水库调度自动化：第六章 流域产汇流理论与模拟技术

1、第五章流域产汇流分析第一节 概述一. 流域产汇流计算基本内容 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，转化为净雨的计算称为产流计算。 汇流计算：净雨沿着地面和地下汇入河网，并经河网汇流形成流域出口的径流过程的计算称之为汇流计算。二. 流域产汇流计算基本流程和思路 产流与汇流之间的联系可简明地表示成图5.1所示的流程图。 图5.1基本思路: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，则由实际暴雨预报洪水。 第二节 降雨径流要素计算流域降雨分析（一）单站降雨特性分析

2、（点降雨特性） 点降水量（point rainfall） 由于雨量观测站观测到的降雨量仅代表其周围 小范围内的降水量，故称为点降水量。 点降雨量用以下几个特征值描述： 降雨量（Rainfall volume ）为一定时段内降落到地面上的总雨(mm=mm3/mm2)； 降雨历时（Rainfall volume）一次降雨所经历的时间(day或h)； 降雨强度（Rainfall intensity)为单位时间内的降雨量(mm/min或mm/h)； 降雨面积（(Rainfall area)指降雨笼罩的水平面上的面积，其反映雨区的大小； 降雨中心（Rainfall center)指降雨面积上降雨量最为集

3、中且范围较小的局部地(区)点。降雨量在时间上的变化特性的图形表示 降雨强度过程线（Rainfall process）表示降雨强度随时间的变化过程，表示方法如下： 降雨强度过程线（降雨量过程线） 注：其纵坐标（左）为时段内降雨量（实际为降雨强度）， 横坐标为时序，通常以直方图或曲线表示。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t（h）累积降雨过程线(Accumulation rainfall mass curve)注：其横坐标为时序；纵坐标为降雨开始到各时刻的降雨量的累积值。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t（h） 降水强度

4、历时曲线：(Rainfall intensity-duration curve)说明： 根据一场降雨过程的记录统计其不 同历时内最大平均 降雨强度，以其为 纵坐标，以历时为 横坐标，由大至小绘成的变化曲线。它的变化规律是雨强与历时长短成反比。时间（h）降雨强度过程线（二）流域降雨量的计算面平均降水量 (Areal mean Rainfall)实际生产上水文工作多以流域作为研究对象，面降雨量多指流域平均雨量 ，通常称为面平均雨量。一般由已知的各点雨量来推求面雨量。由点雨量估算面雨量的常用方法： 算术平均法：式中:p i各雨量站同时期的降雨量(mm)n 测站数流域平均降雨量P 流域平均降雨量 该法

5、适用于流域内地形起伏不大，雨量站分布较均匀的情况泰森多边形法示意图 等值线法的优点：求流域平均降水量精度较高，适合于地形变化显著的流域；能反映出降雨量在空间的实际分布情况。 等直线法的不足：绘制等雨量线需较多站点雨量资料；不同时段的等值线图需重绘，工作量大。（三）面降雨量特性分析求面平均雨深面积关系示意图说明：该曲线表示不同累计面积上相应最大平均雨深，其规律是：面积越大，平均雨深越小。二.径流量计算（一）降雨场次划分降雨场次的划分一定要与洪水场次的划分相对应。如图5.10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

6、。 图5.10（二）洪水场次划分及径流过程线分析1.洪水场次划分洪水场次划分是指，将非本次降雨产生形成的径流分割出去。如图5.11，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。2.径流过程线的分析2.径流过程线的分析（3）方法一：水平线分割法:适用情况：对地下径流小，洪水历时短的流域 ac地面地下径流分割线（2）地面地下径流划分方法二：斜线分割法地下径流比重大，洪水持续时间长的流域方法三：经验公式N洪峰流量时刻到直 接径流终止点的时间F流域面积（3）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

7、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。 三.流域蓄水量与前期影响雨量1.反映全流域前期土壤湿润状况的指标雨前流域的蓄水量W0（应用水量平衡法计算）流域出口径流过程线的起涨点相应的流量（起涨流量Q)前期影响雨量Pa【算例】 已知：Wm=100mm，k=0.96，6月1日至6月12日的流域平均降雨系列。第三节 流域产流分析一.包气带对降雨的再分配作用(Redistribution of rainfall by unsaturated zone)(1) 包气带对降雨的再分配作用：已知：降雨强度为i ; 土壤的下渗能力（容量）为fp若i fp ，则实际的下渗率为

8、f = fp 则在某时段T内降雨形成的地表径流量（超渗雨）为 若i fp ，则实际的下渗率为f =i，Rs=0t=t0t1，二.蓄满产流和超渗产流 （1） （2）由（1）式代入（2）式得： （3） （1） （2） （3） 第四节 蓄满产流的产流计算一.流域蓄水容量（面积分布）曲线 二.bafeg则有：流域蓄水曲线用B次抛物线表示后：流域蓄水容量WM为：前次降雨a由下式求出：起始蓄水量W0（1）（2）将（1）式代入(2)式整理得当 时，局部产流量当 时，（3）（4）流域蒸散发量的确定一层模型： 假定流域蒸散发量与流域蓄水量成正比，则有：时段内流域的蒸散发能力含水量W三层蒸散发量计算公式含水量W

9、Wdm深层 当 即 当 即 当 当 三.地面地下径流的划分Partition of total runoff分析：总径流量R的划分指区分地表径流Rs和地下径流Rg。在蓄满产流的模式中，只有当产流面积上的土层的含水量达田间持水量Wm时，才会产生径流量R。由于此时土层的含水量很高，故可认为入渗率达到稳定入渗率fc ，因此，进入土层的降雨以稳定入渗率fc 的速度形成地下径流。 可见，地下径流量取决于产流面积大小(=f /F )、降雨强度i 与稳定入渗率fc 的相对关系。地面径流 (1) (2)推求流域的稳定下渗率 若已知流域一场降雨各时段t的径流R和地下径流Rg，则可由（2）式推求该场雨的稳定下渗率

10、fc，常用试算的方法求出。 试算方法为：假定一个fc带入（2）式，计算出一个Rg，与给定Rg值比较。 实际工作中，常常会遇到各场洪水的fc 变化较大，这主要是流域降雨很不均匀和出现时间不一致造成的。 例， P88 4-3第五节 超渗产流的分析与计算 用实测的雨强过程it,扣除下渗过程fp他，即可得产流量过程Rt。 一.下渗曲线法二.初损后损法计算地面净雨过程（一）基本原理将下渗损失过程简化为初损和后损两个阶段初损：产流前降雨量全部损失I0（if），包括植物截流、填 洼等，历时t0后损：产流后的损失， 为平均下渗能力。 产流历时 tR内if，取f= ，地面净雨强度为i- ，产生地面净雨深Rs i

11、f ，Rs=0，按i下渗由水量平衡原理得： I0初损；t0初损历时； ts产流历时； 后损中的非超渗雨。 二C）应用 根据降雨前的流域起始蓄水量W0，降雨强度过程查相关图得I0三 平均后损率的确定a).由实测资料分析确定 实测降雨洪水的P、RS、I0已知，结合其降雨过程，即可试算得相应的b).建立 相关图法第六节 流域汇流理论与计算原理一、基本概念1、研究流域上地面径流、表层流和地下径流如何汇集为出口断面的流量过程。2、水流向出口断面汇流过程中具有下列特点：各产流点水体向河网的补给是不同步和不均匀的各点水体到出口断面的传播时间不同各点水流沿程所受河网调蓄作用不同流域汇流是高阻尼系统，具有高度衰

12、减性。二、汇流系统概念和分析方法1、研究汇流时，常概化为一维线性时不变集总系统第六章 流域产汇流理论与模拟技术 净雨量过程，为已知U(t)数学中称核函数系统分析中为脉冲响应函数水文中为汇流曲线二、汇流系统概念和分析方法2、分析方法-单位线法定义：P63分类：两个基本假定 3、原型单位线（例）第六章 流域产汇流理论与模拟技术 第七节 河道洪水演进与预报河道流量演算是在圣维南方程组简化的基础上，利用上断面流量过程演算下断面的流量过程。相应水位（流量）法流量演算法第六章 流域产汇流理论与模拟技术 第七节 河道洪水演进与预报一、流量演算法基本原理1、天然河道中洪水波运动属于非恒定流，其水力要素随时间、空间而变化。最早描述非恒定流的基本方程为圣维南方程组，即 一阶双曲型拟线性偏微分方程组