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第四章流域产汇流计算绪论中我们谈到水文现象存在确定性和随机性规律，相应水文学的研究方法分为成因分析法和数理统计法。本章从成因分析的角度阐述计算降雨形成径流的原理和方法。为后面学习由暴雨推求设计洪水，奠定基础。第二章中我们已经定性地知道降雨到形成流域出口断面的径流过程是一个复杂的过程，可概括为产流和汇流2过程。Pt扣损(1)产流Rt(2)汇流Qt（1）降雨扣除截流、填洼、初渗损失产生净雨。我国常把净雨量叫做产流量。降雨转化为净雨的过程为产流过程。净雨量的计算叫产流计算。（2）净雨沿地面、地下汇入河网，并经河网汇集成流域出口径流过程汇流过程汇流过程坡地汇流河网汇流P(t)E(t)产流计算净雨R(t)汇流计算坡地汇流河网汇流流域出口径流过程Q(t)地面径流表层流径流（壤中流）浅层地下径流深层地下径流流域出口断面的流量过程是由地面径流、表层流径流（壤中流）、浅层和深层地下径流组成。深层地下径流（基流）数量少，且较稳定。不是本次降雨所形成。计算时一般从洪水过程线中分割。地面径流、表层流径流直接汇入河网，二者常合并考虑。由流域降雨推求流域出口的河川径流，大体上分为两个步骤：产流计算：降雨扣除截留、填洼、下渗、蒸发等损失之后，剩下的部分称为净雨，在数量上等于它所形成的径流深。在我国常称净雨量为产流量，降雨转化为净雨的过程为产流过程，关于净雨的计算称之为产流计算。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，关于流域汇流过程的计算称之为汇流计算。一、径流量计算很多情况下，一次洪水流量过程，不仅包括本次降雨形成的地面径流、表层流径流和地下径流。还包括前期洪水没有退完的部分水量和不是本次降雨补给的深层地下径流。应从本次洪水过程中分割。1、径流过程线分析A点时刻流量AG由上一次洪水尚未退完的浅层地下径流AE和深层地下径流EG组成。若A点之前无降雨，则浅层地下径流将从A点沿虚线到F点退完。水量AEF不是本次降雨形成的。C点有后续降雨，洪水又上涨。若在C点无降雨，则洪水将从C点沿虚线退至D点。所以本次降雨形成的径流过程为abcdfga。次洪水径流总量为图中阴影面积。次洪水径流总量：从一次洪水流量过程线中扣除前次洪水尚未退尽的部分水量及深层地下径流之后的洪水总量。2、流量过程的分割流量过程的分割（1）是将非本次降雨形成的径流割去，求出本次洪水的径流总量。（2）洪水中不同的水源成分的水流运动规律是不同的，所以要将本次洪水径流总量划分为不同的水源。包括地面径流、表层流径流（合并为直接径流或地面径流）和地下径流（包括浅层地下径流和深层地下径流）深层地下径流不是本次降雨形成的需分割。所以地下径流一般是指本次降雨形成的浅层地下径流。深层地下径流比较稳定，流量也较小，是河川的基本流量，又叫基流。基流一般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。不同的水源退水规律不一样。地面径流退水快，先退完；表层流径流次之。浅层地下径流后退尽。深层地下径流小且稳定。径流划分主要划分直接径流和地下径流。流量过程线的分割及不同水源的划分常采用退水曲线。退水曲线的作法：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，作光滑的下包线即为流域地下退水曲线。流域退水曲线的方程推导设地下水为水库型，出流Q与蓄量S成正比。Kg：地下蓄水常数（地下水退水参数）根据水量平衡原理：Q(t)=KgS(t)3、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，本次降雨形成的径流量在退水规律比较一致的流域，可在CD段上找与A点流量相等的点，4、水源的划分因为直接径流和地下径流有不同的汇流特性，所以求得次径流量之后，还需划分直接径流和地下径流。方法：斜线分割法起涨点A到直接径流终止点B连一直线。直线AB以上为直接径流。以下和基流以上部分为地下径流。直接径流终止点B的确定a、流域退水曲线法使退水曲线CBD的尾部与流量过程线退水段尾部重合分离点即为B点。b、经验公式法洪峰流量出现时刻至直接径流终止点的时距N（日数）可定出B点。F：流域面积。5 5、地面地下径流深的计算、地面地下径流深的计算 地面、地下径流分割后，分割线上面的部分即地面径流WS，下面的部分即地下径流Wg，其地面径流深RS、地下径流深Rg分别除以流域面积F即可得到。二、蒸发资料的整理与计算 流域蒸散发是产流量计算中的重要环节，是影响流域土壤蓄水量的主要因素。流域蒸散发一方面取决于蒸散发能力，另一方面取决于供水条件，即流域蓄水量的大小。实用中一般假定流域蒸散发量E与流域蓄水量W成正比，即:式中，Et 为第t日的流域蒸散发量（mm）；Wt 为第t日开始时的流域蓄水量（mm）；Wm 为流域蓄水容量（mm）；Ewt 为第t日的水面蒸发器蒸发量（mm），一般取E601型或80cm套盆式水面蒸发器的观测值；Kwt 为折算系数，对一定的蒸发器和一定的流域，将随季节而变化，可参考附近地区的数值或通过优选求得。第二节前期流域蓄水量及前期影响雨量的计算前期流域蓄水量及前期影响雨量的计算一、前期流域蓄水量W的计算 流域蓄水量主要是指，在流域降雨能够影响的土层内土壤含蓄的吸着水、薄膜水和悬着毛管水，不包括重力水，是土壤能够保持而不在重力作用下流走的水分。在土壤蓄水量的计算中，往往取土壤蓄水量的最小值（相当于凋萎系数）为计算零点，称田间持水量与最小蓄水量的差值为土壤蓄水容量。土壤实际蓄水量在零与蓄水容量之间变化。流域上各地点的蓄水容量是不同的，可从零变化到点最大蓄水容量，其流域平均值以Wm表示，称流域蓄水容量。1、流域蓄水容量流域蓄水容量Wm的计算的计算 Wm是流域综合平均指标，一般用实测雨洪资料分析确定。选取久旱无雨后一次降雨量较大且全流域产流的雨洪资料，计算流域平均降雨量P及产流量R。因久旱无雨，可认为降雨开始时流域蓄水量W=0。所以：式中，P为流域平均降雨量（mm）；R为P产生的总径流深（mm）；E为雨期蒸发（mm），如降雨时间短可忽略不计。Wm=P-R-E 一个流域的最大蓄水量是反映该流域蓄水能力的基本特征，我国大部分地区的经验表明表 一般为80120mm，例如：广东95100mm，福建100130mm，湖北70110mm，陕西55100mm，黑龙江140mm等等。流域的实际蓄水量W在0Wm之间变化。2、流域蓄水量流域蓄水量W的计算的计算实际上，一般都没有实测的流域土壤蓄水量资料，必须通过间接计算来推求前期流域蓄水量W。利用流域影响土层的水量平衡方程来推求，其计算式为Wt+1=Wt+Pt-Rp.t-Et 式中，Wt+1、Wt分别为第t+1天、第t天开始时刻的流域蓄水量（mm）；Pt为第t天的流域降雨量；Rpt为Pt产生的总径流深（mm），或由实测径流资料计算，或按后面讲述的降雨径流计算方法计算Et为第t天的流域蒸散发量（mm），二、前期影响雨量降雨前流域内包气带土壤含水量的大小将影响后期降雨形成径流大小的一个重要因素。最理想的情况是对土壤含水量进行观测，得土壤含水量在流域上的分布，但实际实测资料很少，即使有也只能代表个别点的情况，不能代表土壤含水量的流域分布。所以水文上用Pa间接方法表示流域的土壤含水量。方法之一是前期影响雨量。（一）、前期影响雨量的计算公式1、流域内前后两天无雨土壤含水量的日消退系数或折减系数。2、流域内第t日内有降雨，但未产流。3、第t日内有降雨，并产生径流实用中，因为不易求得，所以仍按2式计算。但要求Wm为流域最大蓄水量。流域较大时，值应按雨量站分块计算，全流域值由各块值加权平均。计算中涉及流域最大蓄水量Wm，又称为流域蓄水容量。二、流域最大蓄水量Wm和消退系数k1、流域最大蓄水量Wm地下水位地表Wm流域蓄水容量近似等于流域土壤的田间持水量。Wm近似等于田间持水量凋萎系数包括植物截留、填洼及包气带的蓄水容量。是流域综合平均指标。当流域蓄水量为0，一次降雨可能发生的最大损失量就是将包气带蓄满，所以也可称为最大损失。Wm一般用实测雨洪资料分析确定。选取久旱无雨后的一次降雨量较大且全流域产流的降雨洪水资料。久旱无雨，流域极为干旱（流域蓄水量基本上降到零），式中：P为流域平均降雨量；R：流域产流量；E：雨期蒸发我国Wm取值80120mm.流域的实际蓄水量在0Wm之间变化。2、消退系数k消退系数k综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性。可用水文气象资料分析确定。实验表明：流域蒸散发规律与土壤蒸发规律相似。一定气象条件下，流域日蒸发量与土壤含水量成正比。若第t日无雨。则该日流域前期影响雨量的减少量全部转化为流域蒸散发。又因为K=1EM/Wm流域日蒸散发能力无法进行实测。根据试验可用E601型蒸发器观测的水面蒸发值作为近似值。它随地区、季节、晴雨等条件而变，一般按月取月平均值。的初值取前期较长一段时间无雨，土壤较干燥=0或一场大雨或连续几次大雨后=Wm。例某流域经分析求得Wm=100mm,5月份多年平均的流域日蒸发能力为5.0mm.6月份为6.2mm,计算各日K5=1EM5/Wm=15/100=0.95K6=1EM6/Wm=16.2/100=0.938经过5月18、19日大雨后，20日Pa达到Wm。第三节流域产流分析地下水位地表Wm包气带i一、蓄满产流和超渗产流蓄满产流模式：降雨使包气带土壤达到田间持水量之前不产流，这时称“未蓄满”，此前的降雨全部被土壤吸收，以补充土壤的水量，不产生净雨，蓄满后（达到田间持水量）开始产流。以后的降雨（除去雨区蒸发）全部变为净雨。其中下渗至潜水层的部分成为地下径流，超渗部分成为地面径流。我国湿润地区，年降雨量丰富，植被好，包气带常年潮湿，缺水量小。很容易在一次降雨过程中得到满足，以蓄满产流为主。二、降雨径流相关法降雨径流相关是用每场降雨过程流域的面平均雨量和相应产生的径流量，及影响径流形成的主要因素建立起来的一种定量的经验关系。降雨历时、雨强、暴雨中心位置等影响径流形成的主要因素：或湿润、半湿润地区常用三变量相关图法。1、以次降雨量P为纵坐标，对应的次洪径流深R为横坐标（并注上）2、按点群分布趋势，照顾大多数点子绘出以为参数的等值线图。该相关图存在以下规律：（1）P相同，Pa越大，损失越小，R越大，图上Pa自左向右增大。Pa相同时，P越大，损失相对于P越小，径流系数越大。PR线的坡度随P增大而减缓，但不小于在湿润地区，PR上段为一组平行等距离的直线。045PPaR相关图作好后，即可根据降雨过程及Pa求净雨过程。例；一场2个时段的降雨，第一时段雨量49.00mm;第二时段雨量81.00mm,降雨开始时Pa为60mm.求净雨过程。由P1=49mm,Pa=60mm,查相关图，得R1=20mm由P1+P2=49+81mm,Pa=60mm,得R1+R2=80mm,则R2=80-20=60mm若PR资料较少，相关点较少，可绘图。4、地面、地下径流（净雨）的划分前面求得的径流量是时段总径流量R=RS+RG。因为地面净雨和地下净雨的汇流特性不同，为便于后续汇流计算，需将总径流量R划分为地面净雨RS和地下净雨RG。由蓄满产流模型，当包气带达到田间持水量时产流。此时的下渗率为稳定下渗率当形成地面径流形成地下径流因为只有在产流面积上才发生稳定下渗设时段内降雨量为，蒸散发为，产流面积为时段总产流量即产流面积等于径流系数当时，产生地面径流。下渗的水量在产流面积上形成地下径流。当时，全部下渗。不产生地面径流，在产流面积上形成地下径流只要知道流域的，即可将总径流划分为地面、地下净雨。可根据实测的降雨径流资料推求。设共有m个超渗产流时段上式中，和超渗历时均为未知数。需通过试算推求。确定后，可划分地面、地下净雨。（1）计算各时段若则为超渗雨时段否则为非超渗雨。（2）超渗雨时段（3）非超渗雨时段例4-3某流域一次降雨过程，已求得各时段产流量，并求得地下径流量为38.1mm。求设m=5,则第二时段（P-E）fdt,假设不正确。设m=41、初损后损法是下渗曲线法的一种简化方法。将实际的下渗过程简化为初损、后损2个阶段。三、超渗产流的产流量计算降雨开始到出现超渗产流初损阶段，历时为这一阶段降雨全部损失，用表示初损产流后的降雨期为后损期损失能力比初损阶段有所下降，并趋向稳定。设超渗历时为内的平均下渗能力为按在内下渗，净雨量为按下渗，全损失，净雨量=0根据水量平衡原理，一场降雨形成的净雨深（后期不产流的雨量）当已知一次暴雨的时，由一场暴雨可求出净雨过程。例：已知求净雨过程。（1）初损的确定a、由实测资料分析各场洪水的流域较小时，降雨各处基本一致，出口断面洪水过程线Qt的起涨点大体反映了产流开始的时刻。起涨点a前的累积雨量就是初损对于较大流域，可在其中找小流域水文站，按上述方法确定b、综合分析的变化规律初损主要受以下因素影响：（a)或（雨前大，流域湿润，小，反之大）或（b）降雨初期的平均雨强（大，易超渗，小，反之大）（c）季节变化影响（月份不同，土地利用情况和植被情况都不同，从而引起不同的可根据流域具体情况，选择适当的因素，与建立关系。对一次具体的降雨已知，与的历时有关，需结合降雨情况试算确定。步骤：先假定一个初损历时以实测的Pt过程求出初损算出时段的由关系曲线，查得若与一致则为所求。否则重新试算。（2）平均后损率的确定a由实测资料分析各场洪水的(h)i(mm/h)012341010202QT(h)例；流域上有一次暴雨过程及其在出口断面形成的流量过程线，求通过分割基流，求得=52mm由试算法求对实测暴雨洪水，P，RS，I0为已知，ts，P，与降雨过程有关，影响的主要因素：Pa,ts,超渗期雨量Pts（a）大，流域湿润，下渗已接近稳渗，所以后期下渗能力较小。（b）后期降雨历时越长，入渗水量增加，下渗能力下降，减小。（c）大，对于一定的，则反映i大,地面积水多，从而导致大。
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