前的累积雨量可以前的累积雨量可以作为初损的近似以作为初损的近似值。
值。
对于大流域则对于大流域则要考虑流域内各雨要考虑流域内各雨量站至流域出口断量站至流域出口断面汇流时间不同的面汇流时间不同的问题。
分别确定各问题。
分别确定各自的产流开始时刻，自的产流开始时刻，再确定初损。
再确定初损。
平均下渗平均下渗能力能力fft0t0trtI0PftRWUHEE
（2）平均后损率平均后损率f一次降雨形成一次降雨形成的径流深的径流深R:
因此：
因此：
平均下渗平均下渗能力能力fft0t0trtI0PftRWUHEEF第四节第四节流域汇流计算流域汇流计算降落在流域上的雨水，从流域各处向流域出口断降落在流域上的雨水，从流域各处向流域出口断面汇集的过程，称为面汇集的过程，称为流域汇流流域汇流。
流域汇流流域汇流坡地汇流坡地汇流河网汇流河网汇流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汇流直接径流汇流（地面径流）（地面径流）WUHEE降雨降雨P（t）蒸发蒸发E（t）产流计算产流计算净雨净雨R（t）汇流计算汇流计算流域出口断面流域出口断面径流过程径流过程Q（t）数量上相等数量上相等WUHEE一、流域出口断面流量的组成一、流域出口断面流量的组成流域各点的地面净雨流达出口断面所经历的时间，流域各点的地面净雨流达出口断面所经历的时间，称为汇流时间（称为汇流时间（）。
）。
将流域上汇流时间相等的点子连成一条曲线，就将流域上汇流时间相等的点子连成一条曲线，就是是等流时线等流时线。
两条相邻等流时线间的面积称为。
两条相邻等流时线间的面积称为等流时等流时面积（面积（F1、F2、F3、.）。
123dF1dF2dF3WUHEE123dF1dF2dF3净雨净雨i（t-）设等流时面积设等流时面积dF1上上t-时刻形成净雨时刻形成净雨i（t-）正好在正好在t时刻时刻到达流域出口断面，所形成的出口断面流量为到达流域出口断面，所形成的出口断面流量为:
而流域出口断面而流域出口断面tt时刻的流量时刻的流量Q（t），是所有等流时面积是所有等流时面积上在上在t时刻到达出口断面的流量之和：
时刻到达出口断面的流量之和：
WUHEEdF（）对对求偏导，有：
求偏导，有：
流量成因公式流量成因公式流域汇流曲线流域汇流曲线流域净雨过程流域净雨过程流域汇流曲线流域汇流曲线u（t）：
等流时线、单位线、瞬时单位等流时线、单位线、瞬时单位线、地貌单位线等。
线、地貌单位线等。
WUHEE二、单位线二、单位线
（一）单位线基本概念
（一）单位线基本概念在给定的流域下，单位时段内均匀分布的单位地在给定的流域下，单位时段内均匀分布的单位地面（直接）净雨面（直接）净雨量，在流域出口断面形成的地面（直量，在流域出口断面形成的地面（直接）径流过程线，称为单位线。
接）径流过程线，称为单位线。
单位净雨量（径流深）一般取为单位净雨量（径流深）一般取为10mm。
单位时段。
单位时段t可取可取1、3、6、12、24h等等，依流域大小而定。
等等，依流域大小而定。
时间时间h10mm流量流量m3/stWUHEE时间时间h10mm流量流量m3/st倍比假定：
倍比假定：
如果单位时段内的净雨不是一个单位而是如果单位时段内的净雨不是一个单位而是k个个单位，则形成的流量过程是单位线纵坐标的单位，则形成的流量过程是单位线纵坐标的k倍。
倍。
时间时间h19.7mm流量流量m3/stQmQmQm19.7/10Q19.7/10QkWUHEE叠加假定：
叠加假定：
如果净雨不是一个时段而是如果净雨不是一个时段而是m个时段，则形成的流个时段，则形成的流量过程是各时段净雨形成的部分流量过程错开相加。
量过程是各时段净雨形成的部分流量过程错开相加。
时间时间h流量流量m3/sQ1Q2Q3Q1+Q2+Q20000WUHEE叠加假定叠加假定倍比假定倍比假定WUHEEF（三）单位线时段转换三）单位线时段转换单位线应用时，往往因实际降雨历时和已知单位线单位线应用时，往往因实际降雨历时和已知单位线的时段长不相符合，不能任意移用；的时段长不相符合，不能任意移用；在对不同流域的单位线进行地区综合时，各流域的在对不同流域的单位线进行地区综合时，各流域的单位线也应取相同的时段长才能综合。
单位线也应取相同的时段长才能综合。
例如，降雨记录只有四段制的，即每例如，降雨记录只有四段制的，即每6小时观测一小时观测一次，由此可分析得次，由此可分析得6h单位线，但实际上则需单位线，但实际上则需3h的单位的单位线，就要将线，就要将6小时单位线转换为小时单位线转换为3小时单位线。
最常用小时单位线。
最常用的方法是的方法是S曲线法曲线法。
WUHEES（t）-S（t-t）是是t时段净雨强度为时段净雨强度为10/t0的净雨形成的的净雨形成的地面径流过程线（地面径流过程线（h=5mmh=5mm），根据倍比假定，则有：
），根据倍比假定，则有：
WUHEEWUHEE441.97440.9440.7WUHEE（五）单位线存在的问题及处理方法（五）单位线存在的问题及处理方法1.洪水大小的影响洪水大小的影响大洪水，流速大，汇流较快，单位线尖瘦，峰高且峰现大洪水，流速大，汇流较快，单位线尖瘦，峰高且峰现时间早。
小洪水则相反。
时间早。
小洪水则相反。
2.暴雨中心位置的影响暴雨中心位置的影响单位线假定降雨在流域内分布均匀。
实际上降雨分布是单位线假定降雨在流域内分布均匀。
实际上降雨分布是不均匀的。
暴雨中心在上游的洪水，汇流路径长，受不均匀的。
暴雨中心在上游的洪水，汇流路径长，受流域调蓄作用也大，洪水过程较平缓，单位线也平缓，流域调蓄作用也大，洪水过程较平缓，单位线也平缓，峰低且峰现时间偏后。
若暴雨中心在下游则相反。
峰低且峰现时间偏后。
若暴雨中心在下游则相反。
WUHEEF五、地下径流汇流五、地下径流汇流
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