第2-1章-流域产流

第第2-12-1章章-流域产流流域产流2.1 概述l产汇流研究内容：产汇流研究内容：从定量上研究降雨形成径流的原理和计算方法，包括流域的产流计算和汇流计算。l产流计算产流计算：由降雨量计算能达到流域出口断面的径流深。即研究流域上一场降雨，扣除植物截留、填洼、蒸发、下渗等损失后，形成净雨量的计算方法；l汇流计算汇流计算：研究净雨沿地面和地下汇入河网，并沿河网汇集形成流域出口断面径流。分为坡地和河网汇流。l流域产流计算的意义：流域产流计算的意义：流域产流计算是由降雨量直接计算流域出口断面的径流量，较河段河段洪水洪水预报（预报（根据河段上断面的水位或流量，推求下断面的水位或流量）来说，预见期长。当河段上、下断面区间面积较大时，为了提高洪水预报精度，考虑区间降雨径流的影响，也常用降雨产流计算方法处理；另外，一些调节库容大的水库，通常只需计算一场降雨形成的洪量或一段时间的降雨产流量，就可以进行防洪与兴利调度了。常用的水文模型，将降雨径流过程分为产流和汇流产流和汇流两种机制。l因此，降雨产流计算，既是生产实际的需要，也是研制水文模型的重要组成部分。2.1 概述流域流域产流量计算产流量计算流域流域水量平衡原理水量平衡原理非闭合流域非闭合流域闭合流域闭合流域2.1 概述l基本原理基本原理l基本原理基本原理闭合流域和非闭合流域2.1 概述研究范围P研究范围Pl基本原理l非闭合流域水量平衡非闭合流域水量平衡R=P-E-WP-WS-WR交交 R引引 R其他其他 2.1 概述In:P(降水降水)Out:E(流域蒸散流域蒸散发量量)WP(植物截留量植物截留量)WS(地面坑洼地面坑洼储水量水量)W（土壤蓄水量（土壤蓄水量变化）化）R(径流量径流量)R引引(跨流域引水量，引入跨流域引水量，引入为正，正，引出引出为负)R交交(流域不流域不闭合径流交合径流交换量量)R其他其他(其他因素引起的水量增减其他因素引起的水量增减)一般植被条件：一般植被条件：10mm发育完好的森林发育完好的森林：次洪降雨量的：次洪降雨量的15%25%WP中等或平缓山坡：中等或平缓山坡：515mm耕地：耕地：1040mm平整的土表面：平整的土表面：1000mm，年径流系数0.4西北干旱地区：年降雨量400mm，年径流系数1000mm0.4=c1c1,E Es s/E EP P=1.0=1.0第二阶段：第二阶段：c2c2 c1c1，E Es s/E EP P=f f()=)=*第三阶段：第三阶段：=c1l蒸发特点：主要发生在土壤表层，表层土壤因蒸发而减少的水量通过毛管作用由下层得到充分补充，因此，E=Epl影响因素：气象因素第二阶段：c2c1l蒸发特点：E继续，减小，上层土壤毛管水开始断裂。随毛管水断裂程度的加重，下层对上层供水速率变慢，因此，E减小l影响因素：气象因素和土壤含水率第三阶段：=EPWU+P=C.WLmC.(Ep-EU)=WLC.WLmWL=EPWU WUEP 2.3 2.3 流域蒸发量计算流域蒸发量计算l6.6.流域蒸发量推求流域蒸发量推求l三层蒸发模式三层蒸发模式增加下层最小蒸发扩算系数C，下层蒸发：由公式及相关实例表明，三层蒸发模式计算蒸发量最大，二层次之，一层最小。二层模式简化了深层结构，忽略了深层土壤的扩散作用，当WL很小且持续无雨时，蒸发量比三层模式计算的小；一层模式既没考虑深层蒸发，也没考虑供水充足时应按蒸发能力蒸发，导致计算结果偏小。EL=小结2.3 流域蒸发量计算l流域蒸发量计算重要性l流域蒸散发概念及分类l流域蒸发模型的概化l流域蒸发能力的确定l水面蒸发E0估计l流域蒸发量推求重点难点：重点难点：见红色部分；难点为流域蒸发量推求。见红色部分；难点为流域蒸发量推求。l作业：l1.土壤蒸发三阶段分析l2.p22，一层、二层、三层模式蒸发量计算。2.4 2.4 实测径流分析实测径流分析流域出口断面的流量过程线往往是由若干次暴雨所形成的洪水径流流域出口断面的流量过程线往往是由若干次暴雨所形成的洪水径流组成，因此，除本次降雨形成的径流外，还可能包括：组成，因此，除本次降雨形成的径流外，还可能包括：(1)(1)前期洪水尚未退尽的水量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；及非本次降雨补给的深层地下径流；(2)(2)若若本次洪水尚未退完本次洪水尚未退完又遇降雨，还会有后期洪水进入；又遇降雨，还会有后期洪水进入；因此，因此，为了研究暴雨与洪水之了研究暴雨与洪水之间的关系，必的关系，必须将流将流量过程线加以分量过程线加以分割。割。2.4 2.4 实测径流分析l另外，本次降雨形成不同的水源：地面径流、壤中流、地另外，本次降雨形成不同的水源：地面径流、壤中流、地下径流。下径流。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)地下径流地下径流地面径流地面径流：运动速度快、流程短、受到调蓄作用小；形成流量过程陡涨陡落，是涨洪和洪峰附近流量过程的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；是洪水退水尾部主体部分，常延续至后续洪水过程中由于由于地表径流和地下径流汇流特性不同，地表径流和地下径流汇流特性不同，还需分析总径流深中不同径还需分析总径流深中不同径流成分及其比例。流成分及其比例。2.4 2.4 实测径流分析l主要任务：主要任务：一是分割次洪水。即一是分割次洪水。即将非本次降雨形成的径流分割出去，求出本次洪水的总径流量。依据是流域平均退水曲线。二是划分水源。二是划分水源。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（地面径流、地下径流）。依据是流域地下水退水曲线。2.4.1 2.4.1 退水曲线分析退水曲线分析 流域退水曲线即流域退水曲线即流域蓄水量的消退过程曲线1.1.组合退水曲线组合退水曲线 绘制具体步骤如下：绘制具体步骤如下：以相同的比例尺，在半对数坐以相同的比例尺，在半对数坐标纸上点绘出各场洪水的退水标纸上点绘出各场洪水的退水流量过程线；流量过程线；再用一张透明半对数坐标纸，再用一张透明半对数坐标纸，左右移动，移动位置尽可能使左右移动，移动位置尽可能使各次退水过程线的尾部相重合，各次退水过程线的尾部相重合，由此得组合退水曲线；由此得组合退水曲线；最后作光滑下包线最后作光滑下包线(低水部重低水部重合的直线合的直线)就构成就构成流域地下水退流域地下水退水曲线；水曲线；各次退水过程求平均，各次退水过程求平均，得到得到流域平均退水曲线流域平均退水曲线。组合退水曲线示意图组合退水曲线示意图l2.2.退水曲线指数方程退水曲线指数方程从0t 积分退水方程 K K的物理意义：的物理意义：当泄流量为当泄流量为Qt时，泄完蓄水量时，泄完蓄水量Wt所需的所需的时间时间，或流域平均汇集时间，或流域平均汇集时间退水时I=0t0Q Q0 0 Qt l把地下水退水方程写成递推形式：l令：lC C:流量消退系数，l反映退水速率快慢。(C1)t0Q Q0 0 Qt l确定Cgl法法1 1：Cg可直接由计算时段（t=1）始末两个实测退水流量来确定。即根据退水曲线上每隔t的流量值Q t+1、Q t，可算出l由于实测流量资料存在观测误差和缺乏代表性，若只用一组数据，会引起较大误差。因此资料要有一定的样本容量和充分的代表性，即要包含各种特性的洪水（不同降水时空分布、退水发生在汛初、汛中、汛末等），最后，可用最小二乘法估计Cg。l法法2 2：根据退水方程根据退水方程l有有l l lnlnQ Qt tt t 成线性关系成线性关系，由若干个Qt 点绘 ln lnQ Qt tt t 图，直图，直线的斜率为线的斜率为-1/-1/K Kg g，从而定出，从而定出K Kg g。l3.3.相邻时段流量关系图法相邻时段流量关系图法直线段坡度地下水消退系数Cl2.4.2 2.4.2 次洪径流深计算次洪径流深计算 l方法方法1 1：平割法：平割法l当洪水的起涨流量小于后继洪当洪水的起涨流量小于后继洪水的起涨流量时，水的起涨流量时，用流域平均用流域平均退水曲线将退水过程退水曲线将退水过程BCBC延长到延长到与起涨流量相等，如图中与起涨流量相等，如图中D D点。点。l用梯形法求面积，则径流深：用梯形法求面积，则径流深：ABCDEFABCDEFA面积面积=本次洪水的径流量本次洪水的径流量QQnQ1Q2l2.4.2 2.4.2 次洪径流深计算次洪径流深计算 方法方法2 2：蓄泄关系法：蓄泄关系法流域出口断面流量过程线，除流域出口断面流量过程线，除本次降雨形成的径流外，还可本次降雨形成的径流外，还可能包括：能包括：(1)(1)前次洪水尚未退尽前次洪水尚未退尽的水量。的水量。(2)(2)本次洪水尚未退完本次洪水尚未退完的水量。因为本次洪水尚未退的水量。因为本次洪水尚未退完时又遇降雨，会有后期洪水完时又遇降雨，会有后期洪水进入。进入。l2.4.2 2.4.2 次洪径流深计算次洪径流深计算 方法方法2 2：蓄泄关系法：蓄泄关系法lRe前、Re后的计算l建立退水流量与退水径流深之间的关系，绘制Q0 Re。l2.4.2 2.4.2 次洪径流深计算次洪径流深计算 l次洪分割中需注意的问题：次洪分割中需注意的问题：l平割法和蓄泄关系法，分割洪水都用的是流域平均退水曲线（即认为所有的洪水的退水规律相同），但是前次洪水的退水规律与本次洪水退水规律不同时，会导致较大误差。因此，编制降雨产流量预报方案时，尽量选择前后起涨点都低，流量相差不大的洪水。l2.4.3 2.4.3 水源划分水源划分l除了研究降雨量与径流深之间的关系（除了研究降雨量与径流深之间的关系（PRPR）,由于由于地表径地表径流和地下径流汇流特性不同，流和地下径流汇流特性不同，还需分析总径流深中不同径还需分析总径流深中不同径流成分及其比例。最常用的是分割流成分及其比例。最常用的是分割直接径流和地下径流直接径流和地下径流。NA B N实际工作中的经验方法地下径流地下径流直接径流直接径流起涨点直接径流终止点WSWg斜斜线线分分割割法法将将起起涨涨点点A A与与直直接接径径流流终终止止点点B B直直线线相相连连，ABAB线线以以上上为为直直接接径径流流W WS S，以以下下为为地地下下径径流流W Wg g。分分别别除除以以流流域域面面积积F F即即可可得得到到其其地地面面径径流流深深R RS S、地地下下径径流流深深R Rg g。地下径流分割示意图地下径流分割示意图l初始土壤含水量：初始土壤含水量：是表示降雨开始时，包气带土壤湿润程度的物理量。是影响降雨径流形成过程的一个主要因素。土壤含水量与前期降雨有密切关系，在资料不充分的情况下，可以用参数前期影响雨量（Pa）来反映。2.5 2.5 降雨径流经验相关法降雨径流经验相关法l前期雨量指数模型前期雨量指数模型(API)(API)l降雨径流相关图的建立l降雨径流相关图的应用1.1.降雨径流相关图的建立降雨径流相关图的建立l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)l可以根据流域的具体情况加以选用。l方法简单，有一定精度，实际工作中应用广泛五变数：R=f(P,W0,T,季节)四变数：R=f(P,W0,T)三变数：R=f(P,W0)l前期降雨指数（前期降雨指数（前期影响雨量）计算前期影响雨量）计算l由上可知，P Pa a对降雨径流关系影响最大，一般用经验公式计算l为便于计算，采用递推形式：为便于计算，采用递推形式：l对无雨日无雨日 ：l上式限制条件：上式限制条件：当当P Pa,ta,t+1+1W Wm m 时，时，P Pa,ta,t+1+1=W Wm ml长时间无雨时，可取起始长时间无雨时，可取起始Pa Pa 值较小些，或令值较小些，或令P Pa a0 0。l一次大雨后，土壤比较饱和，可取起始一次大雨后，土壤比较饱和，可取起始P Pa aW Wm m。Pa，t为为t日上午日上午8时的前时的前期降雨指数期降雨指数;n为为影响本次径流的前期影响本次径流的前期降雨天数，常取降雨天数，常取15天左天左右；右；k为常系数，一般取为常系数，一般取0.85.l降雨径流关系图降雨径流关系图绘制绘制l 根据流域内多次暴雨的雨量根据流域内多次暴雨的雨量P(扣除蒸扣除蒸发量）量），对应的径流的径流量量R，初始土壤含水量，初始土壤含水量Pa，可点，可点绘以以Pa为参数的参数的PPaR相关相关图。Pa P(mm)R(mm)45。特征：特征：1)曲线簇在450直线上方(why?)；Pa越大，越靠近450直线。2)转折点以上为450直线，以下为下凹的曲线(why?)。3)Pa直线段之间水平间距相等。P PP PaR R相关图相关图l降雨径流相关图的应用降雨径流相关图的应用l已知某次降雨已知某次降雨各各时段雨量分别为时段雨量分别为P P1,1,P P2,2,P P3 3，,前期降雨指前期降雨指数数P Pa,a,如何推求如何推求R R?W0PR0P1R1P1+P2R1+R2P1+P2+P3R1+R2+R3 Pe(mm)R(mm)R1 R2 R3 R4P4 P3 P2 P1 l降雨径流相关图的应用降雨径流相关图的应用l例：某次降雨例：某次降雨各各时段雨量分别为时段雨量分别为P P1,1,P P2,2,P P3 3，P P4 4。前前P Pa a=58mm=58mm，Pa=0 20 40 60 80 58 P(mm)R(mm)1818 3838 6363 8888130 130 105105 80 80 50 50内插内插W W0 0=58mm=58mm相关线相关线P P5050303025252525RR1818383863638888PP50508080105105130130R R1818202025252525解：由解：由已知已知内插内插P Pa a=58mm=58mm相关线相关线