1674.3流域产流分析工程水文学课件.ppt
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1、4.3 流域产流分析流域产流分析什么是产流:什么是产流:流域中各种径流成分的生成过程,其实质是降雨在下垫面(地面和包气带)运行过程中,下垫面对降雨的再分配过程。自然界有两种基本产流形式:蓄满产流超渗产流影响产流的主要因素影响产流的主要因素影响产流的主要因素影响产流的主要因素1 1)气象因素:)气象因素:降雨P降雨强度、历时和分布:直接影响产流。直接影响产流。蒸发E雨间蒸发:有效雨量减少;有效雨量减少;雨后蒸发:将影响到流域土壤蓄水量消退的快慢。4.3 流域产流分析流域产流分析4.3 流域产流分析流域产流分析影响产流的主要因素影响产流的主要因素影响产流的主要因素影响产流的主要因素2 2)下垫面因
2、素)下垫面因素流域土壤的性质和结构;植被率;坑洼状况;地下水埋深等4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.1 包气带对水分的再包气带对水分的再分配作用分配作用包气带是土壤颗粒、水分和空气同时存在的三相系统,它具有吸收、存储和传输水分的功能,因此对降雨具有调节和再分配的作用。包气带地面对降雨的再分配作用包气带土层对下渗水量的再分配作用4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.1 包气带对水分的再包气带对水分的再分配作用分配作用1.包气带地面对降雨的再分配作用包气带地面对降雨的再分配作用根据降雨强度i和地面下渗能力fp的大小关系,包气带地面把其所承受的降雨划分为下渗的水量I和地面径流RS两个部分
3、当ifp,则实际下渗率为fp,其余部分(i-fp)形成地面径流;当ifp,则全部降雨都渗入土壤中。其中:i-降雨强度 fp-某时刻地面的下渗能力4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.1 包气带对水分的再包气带对水分的再分配作用分配作用2.包气带土层对下渗水量的再分配作用包气带土层对下渗水量的再分配作用当(I-EWm-W0)时,表明降雨结束时包气带达到田间持水量,下渗水量中的I-E-(Wm-W0)在重力作用下成为重力水RG。因此:I=E+(Wm-W0)+RG当(I-EWm-W0)时,表明降雨结束时包气带含水量We未达到田间持水量,下渗水量全部被包气带土壤吸收,因此:I=E+(We-W0)其
4、中Wm为包气带蓄水容量,W0为降雨开始时包气带的起始蓄水量。4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.1 包气带对水分的再包气带对水分的再分配作用分配作用3.蓄满产流和超渗产流蓄满产流和超渗产流超渗产流:雨末包气带未达到田间持水量,仅当降雨强度大于下渗强度才产生地面径流的产流形式。根据水量平衡方程:P=E+(We-W0)+RS蓄满产流:雨末包气带达到田间持水量,下渗的雨量形成地面径流,超渗的雨量形成地面径流的产流形式。根据水量平衡方程:P=E+(Wm-W0)+RS+RG4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.1 包气带对水分的再包气带对水分的再分配作用分配作用判定标准为:1.雨末包气带是否达
5、到饱和2.是否产生重力水RG我国湿润地区,一般很容易在一次降雨中达到田间持水量,故产流方式以蓄满产流为主。我国干旱地区,一般没有可能在一次降雨中达到田间持水量,故产流方式以超渗产流为主。4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.1 包气带对水分的再包气带对水分的再分配作用分配作用产流方式对比分析产流方式对比分析编号编号对比分析内容对比分析内容蓄满产流蓄满产流超渗产流超渗产流1多年平均降雨量多年平均降雨量1000mm0.40.23流量过程线不对称系数流量过程线不对称系数大大小小4降雨强度降雨强度小小大大5影响产流因素影响产流因素初始土湿和降雨量初始土湿和降雨量 初始土湿和降雨强度初始土湿和降雨强
6、度6表层土质结构表层土质结构疏松,不易超渗疏松,不易超渗密实,易超渗密实,易超渗7缺水量缺水量小,易蓄满小,易蓄满大,不易蓄满大,不易蓄满8地下径流地下径流比例大比例大比例小比例小9产流与降雨特征的关系产流与降雨特征的关系与降雨量关系密切与降雨量关系密切 与降雨强度关系密切与降雨强度关系密切4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.1 包气带对水分的再包气带对水分的再分配作用分配作用在湿润地区,由于雨量充沛,地下水位较高,包气带通常不到几米,其下部经常保持在田间持水量,上部则因蒸发而缺水。汛期包气带上部缺水极易为一次降雨所蓄满。如果每次大雨后,流域平均蓄水量都能达Wm,则产流量可由降雨量Pe减
7、去降雨开始时的土壤缺水量(Wm-W0)求得。R=Pe-(Wm-W0)式中,Pe=P-E带带包包气气潜潜水水W0R=Pe-(Wm-W0)水水降降RP Pe eWm-W0当流域蓄水量达WM时的产流状态为全流域产流或称全全全全面面面面产产产产流流流流。但有时降雨量并不能使流域蓄水量达WM值。此时,由于包气带各处厚度不一致,各处土壤持水量大小不同,因而在局部地区也会产生径流,这种产流状态称之部部部部分分分分产产产产流流流流,然后逐步过渡到全面产流。4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.1 包气带对水分的再包气带对水分的再分配作用分配作用4 流域产流分析流域产流分析-4.3.1 包气带对水分的再分包
8、气带对水分的再分配作用配作用判断:哪个站是蓄满产流,哪个站是超渗产流?4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化在降雨过程中,流域上产生径流的区域称为产流区,其面积称为产流区域。单点产流情况流域产流情况4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化1.蓄满产流情况下产流面积的变化蓄满产流情况下产流面积的变化流域蓄水容量曲线:流域内各点包气带的蓄水容量Wm是不同的。流域蓄水容量曲线是表示蓄水容量与小于或等于该蓄水容量的累计面积同全流域面积的比值的对应关系曲线。4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化将全流域各
9、点的Wm从小到大排序,计算小于和等于某一值各点的面积之和FR占全流域面积的比重(=FR/F),即可绘出关系曲线。0 1C CWmm蓄水容量蓄水容量最大的点最大的点蓄水容量蓄水容量4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化流域蓄水容量曲线是一条单增曲线,可用函数表示:最小Wm:一般为0,也可以大于0。最大Wm:一般为有限值Wmm。流域最大蓄水量可用下式计算:蓄满产流情况下流域产流面积的变化情况分析P1-E1P2-E2P3-E3P4-E40 1231.0WmmWmP1P2P3P4Pt1.03210t降雨柱状图降雨柱状图产流面积变化产流面积变化4.3 流域产流分析流域产
10、流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化蓄满产流情况下产流面积的变化特点:随着降雨量的增加,产流面积也随之增加产流面积增加与降雨强度无关4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化2.超渗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下渗容量面积分布曲线:流域起始蓄水容量W0不同,流域各点的下渗能力fp也不同。将全流域各点的fp从小到大排序,以fp为纵坐标,计算小于和等于某一值各点的面积之和FR占全流域面积的比重(=FR/F)为横坐标,即可绘出关系曲线。4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化图 流域下渗容量面积分布曲线4
11、3 流域产流分析流域产流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化下渗容量分布曲线是一组以W0=0为上包线,W0=WM为下包线的曲线族。可用函数表示:4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化下图超渗产流情况下流域面积变化曲线。图中:p流域起始蓄水量变化:W0 W0+I1 W0+I1+I2p超渗产流面积曲线:不断向下移动4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.2产流面积的变化产流面积的变化超渗产流情况下产流面积的变化特点:随着降雨历时的增长,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。4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.3降雨径流关
12、系降雨径流关系对蓄满产流方式,根据流域蓄水容量曲线,可求出降雨径流曲线。4.3 流域产流分析流域产流分析-4.3.3降雨径流关系降雨径流关系降降雨雨径径流流关关系系曲曲线线的的形形态态取取决决于于流流域域蓄蓄水水容容量量曲线。曲线。P P相同时,相同时,WW0 0愈大,损失愈小,产流量愈大,损失愈小,产流量R R越大。越大。降降雨雨径径流流关关系系曲曲线线族族的的上上段段表表现现为为一一组组4545角角的的平行线。平行线。4.4 产流计算产流计算-4.4.1 降雨径流相关法降雨径流相关法降降雨雨径径流流相相关关法法:在成因分析与统计相关相结合的基础上,用每场降雨过程流域的面平均雨量和相应产流的
13、径流量,以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。影响降雨径流关系的主要因素有:前期影响雨量Pa或流域起始蓄水量W0降雨历时降雨强度暴雨中心位置4.4 产流计算产流计算-4.4.1 降雨径流相关法降雨径流相关法 1.PPaR三三变量相关图法变量相关图法以次降雨量P为纵坐标、次洪径流深R为横坐标,降雨开始时前期影响雨量Pa为参数建立起来的相关图。适应于湿润、半湿润地区。P Pa=0 20 40 60 80 100 mmRP 流域平均降雨量流域平均降雨量R 流域总径流量流域总径流量Pa 前期影响雨量前期影响雨量4504.4 产流计算产流计算-4.4.1 降雨径流相关法降雨径流相关法该
14、关系图应符合以下的规律:该关系图应符合以下的规律:P相同时,相同时,Pa愈大,损失愈小,则愈大,损失愈小,则R愈大。愈大。Pa相同时,相同时,P愈大,相对于愈大,相对于P损失愈小,损失愈小,径流系数愈大,径流系数愈大,则则R愈大,因此愈大,因此PR线的坡度随线的坡度随P的增大而减缓。的增大而减缓。在关系线的上段表现为一组平行线。在关系线的上段表现为一组平行线。Pa=0 20 40 60 80 100 Pe(mm)R(mm)R1 R2 R3 R4P4 P3P2 P1应应用用P Pe eP Pa aR R 相相关关图图可可以以推推出出各各时时段段径径流流量量。例例如如,某某次次降降雨雨前前P Pa
15、 a=58mm=58mm,共共降降雨雨4 4个个时时段段,各各时时段段雨雨量量分分别别为为P P1 1,P P2 2,P P3 3,P P4 4,则则在在P Pa a=58mm=58mm的的相相关关线线(红红线线)上上取取得得1 1,2 2,3 3,4 4等等点点,相相应应的的R R1 1,R R2 2,R R3 3,R R4 4 就就是是这这4 4个个时时段段的的径径流流量。量。利用利用P Pe eP Pa aR R 相关图查算时段径流量相关图查算时段径流量4.4 产流计算产流计算-4.4.1 降雨径流相关法降雨径流相关法2.(P+Pa)R 相关图相关图降雨径流相关关系也可以简化成降雨径流相
16、关关系也可以简化成R Rf f(P+PaP+Pa )的形式。的形式。必必须须指指出出,建建立立经经验验的的相相关关图图,必必须须有有足足够够的的实实测测资资料料,才能反映出不同降雨特性和流域特征的综合经验关系。才能反映出不同降雨特性和流域特征的综合经验关系。4.4 产流计算产流计算-4.4.1 降雨径流相关法降雨径流相关法4.4 产流计算产流计算-4.4.1 降雨径流相关法降雨径流相关法3.多变量降雨径流相关图多变量降雨径流相关图以W或Pa为参数的三变量相关图,一般只适用于我国湿润地区,对于干旱、半干旱地区,除考虑上述两个因素外,还要考虑降雨历时等更多变量的相关图。4.4 产流计算产流计算-4
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