1、第四章流域产汇流计算 研究内容从定量上研究降雨形成径流的原理和计算方法 研究目的为学习由暴雨资料推求设计洪水 进行降雨径流预报 建立流域水文模型等奠定基础 要求1 能够推求任一场降雨产生的洪水过程 2 掌握资料分析方法 会建立产汇流方案 第一节概述内容提要 流域产汇流计算基本内容 降雨径流相关图法 流域蓄水容量曲线法和初损后损法 单位线汇流 单位线转换 分析推求单位线 产流计算 降雨转化为净雨的过程为产流过程 关于净雨的计算称为产流计算 汇流计算 流域汇流过程的计算称为汇流计算 流域产汇流计算的内容和用途 从实测降雨径流资料出发 分析产流或汇流的规律 用于设计条件时 由设计暴雨推求设计洪水 用
2、于洪水预报时 由实际暴雨预报洪水 实例1 已知某流域的设计频率为0 1 的面暴雨过程 历史资料分析出Wm 110mm 设计标准时的前期影响雨量Pa 90mm 流域的暴雨径流关系 推求流域汇流过程单位线所需的实测降雨径流资料 要设计人员进行 推求设计净雨过程 推求设计洪水过程 第二节基本资料的整理与分析 内容提要 对实测暴雨 径流和蒸发等资料进行分析计算 以便从定量上研究它们之间的因果关系和规律 学习要求 掌握一次实测降雨洪水的流域平均降雨量 总径流量 地面径流量和地下径流量以及雨前土壤含水量的计算方法 反映降雨空间分布情况 反映降雨随时间的变化情况 4 2 1降雨资料的整理 几个概念 降雨特性
3、 点降雨量 面降雨量 点降雨特性分析 面降雨特性分析 降雨量 降雨强度 降雨历时 降雨面积 降雨中心 雨量站观测的雨量 一定区域 流域 上的平均雨量 相关内容 一 单站降雨特性分析 点雨量 降雨量过程线降雨量累积曲线降雨强度历时曲线 降雨量随时间的变化过程 累积雨量随时间的变化过程 时段最大平均雨强随历时的变化过程 降雨量过程线表示降雨随时间的变化过程 一般为直方图 柱状图 形式 柱状图 等时段 降雨量累积曲线纵坐标为自降雨开始到某时刻的降雨量累积值 关系 最大平均雨强与历时的关系即为降雨强度 历时曲线 时间连续 二 流域降雨特性分析流域平均降雨量 面雨量 算术平均法垂直平分法等雨量线法时 面
4、 深关系曲线点 面关系曲线 算术平均法 流域内各站同一时段的雨量进行算术平均 计算公式 符号含义 适用条件 流域内雨量站总数 地形变化不大 雨量站分布较均匀情况 垂直平分法 泰森多边形法 假定流域上各点的雨量以其最近的雨量站的雨量为代表 可采用一定的方法推求距各雨量站最近的点的面积 流域内部分 作图 1 连结相邻的雨量站 尽可能构成锐角三角形 2 作三角形三边的垂直平分线 3 由垂直平分线所围成的多边形 仅考虑流域内的面积 即为所求 提示 手工作图 垂直平分法计算公式 符号含义 适用条件 第n块多边形流域内面积 地形变化不大 雨量站分布不均匀情况 第i雨量站雨深 权重 等雨量线法依据 等雨量线
5、图作图根据流域及附近的雨量站观测的同一时段的雨量值 参考地形影响 类似绘制地形等高线那样 画出雨量等值线图 等雨深线数值 等雨量线法计算公式 符号含义 适用条件 雨量站分布较密 地形变化较大 相邻两条等雨深线间的流域面积 面平均雨深 时 面 深关系降雨历时 面积 平均雨深之间的关系 降雨过程的某种历时 某一闭合等雨深线包围的流域面积 某一闭合等雨深线包围的流域面积上的平均雨深 流域某场降雨闭合等雨量线图 40 20 60 80 暴雨中心 115mm 作图方法 针对一场降雨某种历时的等雨量线图 从最大雨深处 暴雨中心 向外量取不同等雨量线包围的面积 并求出各面积上的平均降雨量 则各包围面积与相应
6、面平均雨量之间的关系称为相应历时的雨深 面积关系 对同一场降雨 可选取各种历时 如1 3 6 12 24 72h 的等雨量线图 分别作雨深 面积关系曲线 并绘于同一张图上 即为时 面 深曲线 时 面 深关系曲线 问题 标出图中历时 1h 3h 6h 12h的等值线 点 面关系曲线同一场降雨 流域上各处降雨量分布是不均匀的 记某种历时暴雨中心雨量为 各条等雨量线包围面积内的面平均雨量为 与对应等雨量线所包围的面积之间的关系为相应历时点 面关系 不同场降雨的点 面关系不一样 一般取其平均情况作为流域该历时的点 面关系 4 2 2径流资料的整理与计算 一次洪水 流域出口断面实测洪水过程 后续洪水 前
7、期洪水 一 径流过程分析一次洪水流量过程可能包括以下成份 本次洪水所形成的地面径流 表层流径流和地下径流 前期洪水尚未退完的部分水量 非本次降雨补给的深层地下径流 后续降水产生的洪水 地面 表层 地下径流 计算次洪水径流时 应作如下处理 把前期洪水尚未退完的部分水量及后续降水产生的洪水从洪水过程线中分割出去 洪水中不同的水源成分 其水流运动规律不同 因此 需对洪水流量过程中的不同水源成份进行划分 以便进行汇流计算 深层地下径流比较稳定 流量也较小 是河川的基本流量 所以又称为基流 分割方法 深层地下径流分割的方法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 流量过程线的分割及不同水
8、源的划分均采用退水曲线 t时刻的流量 地下水退水参数 流域蓄水量的消退过程线 某站退水曲线 图中数字为洪号 退水曲线的绘制方法和步骤 以相同的比例尺 在方格纸上绘出各场洪水的退水流量过程线 用一张透明纸描绘出最低的退水过程线 将此曲线移到另一场洪水的次低的退水段 在保持时间坐标重合的条件下左右移动透明纸 使方格纸上的退水过程线在后部与透明纸上的退水过程线相重合 并把它也描绘在透明纸上 如此逐一描绘各场洪水的退水流量过程线 就构成标准地下水退水曲线 二 流量过程分割及径流量计算 次径流深 径流量 的计算 三 水源划分 1 地面 地下径流的划分 水平线分割法水平线分割法简便易行 对地下径流小 洪水
9、历时短的流域较为适合 而对地下径流比重大 洪水连续时间长的流域 则会造成比较大的误差 此时改用斜线分割法较为合理 斜线分割法 水平线分割法示意图 斜线分割法示意图 地面径流终止点 地面径流终止点的确定方法方法一 流域地下水退水曲线将绘在透明纸上的标准退水曲线蒙在要分割的洪水过程线的退水段上 注意比例尺的一致 使横轴重合 然后左右移动 当透明纸上的标准退水曲线与洪水退水段的尾部吻合后 则两线前方的分叉点C就是地面径流终止点 方法二 经验公式 洪峰出现时刻至直接径流终止点的时距 日数 2 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 分别除以
10、流域面积F即可得到其地面径流深RS 地下径流深Rg 4 2 3前期影响雨量降雨开始时流域是干旱还是湿润 对此次降雨产生径流的多少影响极大 流域的干湿程度常用流域蓄水量W或其前期影响雨量Pa表示 前期影响雨量计算式公式应用时应注意的问题 前期影响雨量Pa的计算定义式 由此可写出 前期影响雨量的计算通式 式中土壤含水量的日消退系数 折减系数 K 几个应注意的问题 1 最大值限制问题当计算出的Pa值大于WM时 取WM作为该日的Pa值 2 Pa起始值的确定一般前期较长一段时间无雨 令Pa 0 一场大雨或连续几次大雨之后 取Pa WM 3 流域日蒸发能力EM取E601型蒸发器观测的水面蒸发值作为近似值
11、一般按晴天和雨天或按月份分别选取 4 流域蓄水容量Wm的计算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及相应的产流量R 此时 式中 E为雨期蒸发 mm 如降雨时间短可忽略不计 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80 120mm 例如 广东95 100mm 福建100 130mm 湖北70 110mm 陕西55 100mm 黑龙江140mm等等 流域的实际蓄水量W在0 Wm之间变化 第三节流域产流分析 所谓产流 是指流域中各种径流成分的生成过程 也是流域下垫面 包括地面和包气带 对降雨的再分配过程 本节介绍自然界两种
12、基本的产流形式 并建立产流理论的基本概念 包气带对降水的再分配作用产流面积的变化 1 包气带地面对降雨的再分配 2 包气带土层对下渗水量的再分配 蓄满产流方式超渗产流方式 一 包气带地面对降雨的再分配作用思路 以流域内某一单元土柱为例 通过分析雨强与下渗能力的关系 写出包气带地面把其所承受的降雨划分为下渗的水量和地面径流两部分的数学表达式 对一场降雨过程来说 雨强时大时小 有时 有时 下渗到包气带土层中的水量为 形成的地面径流为显然 二 包气带土层对下渗水量的再分配作用包气带达到田间持水量时的蓄水量称为包气带蓄水容量 记为 另令表示降雨开始时包气带的起始蓄水量 则为包气带的缺水量 当出现时 当
13、出现时 三 蓄满产流和超渗产流雨末包气带达到田间持水量时 其水量平衡方程 雨末包气带未达到田间持水量 其水量平衡方程 两式适用于某时段 也适用于一场降雨的总历时 反映了自然界两种基本的产流方式 蓄满产流 和 超渗产流 对某个具体的流域 这两种产流方式是相对的 湿润地区以蓄满产流为主 在长期干旱后 若遇到雨强大于下渗能力的降雨 即使此时包气带未蓄满 也会产生超渗的地面径流 同样 在干旱地区 以超渗产流为主的流域 在多雨的季节也可能在流域的局部甚至全流域出现蓄满产流现象 蓄满产流情况下产流面积的变化超渗产流情况下产流面积的变化 随着降雨量的增加 产流面积也随之增加 产流面积的变化与降雨强度无关 随降雨历时的增长 产流面积时大时小 产流面积的大小与时段初流域蓄水量及降雨强度有关 四 产流面积的变化
