工程水文第四章-1

1、 研究对象研究对象： 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。 产流计算主要研究流域上降雨扣除植物截留、下渗、填洼等损失，转化为净雨过程的计算方法。 汇流计算主要研究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径流过程的计算方法。 研究内容研究内容：流域产汇流计算基本资料的整理与分析；前期流域蓄水量及前期影响雨量的计算；降雨径流相关图法推求净雨；初损后损法计算地面净雨过程；流域汇流分析；单位线法推求流域出口洪水过程；瞬时单位线法推求流域出口洪水过程。 研究目的：研究目的： 流域产汇流计算是工程水文学中最基本的概念和方法之一，是以后学习由暴雨资料推求设计

2、洪水，降雨径流预报等内容的基础。 内容提要内容提要 1.由降雨过程推求径流过程的基本内容与流程2. 流域产汇流计算的基本思路 学习要求学习要求 掌握由降雨过程推求径流过程的主要环节与基本思路 。 1. 流域产汇流计算基本内容与流程流域产汇流计算基本内容与流程 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

3、的计算称之为汇流计算。蒸蒸 发发Evaporation降降 水水Rainfall植物截留植物截留Interception填洼及地面蓄水填洼及地面蓄水Surface storage土壤蓄水土壤蓄水Soil moisture storage地下水蓄水地下水蓄水Groundwater storage坡面流坡面流Overland flow壤中流壤中流Interflow河河 网网 蓄蓄 水水深层地下水深层地下水Deep groundwater地下水流地下水流Groundwater flow流域出流流域出流产流过程产流过程汇流过程汇流过程 2. 流域产汇流计算的基本思路流域产汇流计算的基本思路 流域产汇流

4、计算方法的内容十分丰富，这里仅介绍目前使用比较普遍和比较成熟的计算原理及其计算方法。产流计算的方法有降雨径流相关图法和初损后损法等；汇流计算方法的重点是时段单位线法和瞬时单位线法。 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，则可由设计暴雨推求设计洪水，用于预报时，则由实际暴雨推求预报洪水。 内容提要内容提要 流域产汇流计算一般需要先对实测暴雨、径流和蒸发等资料做一定的整理分析，以便在定量上研究它们之间的因果关系和规律。本节介绍这些要素的分析计算方法。 学习要求学习要求 掌握一次实测降雨洪水的总径流深、地面径流深和地下径流深以及

5、流域蒸散发量的计算方法。 关于测站的降雨分析计算，流域平均雨量、时段雨量、降雨强度等，在第二章已经讲过（见第二章有关内容）。 但必须注意的是，降雨场次的划分一定要与洪水场次的划分相对应，如图4-2-1所示。当把洪水划分为两次时，暴雨也要相应地划分为两次，且两两对应，前次暴雨对应前面的洪水，后次暴雨对应后面的洪水，切不可混淆。010203040506070809012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21050100150200250300350400450流域平均降雨量计算：流域平均降雨量计算：1. 算术平均法算术平均法条件：流域内雨量站分布较均匀

6、、地形起伏变化不大。条件：流域内雨量站分布较均匀、地形起伏变化不大。2. 垂直平分法（泰森多边形法）垂直平分法（泰森多边形法）条件：流域雨量站分布不太均匀，为了更好地反映各条件：流域雨量站分布不太均匀，为了更好地反映各站在计算流域平均雨量中的作用。站在计算流域平均雨量中的作用。3. 等雨量线法等雨量线法条件：当流域地形变化较大，而雨量站分布较密，能条件：当流域地形变化较大，而雨量站分布较密，能结合地形变化绘制等雨量线时。结合地形变化绘制等雨量线时。Qtabct0 h1.1.径流过程线分析径流过程线分析 2.2.流量过程线的分割流量过程线的分割 （1）洪水场次划分及次洪水总径流深W的计算 洪水场

7、次划分是指，将非本次降雨产生形成的径流分割出去。多数情况下，与本次降雨所对应的径流过程，不仅包括本次降雨形成的地面、地下径流，而且还包括前期降雨的地下径流。如图中4-2-1的虚线ag以下的水量，它表示如果没有降雨时，河中仍有持续的径流，称其为“基流”。另外，该次洪水尚未退完又遇降雨时，还会有后期洪水混入，如图中的第场洪水。由图4-2-1可知，如果能求得退水曲线ag和abcadf，便能求得降雨所形成的洪水的总量W，即abcadf线与agf线之间所夹的面积。推求W比较简便的方法，是利用地下径流退水线相当稳定的性质来推求。近似认为，前期降雨所形成的在a点以后的地下径流过程线ag，与a点（与a点同流量

8、）以后的adf线趋势一致,即ag线向后平移至的一段时间便可与adf线相重合。具体做法是，过起涨点a作一水平线，交本次洪水过程线退水段于a点，计算abcatata包围面积所代表的水量，既为W，除以流域面积F得到径流深为：R=W/F 需要千万记住的是，起涨点a应比较低，才能保证a点的流量全为地下径流，这样才能保持同流量同消退的规律。否则，若a点太高，其流量可能包含有地面径流成分，使a点和a点以后的退水过程线趋势不一致。若遇这种情况，如图7-2-1中的第3个峰，则不宜单独作为一场洪水，最好与前面的第2个峰合并，共同作为一场洪水。 （2）流域地下径流标准退水曲线流域地下径流标准退水曲线 流量过程线上的

9、a点或a点是否为流域地下退水流量，可由流域地下径流标准退水曲线来确定。 图7-2-2中的下包线Qgt，即为流域地下径流标准退水曲线，其绘制方法步骤是： 流域地下径流标准退水曲线，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Qgt线。作出重叠部分的下包线作出重叠部分的下包线 ababcc取流域多次实测洪水过程线的退水部分曲线取流域多次实

10、测洪水过程线的退水部分曲线aaccbb下包线即为流域标准地下水退水曲线下包线即为流域标准地下水退水曲线( )( )(1)gW tK Q t退水指数方程：退水指数方程：假定：假定：在地下水退水阶段，流域蓄水量在地下水退水阶段，流域蓄水量 W 与流域出口断与流域出口断面流量面流量 Q 呈线性关系：呈线性关系：(2)()(dttdWtQ 由水量平衡得：由水量平衡得：( )gt KQ tA e对对(1) 微分后代入微分后代入(2) 并积分得：并积分得： 0gt KtQQ e代入初始条件：代入初始条件：t = 0, Q = Q0 得：得：式中，式中，Qt：t 时刻的地下水流量时刻的地下水流量(m3/s)

11、Q0：初始时刻的地下水流量初始时刻的地下水流量(m3/s) Kg：地下水退水系数地下水退水系数 Kg大表示地下水退水慢，反之则快。 Kg的值可利用流域退水曲线来确定。ln( )ln()gtKQ tQ tt 3. 水源的划分水源的划分 地面地下径流分割 为分别研究地面径流和地下径流的产汇流规律，需将总径流中进行地面和地下径流分割。常用的有两种方法： 水平线分割法 斜线分割法 水平线分割法：如图4-2-3所示，从实测流量过程线的起涨点a作一水平线交过程线的退水段于c点，则水平线ac就认为是该次洪水的地面地下径流分割线。斜线分割法： 如图7-2-4所示，将绘在透明纸上的标准退水曲线蒙在要分割的洪水过

12、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。从实测流量过程线的起涨点a到地面径流终止点c连一斜线ac，既为地面地下径流分割线。 水平线分割法简便易行，对地下径流小，洪水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。 (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 ，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。 Rs=Ws/FRg=Wg/F 降雨

13、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两种方法表示：前期影响雨量Pa流域蓄水量W前次降雨与本次降雨的时间间隔 t : t Pa 为了能反映上述二个因素的影响，第t天前期影响雨量Pa计算公式可表示为:ntnttt ,aPKPKKPP 221 同理，第 t+1 天的前期影响雨量计算公式为：PaPa)()(,11121,tatntnttntntttaPPKPKKPPKPKPKKPP 2.流域最大蓄水量流域最大蓄水量WM和消退系数和消退系数Ku(1)流域最大蓄水量WM WM又称流域蓄水容量，是流域降雨能够影响的土层内土壤含蓄的吸着水、薄膜水和毛管悬着水，相当于田

14、间持水量与凋萎含水量的差值。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。ERPWM 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。 EMWMWEttu(2) 消退系数K 消退系数综合反映流域蓄水量因流域蒸散发而减少的特性。 流域蒸散发取决于： 1）流域蒸散发能力EM； 2）流域供水条件，即流域蓄水量W、WM; 第t日的流域蒸发量：ttaWP,EMWMWEttWMEMK1 若第t日无雨，