第四章 流域产流与汇流计算.ppt

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1、第四章第四章 流域产汇与汇流计算流域产汇与汇流计算ComputationofRunoffGenerationandConcentration4.1 4.1 概述概述一、一、流域产汇流计算的基本概念流域产汇流计算的基本概念 产产流流是是指指降降雨雨量量扣扣除除损损失失量量即即为为产产流流量量。降降雨雨损损失失包包括括植植物物截截留留、下下渗渗、填填洼洼与与蒸蒸发发，其其中中以以下下渗渗为为主主。产产流流量量是是指指降降雨雨形形成成径径流流的的那那部部分分水水量量，以以mmmm计计。由由于于各各流流域域所所处处的的地地理理位位置置不不同同和和各各次次降降雨雨特特性性的的差差异异，产产流情况相当复杂

2、。流情况相当复杂。汇流是指由降水形成的水流，从它产生的地点向流汇流是指由降水形成的水流，从它产生的地点向流域出口断面的汇集过程。全称流域汇流，是径流形成概域出口断面的汇集过程。全称流域汇流，是径流形成概化过程的后一阶段。汇流可分为坡地汇流及河网汇流两化过程的后一阶段。汇流可分为坡地汇流及河网汇流两个子阶段。个子阶段。由由流流域域降降雨雨推推求求流流域域出出口口的的流流量量过过程程，大大体体可可分分为为两步：两步：（1 1）产流计算：降雨扣除植物截留、蒸发、下渗及）产流计算：降雨扣除植物截留、蒸发、下渗及填洼等各种损失之后，剩下的部分称为填洼等各种损失之后，剩下的部分称为净雨净雨，在数量上，在数

3、量上等于它所形成的等于它所形成的径流深径流深，也称为，也称为产流量产流量，降雨转化为净，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。雨的过程为产流过程，关于净雨的计算称为产流计算。（2 2）汇流计算：净雨沿着地面和地下汇入河网，）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。汇流过程的计算称之为汇流计算。产流计算的方法因产流方式不同而异，分别有产流计算的方法因产流方式不同而异，分别有蓄满产蓄满产流流方式和方式和超渗产流超渗产流方式的产流计算方法；汇流计算方法的方式的

4、产流计算方法；汇流计算方法的重点是重点是时段单位线法时段单位线法和和瞬时单位线法瞬时单位线法。无论产流计算还是汇流计算，基本思路都是：先从实无论产流计算还是汇流计算，基本思路都是：先从实际降雨径流资料出发，分析产流或汇流的规律；然后，用际降雨径流资料出发，分析产流或汇流的规律；然后，用于设计条件时，则可于设计条件时，则可由设计暴雨推求设计洪水由设计暴雨推求设计洪水，用于预报，用于预报时，则时，则由实际暴雨预报洪水由实际暴雨预报洪水。蒸发蒸发产流计算产流计算汇流计算汇流计算产流量产流量出口断面流量过程出口断面流量过程降水降水产汇流计算流程简图产汇流计算流程简图 4.2 4.2 流域降雨径流要素计

5、算流域降雨径流要素计算一、流域降雨量一、流域降雨量 主要包括：流域平均雨量计算的各种途径；雨量过程主要包括：流域平均雨量计算的各种途径；雨量过程线的各种表现形式。线的各种表现形式。(1)(1)降水特征的描述降水特征的描述 1 1 1 1、降水要素、降水要素、降水要素、降水要素 降水量、降水历时、降水强度、降水面积及降水中心降水量、降水历时、降水强度、降水面积及降水中心降水量、降水历时、降水强度、降水面积及降水中心降水量、降水历时、降水强度、降水面积及降水中心 2 2 2 2、降水量过程线、降水量过程线、降水量过程线、降水量过程线 3 3 3 3、降水量累积曲线、降水量累积曲线、降水量累积曲线、

6、降水量累积曲线 4 4 4 4、等雨量线、等雨量线、等雨量线、等雨量线 5 5 5 5、降水强度历时曲线、降水强度历时曲线、降水强度历时曲线、降水强度历时曲线 6 6 6 6、平均雨深面积曲线、平均雨深面积曲线、平均雨深面积曲线、平均雨深面积曲线 7 7 7 7、平均雨深面积历时曲线、平均雨深面积历时曲线、平均雨深面积历时曲线、平均雨深面积历时曲线时间时间时间时间时段降雨时段降雨时段降雨时段降雨累积降雨累积降雨累积降雨累积降雨13:4213:420 00 014:0014:0011.511.511.511.514:3014:3033.533.545.045.015:3415:3431.931.

7、976.976.917:0017:001.61.678.578.518:1018:102.22.280.780.7时间时间时间时间累积降雨累积降雨累积降雨累积降雨时段降雨时段降雨时段降雨时段降雨13:0013:000 00 014:0014:0011.511.511.511.515:0015:0060.060.048.548.516:0016:0077.077.017.017.017:0017:0078.578.51.51.518:0018:0080.780.72.22.2根据根据105105站资料绘制站资料绘制根据根据2626站资料绘制站资料绘制时时时时 间间间间累积降雨累积降雨累积降雨累积

8、降雨时段降雨时段降雨时段降雨时段降雨13:0013:000 00 014:0014:0011.511.511.511.515:0015:0060.060.048.548.516:0016:0077.077.017.017.017:0017:0078.578.51.51.518:0018:0080.780.72.22.2历历历历 时时时时累积降雨累积降雨累积降雨累积降雨雨雨雨雨 强强强强1 148.548.548.548.52 265.565.532.832.83 377.077.025.725.74 478.578.519.619.65 580.780.716.116.16 680.780.7

9、13.413.4 对一场降雨，对应某指定的历对一场降雨，对应某指定的历时，变动起讫时间求得相应该历时，变动起讫时间求得相应该历时的最大平均降雨强度，并点绘时的最大平均降雨强度，并点绘成曲线。该曲线反映降水的时间成曲线。该曲线反映降水的时间变化特性。变化特性。对一场降雨，从降雨量等值线图的中心开始，分别量取对一场降雨，从降雨量等值线图的中心开始，分别量取不同的等雨量线所包围的面积及该面积内的平均水深，并点不同的等雨量线所包围的面积及该面积内的平均水深，并点绘成曲线。该曲线反映降水的空间变化特性。绘成曲线。该曲线反映降水的空间变化特性。90705040110 根据一场暴雨不同历时根据一场暴雨不同历

10、时(如如1212h h、2424h h、4848h h等等)的等雨量线的等雨量线图作出相应的平均雨深图作出相应的平均雨深面积曲线，并综合绘于同一张图上，面积曲线，并综合绘于同一张图上，即得平均雨深面积历时曲线。简称时即得平均雨深面积历时曲线。简称时-面面-深曲线。深曲线。其规律为：当历时一定时，面积愈大，平均雨深愈小；其规律为：当历时一定时，面积愈大，平均雨深愈小；当面积一定时，历时愈长，当面积一定时，历时愈长，平均雨深愈大。平均雨深愈大。(2)流域平均雨量计算流域平均雨量计算算术平均法：算术平均法：算术平均法：算术平均法：适用于面积不大，地形起伏不大，站点较适用于面积不大，地形起伏不大，站点

11、较多且布设较均匀的流域。计算简便。多且布设较均匀的流域。计算简便。泰森多边形：泰森多边形：泰森多边形：泰森多边形：适用于站点较少且分布不均，面积不大的适用于站点较少且分布不均，面积不大的流域。在确定各站的权重后也很简便，且精度较好。缺流域。在确定各站的权重后也很简便，且精度较好。缺点是在各场降雨中把雨量站权重视为固定，与实际情况点是在各场降雨中把雨量站权重视为固定，与实际情况不完全一致。不完全一致。等雨量线法：等雨量线法：等雨量线法：等雨量线法：适用于面积大、地形起伏大、站点较密的适用于面积大、地形起伏大、站点较密的流域。理论上完善，但每次降雨都必须绘制等雨量线，流域。理论上完善，但每次降雨都

12、必须绘制等雨量线，并计算权重，工作量大。并计算权重，工作量大。泰森多边形法算例泰森多边形法算例A1A2A3A4A5A6单元面积权重计算公式：单元面积权重计算公式：第第i i 块单元面积的权重块单元面积的权重 i i=A=Ai i/A A总面积总面积A=(AA=(A1 1+A+A2 2+A+A3 3+A+A4 4+A+A5 5+A+A6 6)流域平均雨量计算公式：流域平均雨量计算公式：x1x2x3x4x5x6等雨量线法等雨量线法A2A690705040A1A3A4A5110总面积总面积A=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)各子块权重各子块权重 i=Ai/A x=i xi二、径流量二、径流量

13、流域出口断面的流量过程线，除本次降雨形成的径流流域出口断面的流量过程线，除本次降雨形成的径流外，还可能包括：外，还可能包括：(1)(1)本次降雨形成的地面径流、壤中流、地下径流；本次降雨形成的地面径流、壤中流、地下径流；(2)(2)前期洪水尚未退尽的水量及非本次降雨补给的深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；层地下径流；(3)(3)若该次洪水尚未退完又遇降雨，还会有后期洪水若该次洪水尚未退完又遇降雨，还会有后期洪水进入。进入。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，涨洪和洪峰附近流量过程主体部分地下径流地下径流：运动速度慢、流程长、受到调蓄

14、作用大、汇流时间长；洪水退水尾部主体部分，常延续至后续洪水过程中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 1 1、流量过程线的分割流量过程线的分割 流量过程分割的主要目的是：流量过程分割的主要目的是：一是一是一是一是将非本次降雨形成的径流分割出去，求出本次洪将非本次降雨形成的径流分割出去，求出本次洪水的径流总量。水的径流总量。二是二是二是二是由于不同水源的水流运动规律不同，所以还需将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。本次洪水径流总量划分为不同的水源。次洪水径

15、流总量次洪水径流总量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直接径流流量过程分割的依据是流域退水曲线。流量过程分割的依据是流域退水曲线。(1)(1)流域退水曲线的推求流域退水曲线的推求 绘制流域退水曲线的具体步骤如下：绘制流域退水曲线的具体步骤如下：以以相相同同的的比比例例尺尺，在在方方格格纸纸上上绘绘出出各各场场洪洪水水的的退退水水流流量过程线；量过程线；用一张透明纸描绘出最低的退水过程线；用一张透明纸描绘出最低的退水过程线；将将此此曲曲线线移移到到另另一一场场洪洪水水的的退退水水段段，在在保保持持时时间间坐坐标标重重合合的的条条件件下下左左右右移移动动透透明明纸纸，使使方方格格

16、纸纸上上的的退退水水过过程程线线的的后后部部与与透透明明纸纸上上的的退退水水过过程程线线相相重重合合，并并把把它它也也描描绘绘在在透明纸上；透明纸上；逐逐一一描描绘绘各各场场洪洪水水的的退退水水流流量量过过程程线线，最最后后作作光光滑滑下下包包线线，就就构构成成流流域域地地下下水水退退水水曲曲线线。各各次次退退水水过过程程求求平平均均，得到得到流域平均退水曲线流域平均退水曲线。退水曲线示意图退水曲线示意图地下水退水曲线地下水退水曲线平均退水曲线平均退水曲线退水曲线指数方程退水曲线指数方程从0t 积分地下水退水方程 退水I=0K的物理意义：的物理意义：泄完蓄水量泄完蓄水量Wt所需的时间所需的时间

17、平均汇集时间平均汇集时间把地下水退水方程写成递推形式：令：C:流量消退系数，反映退水速率快慢。(C=Em,EU=Em,EL=0,ED=0;2)当当WU+P=C.WLm,EU=WU+P,EL=(Em-EU)*WL/WLm,ED=0;3)当当WU+PEm,C.(Em-EU)=WLC.WLm,EU=WU+P,EL=C*(Em-EU),ED=0;4)当当WU+PEm,WLC.(Em-EU),EU=WU+P,EL=WL,ED=C*(Em-EU)-EL.(4)(4)前期影响雨量前期影响雨量P Pa a计算计算前期影响雨量计算采用递推形式：前期影响雨量计算采用递推形式：Pa,t+1=（Pa,t+Pt-Rt）

18、简化形式：简化形式：Pa,t+1=（Pa,t+Pt）上式限制条件：上式限制条件：当当Pa,t+1Wm 时，时，Pa,t+1=Wm4.3 4.3 蓄满产流计算蓄满产流计算一、蓄满产流模式一、蓄满产流模式 包气带土壤含水量达到田间持水量前包气带土壤含水量达到田间持水量前(即未蓄满即未蓄满)不不产流，降雨全部被土壤吸收，补充包气带缺水量；包气产流，降雨全部被土壤吸收，补充包气带缺水量；包气带土壤含水量达到田间持水量后带土壤含水量达到田间持水量后(即蓄满即蓄满)开始产流，之开始产流，之后的降雨扣除蒸发后全部形成净雨。这种产流方式称为后的降雨扣除蒸发后全部形成净雨。这种产流方式称为“蓄满产流蓄满产流”。

19、计算表达式为：。计算表达式为：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)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)二、降雨径流相关图二、降雨径流相关图PPaR相关图相关图 W0 P(mm)R(mm)45。2)2)转折点：以上为转折点：以上为45450 0直线，以下为下凹的直线，以下为下凹的曲线。曲线。3)W3)W0 0直线段之间水平直线段之间水平间距相等。间距相等。1)1)曲线簇在曲线簇在45450 0直线上直线上方方(why?)(why?)；W W0 0越大，越大，越靠近越靠近45450 0

20、直线。直线。特点：特点：W0=020406080100 PE(mm)R(mm)R1 R2 R3 R4P4P3P2P1例：某次降雨前例：某次降雨前W W0 0=58mm=58mm，各时段，各时段雨量分别为雨量分别为P P1,1,P P2,2,P P3 3，P P4 4 。内插内插W W0 0=58mm=58mm相关相关线（线（黄线黄线）查得相应的查得相应的R R1 1，R R2 2，R R3 3，R R4 4 W0PR0P1R1P1+P2R1+R2P1+P2+P3R1+R2+R3三、蓄满产流模型三、蓄满产流模型1.1.产流机理产流机理 任一地点上，土壤含水量达蓄满（即达田间持水任一地点上，土壤含

21、水量达蓄满（即达田间持水量）前，降雨量全部补充土壤含水量，不产流；当土量）前，降雨量全部补充土壤含水量，不产流；当土壤蓄满后，其后续降雨量全部产生径流。由此形成蓄壤蓄满后，其后续降雨量全部产生径流。由此形成蓄满产流概念满产流概念 蓄满产流机制比较接近或符合土壤缺水量不大的蓄满产流机制比较接近或符合土壤缺水量不大的湿润地区。这些地区，一场较大的降雨常易使全流域湿润地区。这些地区，一场较大的降雨常易使全流域土壤含水量蓄满。土壤含水量蓄满。2 2、蓄满产流概念形成、蓄满产流概念形成PERPERpaPER周次历时paPERW0PE+W0R蓄满点WWm-W0降降水水RPE带带包包气气潜潜水水带带蓄满产流

22、计算示意图蓄满产流计算示意图3.3.基本方程基本方程若一场降雨不能使全流域蓄满，流域内也观测到径若一场降雨不能使全流域蓄满，流域内也观测到径流，流，why?why?原因：流域内各点包气带厚度不一致，各点蓄水容原因：流域内各点包气带厚度不一致，各点蓄水容量（土壤缺水量）也不相同，先蓄满的地方先产流，后量（土壤缺水量）也不相同，先蓄满的地方先产流，后蓄满的地方后产流，产流面积是不断变化的，这种产流蓄满的地方后产流，产流面积是不断变化的，这种产流状态称之部分产流（局部产流），最后逐步过渡到全面状态称之部分产流（局部产流），最后逐步过渡到全面产流。产流。4.4.蓄水容量曲线蓄水容量曲线流域内各点包气带

23、的蓄水容量是不同的，将各点包气流域内各点包气带的蓄水容量是不同的，将各点包气带蓄水容量从小到大排列，以包气带达到田间持水量带蓄水容量从小到大排列，以包气带达到田间持水量时的土壤含水量时的土壤含水量WMWM为纵坐标，以流域内小于等于该为纵坐标，以流域内小于等于该 WMWM的面积占全流域的面积比的面积占全流域的面积比为横坐标，所绘的曲为横坐标，所绘的曲线称为流域线称为流域蓄水容量曲线蓄水容量曲线。流域蓄水容量曲线流域蓄水容量曲线:表征土壤缺水量空间分布的不均表征土壤缺水量空间分布的不均匀性匀性四、水源四、水源划分划分1.1.二水源划分二水源划分(直接径流地下径流直接径流地下径流)(1)(1)基本原

24、理基本原理Notes:Notes:1)1)超渗产流只有地面径流，水源划分主要针对蓄满产超渗产流只有地面径流，水源划分主要针对蓄满产流；流；2)2)按蓄满产流方式，一次降雨所产生的径流总量包括按蓄满产流方式，一次降雨所产生的径流总量包括地面径流和地下径流两部分，在推求洪水过程线时要地面径流和地下径流两部分，在推求洪水过程线时要分别处理。即将净雨分别处理。即将净雨h h分成地面径流分成地面径流h hs s和地下径流和地下径流h hg g。(2)(2)计算公式计算公式 当流域降雨使包气带缺水得到满足后，全部降水形当流域降雨使包气带缺水得到满足后，全部降水形成径流，其中按稳定下渗率成径流，其中按稳定下

25、渗率f fc c 入渗的水量形成地下径流，入渗的水量形成地下径流，降雨强度超过稳定入渗的那部分水量形成地面径流。降雨强度超过稳定入渗的那部分水量形成地面径流。(3)(3)fc 的推求的推求 在水源划分中，在水源划分中，f fc c 是一个重要参数，它是土壤、地是一个重要参数，它是土壤、地质、植被等的综合反映，可根据实测雨洪资料分析得到。质、植被等的综合反映，可根据实测雨洪资料分析得到。首先要根据降雨过程首先要根据降雨过程Pt，净雨过程净雨过程ht，推求相应推求相应的实测地下径流总量的实测地下径流总量hgo,然后采用试错法确定然后采用试错法确定fc，具体步骤具体步骤与算例见与算例见教材教材P82

26、表表4-2。为保证精度，宜选产流计算误差小的洪水。分析多次洪为保证精度，宜选产流计算误差小的洪水。分析多次洪水，定出流域平均的水，定出流域平均的fc值。值。【例例】已知某流域降雨径流相关图和稳定入已知某流域降雨径流相关图和稳定入渗率渗率f fc c 1.5mm/h,1.5mm/h,一次实测暴雨过程如表一次实测暴雨过程如表（1 1）（）（2 2）栏。请根据）栏。请根据 f fc c 将径流划分为地表径将径流划分为地表径流流h hs s和地下径流和地下径流h hg g。(4)(4)f fc c的应用举例的应用举例月月 日日 时时PEh(mm)h/PEfcRg(mm)Rs(mm)(1)(2)(3)(

27、4)(5)(6)8 1 0 61.40.40.2869.00.40 124.31.50.3499.01.50 189.73.40.3519.03.20.28 2 02.30.90.3919.00.90 63.61.50.4179.01.50 125.42.40.4449.02.40 1828.116.00.5699.05.110.98 3 030.130.11.0009.09.021.1 610.510.51.0009.09.01.5 1215.315.31.0009.09.06.3 18551.0009.05.00合计合计115.787.047.040.02.2.三水源划分三水源划分退水过程

28、，明显退水过程，明显3 3段：段：A-BA-B：h hS S退水退水B-CB-C：h hi i退水退水C以下：以下：hg退水退水4.4 4.4 超渗产流计算超渗产流计算一、超渗产流模式一、超渗产流模式 1.1.干旱地区流域气候水文特点干旱地区流域气候水文特点 我国干旱流域主要集中在新疆、内蒙、宁夏、甘肃、我国干旱流域主要集中在新疆、内蒙、宁夏、甘肃、青海、陕西和山西的一些流域，干旱地区流域气候水文青海、陕西和山西的一些流域，干旱地区流域气候水文特点主要有三个特征特点主要有三个特征气候干燥，多气候干燥，多年平均降水量年平均降水量400mm400mm（1）洪水过程线涨洪水过程线涨落接近对称，落接近

29、对称，几乎没有地下几乎没有地下径流径流（2）多年平均径流多年平均径流系数系数0.20.2（3）在这些流域降雨少、土壤缺水量在这些流域降雨少、土壤缺水量大、一般降雨难以补足土壤缺水大、一般降雨难以补足土壤缺水产生地下径流，产流只有在雨强产生地下径流，产流只有在雨强大于下渗能力时才产生地面径流。大于下渗能力时才产生地面径流。2.2.产流机理产流机理土壤缺水量大一般降水难以补足土壤缺水量大一般降水难以补足没有地下径流；雨强大于下渗能没有地下径流；雨强大于下渗能力产生地面径流；产流用下渗能力产生地面径流；产流用下渗能力曲线表达。力曲线表达。下渗率随历时变化曲线下渗率随历时变化曲线1.1.下渗方程下渗方

30、程二、下渗曲线法二、下渗曲线法 2.2.菲利普下渗曲线方程菲利普下渗曲线方程 曲线转换曲线转换 3.3.霍尔顿下渗曲线方程霍尔顿下渗曲线方程 曲线转换曲线转换 下渗率随土壤含水量变化曲线下渗率随土壤含水量变化曲线 4.4.计算步骤计算步骤fW （1 1）根据降雨开始时的）根据降雨开始时的W0查查fp1，i1与与fp1对比，确定第对比，确定第1时段的实际下渗量时段的实际下渗量f1与净雨量与净雨量h1，W1=W0+f1（2 2）根据）根据W1查查fp2，i2 2与与fp2 对比，确定第对比，确定第2 2时段的实际下时段的实际下渗量渗量f 2 2与净雨量与净雨量h2 2，W2=W1+f2 （如此循环

31、（如此循环 ）0 5.5.算例算例时时分分i W fp f hs16080.30.02.60.3016090.30.32.60.3016100.30.62.60.3016110.30.92.50.3016121.01.22.51.0016131.02.22.41.0016141.93.22.31.9016151.95.12.01.9016161.97.01.91.9016171.98.91.71.70.216183.310.61.61.61.7三、初损后损法三、初损后损法 将将损损失失分分成成两两部部分分，产产流流前前的的损损失失称称为为初损（I I0 0）。产产流流后后的的损损失失称称为为后

32、损，后损由由产产流流历历时时内内的的下下渗渗量量（数数值值上上等等于于产产流流历历时时内内平平均均下下渗渗强强度度产产流流历历时时）和和后后期期不不产流的雨量产流的雨量两部分组成。两部分组成。初损初损平均后损率平均后损率产流历时产流历时后期不产流雨量后期不产流雨量 (1)(1)初损值的确定初损值的确定 建建立立W0I0的的关关系系，必必要要的的话话以以雨雨强强或或月月份份为为参参数数建建立关系立关系(见教材见教材P85P85图）。图）。W0I0的关系可根据实测雨洪资料分析得到。具体来的关系可根据实测雨洪资料分析得到。具体来说，对每场降雨，按照前面介绍的方法计算降雨开始时的说，对每场降雨，按照前

33、面介绍的方法计算降雨开始时的W0，取流域出口断面流量起涨点前的累积雨量作为取流域出口断面流量起涨点前的累积雨量作为I0。根根据多组据多组（W0，I0）确定确定W0I0关系。关系。(2)(2)平均后损率的分析确定平均后损率的分析确定 在在初初损损确确定定后后，产产流流历历时时内内的的平平均均下下渗渗强强度度可可按按下下式式计算：计算：后期不产流的降雨历时后期不产流的降雨历时降雨开始至流量起涨点的历时降雨开始至流量起涨点的历时初损、后损方案确定后，就可以由已知的降雨过程推初损、后损方案确定后，就可以由已知的降雨过程推求净雨过程了。求净雨过程了。4.5 4.5 流域汇流计算流域汇流计算 流域汇流分析

34、计算的基本内容：流域汇流分析计算的基本内容：&在分析计算流域内净雨过程和相应的流量观测资料的基在分析计算流域内净雨过程和相应的流量观测资料的基础上，拟定流域的汇流方案。础上，拟定流域的汇流方案。&利用拟定的汇流方案推求出口断面的流量过程。利用拟定的汇流方案推求出口断面的流量过程。流域流域汇流汇流是指，在流域各点产生的是指，在流域各点产生的净雨净雨，经过，经过坡地坡地和和河网河网汇集到流域出口断面，形成径流的全过程。汇集到流域出口断面，形成径流的全过程。同一时刻在流域各处形成的同一时刻在流域各处形成的净雨净雨到达流域出口断面的到达流域出口断面的距离距离有远有近、有远有近、流速流速有大有小，所以不

35、可能全部在同一时有大有小，所以不可能全部在同一时刻到达流域出口断面。刻到达流域出口断面。PrecipitationRunoffQ(t)-Discharge产流量计算产流量计算汇流计算汇流计算坡地汇流坡地汇流河网汇流河网汇流坡面汇流坡面汇流河网汇流河网汇流流域汇流过程流域汇流过程流域出口流域出口地面径流地面径流壤中流：壤中流：介于两者之间介于两者之间汇流速度快汇流速度快流程短流程短汇流历时短汇流历时短地下径流地下径流汇流速度慢汇流速度慢流程最长流程最长汇流历时长汇流历时长坡地汇流阶段坡地汇流阶段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(

36、地面径流地面径流)地下径流地下径流汇汇流流计计算算河网汇河网汇流计算流计算坡地汇坡地汇流计算流计算地面径流汇流计算地面径流汇流计算地下径流汇流计算地下径流汇流计算单位线单位线瞬时单位线瞬时单位线地貌单位线地貌单位线等流时线等流时线线性水库线性水库假设流域中水流汇集速度分布均匀假设流域中水流汇集速度分布均匀则其中任一水滴流达出口断面的时间仅取决于它离则其中任一水滴流达出口断面的时间仅取决于它离开出口断面的距离开出口断面的距离据此可绘制一组等流时线据此可绘制一组等流时线两条等流时线间的面积称为两条等流时线间的面积称为等流时面积等流时面积，按顺序用，按顺序用f f、f f、f f 表示，汇流时间分别

37、等于表示，汇流时间分别等于t t1 1tt、t t2 22 2tt、t t3 33 3tt 一、等流时线法一、等流时线法1 1、基本概念、基本概念某流域等流时线某流域等流时线tf f1f f2f f3f f4f f52t5t4t3t如果以等流时面积为纵坐标，以水滴到达出口断如果以等流时面积为纵坐标，以水滴到达出口断面的时间为横坐标，可建立等流时面积分配曲线面的时间为横坐标，可建立等流时面积分配曲线(面积面积时间曲线时间曲线)2 2、面积、面积-时间曲线时间曲线 根据面积时间曲线，出流断面在第根据面积时间曲线，出流断面在第i i 时段出时段出流量是由第一块面积流量是由第一块面积f f上的本时段净

38、雨，第二块面积上的本时段净雨，第二块面积f f上一时段净雨上一时段净雨等所合成的等所合成的:式中，式中，r ri i第第i i 时段地面净雨强度。时段地面净雨强度。3 3、计算公式、计算公式时序时序(t=3h)地面净雨地面净雨rs(mm)等流时等流时面积面积f(km2)部分流量部分流量(m3/s)Qs(m3/s)r1=5mmr2=28mmr3=44mmr4=3mm(1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)(5)(5)(6)(6)(7)(7)(8)(8)1 15 55858272727272 2282812012056561501502062063 34444130130606031131

39、12362366086084 43 3115115535333733748948916168958955 58282383829829853053033338998996 66060282821321346946936367457457 72424111115615633433432325335338 8626224424423233293299 99898171711411410107 77 73 3、算例、算例汇流速度如汇流速度如何确定？何确定？4 4、DISCUSSIONDISCUSSION 等流时线法将流域内降雨的空间分布和流域形态等流时线法将流域内降雨的空间分布和流域形态同流域出口断

40、面流量组成联系起来，有利于对降雨空同流域出口断面流量组成联系起来，有利于对降雨空间分布不均的处理，但等流时线假定，同一等流时线间分布不均的处理，但等流时线假定，同一等流时线上的水质点同时到达出流断面，实际是高速水质点先上的水质点同时到达出流断面，实际是高速水质点先到，低速水质点后到，严格的面积出流次序是没有的。到，低速水质点后到，严格的面积出流次序是没有的。这就是等流时线这就是等流时线未考虑河槽的调蓄问题未考虑河槽的调蓄问题。因此，等流。因此，等流时线方法只宜用于小流域，因为河槽调蓄作用小。时线方法只宜用于小流域，因为河槽调蓄作用小。二、时段单位线法二、时段单位线法 采用单位线法进行汇流计算基

41、于以下假定：采用单位线法进行汇流计算基于以下假定：(1)(1)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 k个单位，则形成的流量过程是单位线纵标的个单位，则形成的流量过程是单位线纵标的k k倍。倍。(2)(2)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 m个时段，则形个时段，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时段成的流量过程是各时段净雨形成的部分流量过程错开时段叠加。叠加。1.1.单位线的基本概念单位线的基本概念 单位时段内分布均匀的单位地面净雨量，在流域出口单位时段内分布均匀的单位地面净雨量，在流

42、域出口断面所形成的地面径流过程线。单位净雨量常取断面所形成的地面径流过程线。单位净雨量常取1010mmmm。单。单位时段取位时段取1 1、3 3、6 6、1212h h等，依流域大小而定。等，依流域大小而定。用单位线推求地面径流过程的例子见教材用单位线推求地面径流过程的例子见教材P88P88。单位线两个假定示意图单位线两个假定示意图 2.2.单位线的推求单位线的推求用分析法推求单位线步骤：用分析法推求单位线步骤：单位线推求（单位线推求（F=8080km2）NONO日日日日时时时时地表径地表径地表径地表径流流流流(m(m3 3/s)/s)地面净地面净地面净地面净雨雨雨雨(mm)(mm)单位线单位

43、线单位线单位线q q(m(m3 3/s)/s)1 15 50 0120120151580802 212123403405 52002003 36 60 09409405605604 412129109104204205 57 70 06306302802806 612124104101801807 78 80 02502501061068 8121211511542429 99 90 025252 2101012120 00 0合计合计合计合计37403740202018701870 （1 1）分析法推求单位线）分析法推求单位线-算例算例根据各次降雨洪水资料分析的单位线有差别，原因：根据各次降

44、雨洪水资料分析的单位线有差别，原因：单位线的线性假定与实际情况不尽符合。大洪水时，单位线的线性假定与实际情况不尽符合。大洪水时，流速大，洪峰出现时间提前，用它分解的单位线洪流速大，洪峰出现时间提前，用它分解的单位线洪峰也相应提前，而一般小洪水则相反。峰也相应提前，而一般小洪水则相反。净雨量在空间分布上不均匀，对单位线的影响显著，净雨量在空间分布上不均匀，对单位线的影响显著，例如暴雨中心在上游时，流程长，调蓄影响大，洪例如暴雨中心在上游时，流程长，调蓄影响大，洪峰低，峰现时间迟后；如果暴雨中心在下游，流程峰低，峰现时间迟后；如果暴雨中心在下游，流程短，调蓄影响小，峰高形尖，峰现提前。短，调蓄影响

45、小，峰高形尖，峰现提前。（2 2）讨论）讨论长江三峡区间单位线按暴雨中心分类图长江三峡区间单位线按暴雨中心分类图单位线是有一定时段长的。净雨时段长必须和单位线是有一定时段长的。净雨时段长必须和单位线时段长一致，才能用于汇流计算。当两者不单位线时段长一致，才能用于汇流计算。当两者不一致时，可通过一致时，可通过S S曲线对原单位线进行时段转换。曲线对原单位线进行时段转换。S S曲线就是单位线各时段累积流量和时间的关系曲线就是单位线各时段累积流量和时间的关系曲线。由一系列单位线加在一起而构成，每一条单曲线。由一系列单位线加在一起而构成，每一条单位线比前一条单位线滞后位线比前一条单位线滞后t t小时。

46、因时段净雨量连小时。因时段净雨量连续不断，则地面径流量不断累积，至某一时刻，全续不断，则地面径流量不断累积，至某一时刻，全流域净雨量参加汇流以后，径流量就成了不变的常流域净雨量参加汇流以后，径流量就成了不变的常数，其形状如数，其形状如S S。3.3.单位线时段转换单位线时段转换表表4-6S曲线计算曲线计算k k10mm10mm10mm10mm10mm10mm10mm10mm10mm10mm10mm10mm10mm10mmS S（t tk k）=Q=Q（t tk k）0 00 0 0 01 1q q1 10 0 q q1 12 2q q2 2q q1 10 0 q q1 1+q+q2 23 3q

47、 q3 3q q2 2q q1 10 0 q q1 1+q+q2 2+q+q3 34 4q q4 4q q3 3q q2 2q q1 10 0 q q1 1+q+q2 2+q+q3 3+q+q4 45 5q q5 5q q4 4q q3 3q q2 2q q1 10 0 q q1 1+q+q2 2+q+q3 3+q+q4 4+q+q5 56 6 q q5 5q q4 4q q3 3q q2 2q q1 10 0 q q1 1+q+q2 2+q+q3 3+q+q4 4+q+q5 57 7 q q5 5q q4 4q q3 3q q2 2q q1 1 q q1 1+q+q2 2+q+q3 3+q+

48、q4 4+q+q5 58 8 q q5 5q q4 4q q3 3q q2 2 q q1 1+q+q2 2+q+q3 3+q+q4 4+q+q5 5 dtodto时段内时段内10mm10mm净雨净雨出流过程的总量出流过程的总量=10mm=10mmdtdt时段内时段内(dt/dto)(dt/dto)10mm10mm净雨净雨出流过程的总量出流过程的总量=(dt/dto)=(dt/dto)10mm10mm按按(dto/dt)(dto/dt)缩放缩放S(t)-S(t-dt)S(t)-S(t-dt)纵标，纵标，出流过程的总量出流过程的总量=10mm=10mm总结转换方法如下：总结转换方法如下：把两条把两

49、条t t0 0 小时单位线的小时单位线的S S过程线绘在同一图过程线绘在同一图上，并错开欲求单位线的时段长上，并错开欲求单位线的时段长t t ，两条，两条S S过程过程线间各纵距线间各纵距 q q 就是时段为就是时段为t t 的净雨量所造成的流的净雨量所造成的流量过程线。但两条量过程线。但两条S S过程线间的径流总量相当于过程线间的径流总量相当于(t/tt/t0 0)倍的单位净雨量倍的单位净雨量(10mm10mm)。因此，将各纵。因此，将各纵距距 值分别乘以值分别乘以(tt0 0/t/t)，就得，就得t t 小时单位线小时单位线 。用数学公式表示为：。用数学公式表示为：瞬时单位线：瞬时单位线：

50、单位瞬时脉冲降雨形成的出流过程。单位瞬时脉冲降雨形成的出流过程。q(t,t)时段单位线时段单位线三、瞬时单位线法三、瞬时单位线法u(0,t)瞬时单位线瞬时单位线 1 1、基本概念、基本概念Nash：把流域汇流的调蓄作把流域汇流的调蓄作用看作是用看作是n n个等效线性水库的个等效线性水库的串联。串联。采用矩法，可求得采用矩法，可求得Nash IUHNash IUH的一阶原点的一阶原点矩和二阶中心矩：矩和二阶中心矩：联解上两式，可得：联解上两式，可得：2 2、参数推求、参数推求四、线性水库法四、线性水库法 分析表明，地下水的贮水结构可视为一个线性水分析表明，地下水的贮水结构可视为一个线性水库，即地