流域产流与汇流计算.docx

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流域产流与汇流计算

第四章流域产流与汇流计算

第一节概述

根据第二章的论述，由降雨形成流域出口断面径流的过程是非常复杂的，为了进行定量阐述，将这一过程概化为产流和汇流两个阶段进行讨论。

实际上，在流域降雨径流形成过程中，产流和汇流过程几乎是同时发生的，在这里提到的所谓产流阶段和汇流阶段，并不是时间顺序含义上的前后两个阶段，仅仅是对流域径流形成过程的概化，以便根据产流和汇流的特性，采用不同的原理和方法分别进行计算。

产流阶段是指降雨经植物截留、填洼、下渗的损失过程。

降雨扣除这些损失后，剩余的部分称为净雨，净雨在数量上等于它所形成的径流量，净雨量的计算称为产流计算。

由流域降雨量推求径流量，必须具备流域产流方案。

产流方案是对流域降雨径流之间关系的定量描述，可以是数学方程也可以是图表形式。

产流方案的制定需充分利用实测的流域降雨、蒸发和径流资料，根据流域的产流模式，分析建立流域降雨径流之间的定量关系。

汇流阶段是指净雨沿地面和地下汇入河网，并经河网汇集形成流域出口断面流量的过程。

由净雨推求流域出口断面流量过程称为汇流计算。

流域汇流过程又可以分为两个阶段，由净雨经地面或地下汇入河网的过程称为坡面汇流；进入河网的水流自上游向下游运动，经流域出口断面流出的过程称为河网汇流。

由净雨推求流域出口流量过程，必须具备流域汇流方案。

流域汇流方案是根据流域净雨计算流域出口断面流量过程，应根据流域雨量、流量及下垫面特征等资料条件及计算要求制定。

就径流的来源而论，流域出口断面的流量过程是由地面径流、壤中流、浅层地下径流和深层地下径流组成的，这四类径流的汇流特性是有差别的。

在常规的汇流计算中，为了计算简便，常将径流概化为直接径流和地下径流两种水源。

地面径流和壤中流在坡面汇流过程中经常相互交换，且相对于河网汇流，坡面汇流速度较快，几乎是直接进入河网，故可以合并考虑，称为直接径流，但在很多情况仍称为地面径流。

浅层地下径流和深层地下径流合称为地下径流，其特点是坡面汇流速度较慢，常持续数十天乃至数年之久。

目前，在一些描述降雨径流的流域水文模型中，为了更确切地反映流域径流形成的过程，采用了三水源或四水源进行模拟计算。

第二节流域降雨径流要素的计算

一、流域降雨量

（一）流域平均雨量计算

实测雨量只代表雨量站所在地的点雨量，分析流域降雨径流关系需要考虑全流域平均雨量。

一个流域一般会有若干个雨量站，由各站的点雨量可以推求流域平均降雨量，常用的方法有算术平均法、垂直平分法和等雨量线法三种。

算术平均法：

当流域内雨量站分布较均匀且地形起伏变化不大时，可根据各站同时段观测的降雨量用算术平均法推求流域平均降雨量

（4-1）

式中

——流域某时段平均降雨量，mm；

Pi——流域内第i个雨量站同时段降雨量，mm；

n——流域内雨量站点数。

垂直平分法：

也称为泰森多边形法，适用于地形起伏变化不大的流域。

这一方法假定流域内各处的雨量可由与之距离最近站点的雨量代表，如图4-1所示。

具体做法是先用直线连接相邻雨量站，构成n-2个三角形（最好是锐角三角形），再作每个三角形各边的垂直平分线，将流域划分成n个多边形，每一多边形内均含有一个雨量站，按多边形面积为权重推求流域平均降雨量

（4-2）

式中fi——第i个雨量站所在多边形的面积，km2；

F——流域面积，km2。

等雨量线法：

当流域内雨量站分布较密时，可根据各站同时段雨量绘制等雨量线（见图4-2），然后推算流域平均降雨量

（4-3）

式中fj——相邻两条等雨量线间的面积，km2；

Pj——相应面积fi上的平均雨深，一般采用相邻两条等雨量线的平均值，mm；

m——分块面积数。

图4-1垂直平分法图4-2等雨量线法

（二）雨量过程线

降雨强度过程线：

降雨强度随时间的变化过程线称为降雨强度过程线，通常以时段平均雨强为纵坐标，降雨时程为横坐标的柱状图表示，如图4-3。

如果以时段雨量为纵坐标，则称为雨量过程线，也称为雨量直方图。

累积雨量过程线：

自降雨开始起至各时刻降雨量的累积值随时间的变化过程线，称为累积雨量过程线，如图4-4。

图4-3雨量过程线图4-4累积雨量过程线

由降雨强度过程线转换成累积雨量的公式为：

；（4-4）

式中Pj——至第j时段末的累计雨量，mm;

ik——第k时段的降雨强度，mm/h;

△t——时段长度，h

反之，根据累积雨量推求时段降雨强度的公式为：

（4-5）

二、径流量

流域出口流量过程线除本次降雨形成的径流以外，往往还包括前期降雨径流中尚未退完的水量，在计算本次径流时，应把这部分水量从流量过程线中分割出去。

此外，由于不同水源成分的水流运动规律是不相同的，需对流量过程线中的不同水源进行划分，以便进行汇流计算。

（一）流量过程线的分割

流域蓄水量的消退过程线称为退水曲线，不同次降雨形成的流量过程线的分割常采用退水曲线。

取多次实测洪水过程的退水部分，绘在透明纸上，然后沿时间轴平移，使它们的尾部重合，形成一簇退水线，作光滑的下包线，就是流域地下水退水曲线，如图4-5。

有了退水曲线，就可以将各次降雨所形成流量过程线分割，如图4-6，得出对应于本次降雨所形成的流量过程线。

图4-5流域退水曲线

t（h）

（m3/s）

图4-6流量过程线分割

流域地下径流退水过程比较稳定且时间较长，地下水退水曲线可以用下式来描述：

（4-6）

式中Q（t）——t时刻地下水流量；

Q（0）——初始地下水流量;

kg——地下水退水参数，可利用地下水退水曲线来率定。

（二）径流量计算

实测流量过程线割去非本次降雨形成的径流后，可以得出本次降雨形成的流量过程线。

据此，推求出相应的径流深：

（4-7）

式中R——径流深，mm；

Δt——时段长度，h；

Qi——第i时段末的流量值，m3/s；

F——流域面积，km2。

（三）水源的划分

地面径流和地下径流汇流特性不同，求得次径流总量之后，还需划分地面径流和地下径流。

简便的划分方法是斜线分割法，从流量起涨点到地面径流终止点之间连一直线，直线以上部分为地面径流，直线以下部分为地下径流，如图4-7所示。

地面径流终止点可以用流域退水曲线来确定，使退水曲线的尾部与流量过程线退水段尾部重合，分离点即为地面径流终止点。

为了避免人为分析误差，地面径流终止点也可用经验公式确定。

例如，某区域的经验公式为：

N=0.84F0.2（4-8）

式中N——洪峰出现时刻至地面径流终止点的日数；

F——流域面积，km2。

三、土壤含水量

（一）流域土壤含水量的计算

降雨开始时，流域内包气带土壤含水量的大小是影响降雨形成径流过程的一个重要因素，在同等降雨条件下，土壤含水量大则产生的径流量大，反之则小。

流域土壤含水量一般是根据流域前期降雨、蒸发及径流过程，依据水量平衡原理采用递推公式推求：

Wt+1=Wt+Pt-Et-Rt（4-9）

式中Wt——第t时段初始时刻土壤含水量，mm;

Pt——第t时段降雨量，mm;

Et——第t时段蒸发量，mm;

Rt——第t时段产流量，mm。

　　流域土壤含水量的上限称为流域蓄水容量Wm，由于雨量、蒸发量及流量的观测与计算误差，采用公式4-9的计算出的流域土壤含水量有可能大于Wm或小于0的情况，这是不合理的，因此还需附加一个限制条件：

０≤W≤Wm。

　　采用公式4-9需确定合适的起始时刻及相应土壤含水量。

可以选择前期流域出现大暴雨的次日作为起始日，相应的土壤含水量为Wm；或选择流域长时间干旱期作为起始日，相应的土壤含水量取为０或较小值；也可以提前较长时间（如15～30天）作为起始日，假定一个土壤含水量（如取Wm值的一半）作为初值，经过较长时间计算后，误差会减小到允许的程度。

（二）流域蒸发量

流域蒸发量的大小主要决定于气象要素及土壤湿度，这可以用流域蒸发能力和土壤含水量来表征。

流域蒸发能力是在当日气象条件下流域蒸发量的上限，一般无法通过观测途径直接获得，可以根据当日水面蒸发观测值通过折算间接获得：

Em=βE0（4-10）

式中Em——流域蒸发能力；

E0——水面蒸发观测值；

β——折算系数。

我国水利部门常用的流域蒸发量计算模式有三种。

1.一层蒸发模式：

假定流域蒸发量与流域土壤含水量成正比

（4-11）

即

（4-12）

一层蒸发模式比较简单，但没有考虑土壤水分的垂直分布情况。

当包气带土壤含水量较小，而表层土壤含水量较大时，按一层蒸发模式得出计算值偏小，例如，久旱后降了一场小雨，其雨量仅补充了表层土壤含水量，就是这种情况。

2.二层蒸发模式：

将流域蓄水容量Wm分为上层WUm和下层WLm，相应的土壤含水量分别WU和WL。

假定降雨量先补充上层土壤含水量，当上层土壤含水量达WUm后再补充下层土壤含水量；蒸发则先消耗上层土壤含水量，蒸发完了再消耗下层的土壤含水量，且上层蒸发EU按流域蒸发能力蒸发，下层蒸发EL与下层土壤含水量成正比，即：

（4-13）

　（4-14）

　　流域蒸发量为上下二层蒸发量之和：

E=EU＋EL　　　（4-15）

二层蒸发模式仍存在一个问题，即久旱以后由于下层土壤含水量很小，计算出的蒸发量很小，流域土壤含水量难以达到凋萎含水量，不太符合实际情况。

3.三层蒸发模式：

在二层蒸发模式的基础上，确定了一个下层最小蒸发系数C，上层蒸发仍按公式4-13计算，下层蒸发按下式计算：

当WL≥C（Em-EU）时

（4-16）

当WL

EL=WL（4-17）

（三）前期影响雨量

在很多情况下，采用式4-9推求土壤含水量时，会遭遇径流资料缺乏的问题。

在生产实际中常采用前期影响雨量Pa来替代土壤含水量，计算公式为

Pa，t+1=K（Pa，t+Pt）（4-18）

式4-18的限制条件为Pa≤Wm，即计算出的Pa>Wm时取Pa=Wm。

在式4-18中，K是与流域蒸发量有关的土壤含水量日消退系数。

如果采用采用一层蒸发模式，对于无雨日：

（4-19）

对照无雨日时的公式4-18，即Pa，t+1=KPa，t，可知：

（4-20）

如果在某一时间段，Em取一平均值，则在该时间段的K为常数。

第三节蓄满产流计算

一、蓄满产流模式

在湿润地区，由于雨量充沛，地下水位较高，包气带较薄，包气带下部含水量经常保持在田间持水量。

在汛期，包气带的缺水量很容易为一次降雨所充满。

因此，当流域发生大雨后，土壤含水量可以达到流域蓄水容量，降雨损失等于流域蓄水容量减去初始土壤含水量，降雨量扣除损失量即为径流量。

这种产流方式称为蓄满产流，方程式表达如下：

R=P-（Wm-W0）（4-21）

但是，式4-21只适用于包气带各点蓄水容量相同的流域，或用于雨后全流域蓄满的情况。

在实际情况下，流域内各处包气带厚度和性质不同，蓄水容量是有差别的。

因此，在一次降雨过程中，当全流域未蓄满之前，流域部分面积包气带的缺水量已经得到满足并开始产生径流，这称之为部分产流。

随降雨继续，蓄满产流面积逐渐增加，最后达到全流域蓄满产流，称之为全面产流。

在湿润地区，一次洪水的径流深主要是与本次降雨量、降雨开始时的土壤含水量密切相关。

因此，可以根据流域历次降雨量、径流深、雨前土壤含水量，按蓄满产流模式进行分析，建立流域降雨与径流之间的定量关系。

二、降雨径流相关图

（一）降雨径流相关图的编制

根据流域多次实测降雨量P（雨期蒸发量可直接从雨量中扣除）、径流深R、雨前土壤含水量W0，以W0为中间变量建立P~W0~R关系图，即流域降雨径流相关图，见图4-8所示。

当流域降雨量较大时，雨后土壤含水量可以达到流域蓄水容量，故P~W0~R关系的右上部应是一组等距离的45°直线，直线方程满足公式4-21。

当流域雨前土壤含水量和降雨量较小时，流域部分面积蓄满产流，不满足全流域蓄满产流方程，在P~W0~R关系线的下部表现为一组向下凹的曲线交汇于坐标轴的0点，见图4-8。

如果点绘在降雨径流相关图上P、R、W0点据规律不明显，无法绘制出符合上述要求的P~W0~R关系线，在P、R资料可靠的前提下，则有可能是W0的计算结果不合理，需要分析影响W0计算值的参数。

一般说来，Wm是一个敏感性不强的参数，而流域蒸散发量对W0影响比较显著。

因此，关键是对式4-10中的蒸发折算系数β的合理分析和取用，或调整流域蒸发计算模式。

当实测P、R、W0点据较少时，也可以点绘P+W0~R相关图，见图4-9所示。

此时，P+W0~R关系线的上部是满足式4-21的45°直线，P+W0~R关系线的下部为向下凹的曲线交汇于坐标轴的0点。

在流域全面产流时，按P~W0~R关系图或P+W0~R相关图的查算结果相同；但在流域部分产流时，按P~W0~R关系图的查算结果的精度要高于P+W0~R相关图。

图4-8P~W0~R相关图图4-9P+W0~R相关图

当流域径流资料不充分或分析困难时，可以采用前期影响雨量Pa代替W0编制流域降雨径流相关图。

（二）降雨径流相关图的应用

降雨径流相关图、土壤含水量计算模式及相应参数构成了流域产流方案，据此可以进行流域产流计算。

依据产流方案，先由流域前期实测雨量、蒸发、径流资料推求本次雨前土壤含水量W0，然后由本次降雨的时段雨量过程，查降雨径流相关图上相应于W0的关系曲线，便可推求得本次降雨所形成的径流总量及逐时段径流深。

【例4-1】已知某流域一次降雨的逐时段雨量，见表4-1的第1、2栏，且计算得雨前土壤含水量W0=58mm，请根据P~W0~R相关图（图4-10）查算降雨该次所形成的逐时段径流深。

表4-1由P~W0~R相关图查算时段径流深

（Δt=3h）

（mm）

ΣP

（mm）

ΣR

（mm）

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

105

130

1.将表4-1第2栏时段降雨量转换为各时段末累积雨量ΣP，列第3栏；

2.在P~W0~R内插出W0=58mm的P~R线，见图4-10；

3.由各时段末ΣP值查图4-10中W0=58mm的P~R线，得各时段末累积径流深ΣR，见表4-1第4栏；

4.将ΣR错开时段相减得出各时段降雨所产生的径流深，见表4-1第5栏。

三、蓄满产流模型

流域部分产流的现象主要是因为流域各处蓄水容量不同所致。

如果将流域内各点蓄水容量W’m从小到大排列，最大值为W’mm，计算大于某一W’m的面积占流域面积的比重α，则可绘出Wm’～α关系曲线，称之为流域蓄水容量曲线，如图4-11所示。

由于流域蓄水容量在流域内的实际分布是很复杂的，要想用直接测定的办法来建立蓄水容量曲线是困难的。

通常的做法是通过实测的降雨径流资料来选配线型，间接确定蓄水容量曲线。

多数地区经验表明，流域蓄水容量曲线是一条单增曲线，可用B次抛物线来表示：

（4-22）

式中B——反映流域内蓄水容量空间分布不均匀性的参数，取值一般为0.2~0.4。

W’mm——流域内最大的点蓄水容量，取值一般为80~150mm。

蓄水容量曲线以下包围的面积（见图4-11）就是流域蓄水容量

（4-23）

降雨初始的土壤含水量W0采用递推公式4-9推求，流域蒸发可以根据不同要求选采用一层、二层或三层蒸发公式计算。

对应于W0，流域土壤含水量已经达到蓄水容量的面积为αA，相应于αA的最大点蓄水容量为A，见图4-12（a），W0与A的关系为：

将式4-23代入上式，整理后得：

（a）（b）

图4-12流域蓄水容量曲线及部分产流

如果流域降雨量为P，当A+P

如果A+P≥W’mm时，流域为全面产流状态，由式4-21计算产流量。

综上所述，已知流域降雨量P和初始土壤含水量W0时，蓄满产流模型的产流计算公式归纳为：

（4-24）

（4-25）

W’mm=（1+B）Wm（4-26）

产流计算公式、土壤含水量递推公式以及流域蒸发公式，构成蓄满产流模型的主体。

蓄满产流模型不仅可以计算次降雨径流深，还能够进行连续演算，模拟多年径流过程。

因此，可以依据流域多年雨量、蒸发量及流量资料，分析率定模型的参数β、Wm和B。

四、水源划分

按照蓄满产流概念，土壤含水量达到蓄水容量的面积称为产流面积，只有这部分面积上的降雨才能产生径流，其中的一部分按稳定下渗率下渗，形成地下径流，超过稳定下渗率的部分为地面径流。

由图4-12（b）可知，根据流域时段降雨量P及所产生的净雨量h，可以得出产流面积比

α=h/P（4-27）

根据稳定下渗率fc和产流面积比α，就可以将各时段净雨h划分为地面净雨Rs和地下净雨Rg两部分：

（4-28）

hs=h-hg（4-29）

流域稳定下渗率分析可以根据雨后流域蓄满的降雨径流资料分析推求。

首先按本章第二节介绍的方法得出P、R及Rg，雨前土壤含水量W0=P-R，然后进行产流计算得出径流过程，根据式4-27和式4-28采用试算法就可以求得稳定下渗率fc。

【例4-2】已知某流域一次降雨过程及地下径流总量Rg=48.1mm，并已经推求出时段净雨量，见表4-2第1~3栏，试推求稳定下渗率fc。

表4-2稳定下渗率fc的推求

（mm）

fc=2.0mm/h

fc=1.6mm/h

αfcΔt

（mm）

αfcΔt

（mm）

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

（８）

2-8

17.6

8.6

0.44

5.3

4.2

8-14

11.4

9.3

0.82

9.8

9.3

7.9

14-20

45.5

1.00

12.0

9.6

20-2

23.0

1.00

12.0

9.6

2-8

13.5

1.00

12.0

9.6

8-14

6.5

1.00

12.0

6.5

9.6

6.5

117.5

106.4

57.1

47.4

计算步骤：

1.按式4-27计算产流面积α=h/P，见表4-2第4栏；

2.假定fc=2.0mm，计算αfcΔt，见表4-2第5栏；

3.依据第5栏数值，按式4-28计算各时段hg，见第6栏，求和得地下径流总量为57.1mm，计算值显著大于实际值；

4.经分析后重新假定fc=1.6mm，计算αfcΔt，见表4-2第7栏；

5.依据第7栏数值，按式4-28计算各时段hg，求和得地下径流总量为47.4mm，见表4-2第8栏，计算值与实际值相近。

最终，计算出本次洪水的fc=1.6mm/h。

第四节超渗产流计算

一、超渗产流模式

在干旱和半干旱地区，降雨量小，地下水埋藏很深，包气带可达几十米甚至上百米，降雨过程中下渗的水量不易使整个包气带达到田间持水量，一般不产生地下径流，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。

在超渗产流地区，影响产流过程的关键是土壤下渗率的变化规律，这可用下渗能力曲线来表达。

如第二章所述，下渗能力曲线是从土壤完全干燥开始，在充分供水条件下的土壤下渗能力过程，见图4-13所示。

土壤下渗过程大体可分为初渗、不稳定下渗和稳定下渗三个阶段。

在初渗阶段，下渗水分主要在土壤分子力的作用下被土壤吸收，加之包气带表层土壤比较疏松，下渗率很大；随着下渗水量增加，进入不稳定下渗阶段，下渗水分主要受毛管力和重力的作用，下渗率随着土壤含水量的增加而减少；随着下渗水量的锋面向土壤下层延伸，土壤密度变大，下渗率随之递减并趋于稳定，也称为稳定下渗率。

与蓄满产流相比，超渗产流的影响因素更为复杂，对计算资料的要求较高，产流计算成果的精度也相对较差。

因此，必须对干旱地区下渗特性及主要影响要素进行深入分析，充分利用各种资料条件，制定合理的超渗产流计算方案。

图4-13下渗能力曲线图4-14下渗曲线法

二、下渗曲线法

按照超渗产流模式，判别降雨是否产流的标准是雨强i是否超过下渗强度f。

因此，用实测的雨强过程i～t扣除实际下渗过程f～t，就可得产流量过程R～t，如图4-14中阴影部分。

这种产流计算方法称为下渗曲线法。

在实际降雨径流过程中，流域初始土壤含水量一般不等于0，降雨强度并非持续大于下渗强度，不能直接采用流域下渗能力曲线推求各时段的实际下渗率。

如果将下渗能力曲线转换为下渗能力与土壤含水量的关系曲线，就可以通过土壤含水量推求各时段下渗强度了。

在第二章已经提到，流域下渗能力曲线常用霍顿下渗公式来表达，即：

（4-30）

根据霍顿下渗公式可以推求累积下渗量曲线

（4-31）

F（t）为累积下渗量，这部分水量完全被包气带土壤吸收，也就是t时刻流域的土壤含水量，因此有

图4-15f~W关系曲线

（4-32）

连立求解式4-30和式4-32，消除时间变量t，可以得出下渗强度与土壤含水量的关系曲线f~W，见图4-15。

f~W反映了土壤含水量变化对下渗强度的影响。

根据雨前土壤含水量W0，就可以由降雨过程采用f~W关系曲线逐时段进行产流计算，步骤如下：

1.从降雨第一时段起，由时段初始土壤含水量Wk查f~W曲线，得到相应的下渗率fk，如果时段不长，可以近似代表时段平均下渗率。

2.根据fk及时段雨强ik，按超渗产流模式计算净雨量hk，计算公式为：

（4-33）

3.根据水量平衡公式，计算下时段初始土壤含水量：

Wk+1=Wk+Pk-hk（4-34）

4.重复步骤1~3就可以由降雨过程计算出逐时段的产流量。

采用下渗曲线法进行产流计算时，应该注意到降雨强度时空分布的不均匀性对产流的影响，且流域不同地点的下渗特点也是存在差别的。

因此，为了提高计算精度，降雨时段长度不宜大，常以分钟计，流域应按雨量站分布状况划分为较小的单元区域进行产流计算。

三、初损后损法

采用下渗曲线法进行产流计算，必须知道计算区域的下渗能力曲线，这需要很多径流资料或实地试验才能获得，在实际工作中往往难以实现。

初损后损法是下渗曲线法的一种简化方法，它把实际的下渗过程简化为初损和后损两个阶段。

产流以前的总损失水量称为初损，以流域平均水深表示；后损主要是流域产流以后的下渗损失，以平均下渗率表示。

一次降雨所形成的径流深可用下式表示：

R=P–I0–

tR–P0（4-35）

式中P——次降雨量，mm；

I0——初损，mm；

——平均后渗率，mm/h；

tR——产流历时，h；

P0——降雨后期不产流的雨量，mm。

（一）初损分析

对于小流域，由于汇流时间短，出口断面的起涨点大体可以作为产流开始时刻，起涨点以前雨量的累积值可作为初损的近似值，如图4-16。

对较大的流域，流域各处至出口断面汇流时间差别较大，可根据雨量站位置分析汇流时间并定出产流开始时刻，取各雨量站产流开始之前累积雨量的平均值，作为该次降雨的初损。

各次降雨的初损是不同的，初损与初期降雨强度、初始土壤含水量具有密切关系

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