第十章流域汇流ppt课件.ppt

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1、第十章 流域汇流,目 录,概述 流域汇流计算基础 流域汇流系统分析 线性分布式流域汇流模型 流域汇流的非线性处理,流域汇流过程：降雨在流域上的降水水滴，扣除损失后，从流域各处向流域出口断面汇集的过程即为流域汇流过程，它讨论流域出口断面洪水过程的形成原理和计算方法,第一节 概 述,一、流域汇流过程,不同径流成分由于汇集至流域出口断面所经历的时间不同，因此在出口断面洪水过程线的退水段上表现出不同的终止时刻,第一节 概 述,流域汇流时间：降雨在流域上的降水水滴汇集至流域出口断面所经历的时间。由于汇集到流域出口断面的具体条件不同，不同径流成分的流域汇流时间不一样地面水流域汇流时间：为地面水坡面汇流时间

2、与河网汇流时间之和。坡面汇流时间不长，大约只有几十分钟。河网汇流比河道洪水波运动复杂很多，坡面水流是沿着河道两侧汇入河网的，河网汇流是一种具有旁侧入流的河道洪水波运动。河网中的流速通常比坡面水流流速大得多，但河网的长度很长，因此，河网汇流时间远大于坡面汇流时间,二、流域汇流时间,第一节 概 述,地下水流域汇流时间：时间比地面大很多,地下水径流为77，其汇流时间为20.5h，地面水径流为23%，其汇流时间为6.5h，地下水为地面水的3.2倍,第一节 概 述,隶溪流域，166km2，南方山区，植被好，土层浅薄，基岩透水性差，地下径流以壤中水径流为主。壤中水径流10天流出，一年中首尾流量大体相同,第

3、一节 概 述,口头流域，155km2，北方山区，植被差，基岩出露地表，裂隙发达，地下径流以地下水径流为主。一次降雨形成的地下水径流需要10个月流出,第一节 概 述,流域汇流时间的确定：位于流域上不同地点的水滴，由于流速和汇流路径的不同，将具有不同的汇流时间。因此，采用什么物理量来反映流域汇流时间呢？一般使用最大汇流时间和平均汇流时间来描述最大流域汇流时间：流域中最长汇流路径的水滴与其平均速度的比值,平均流域汇流时间,第一节 概 述,汇流汇流滞时：流域净雨过程形心与相应出口断面径流过程形心之间的时间差,If 各点流速变化不大,第一节 概 述,第二节 流域汇流计算基础,一. 调蓄作用现象,流域汇流

4、计算基础：了解流域内净雨转化为出口断面流量过程的特征,流域调蓄作用：分析dt时段内净雨量和出流量的对比关系，如果净雨量大于出流量，则蓄水量增加，否则蓄水量减少，在洪水形成过程中所呈现出来的流域蓄水量增加或减少的现象,第二节 流域汇流计算基础,流域汇流中降水注入点有远近之分：即使水滴具有的速度相同，同一时刻流入的净雨量也不可能同时流出流域，那些距离较远的雨滴将留在流域中，引起时段内蓄水量的变化，导致洪水过程线的推移和坦化流域上水滴速度的分布是不均匀的,二. 调蓄作用物理原因,第二节 流域汇流计算基础,由于流域调蓄作用的存在，时刻（例如8点）的净雨不可能全部在同一时刻流达出口断面，只有那些流达时间

5、为t-（流达时间为2小时）的净雨才对t时刻（例如10点）的流量有贡献，成为t时刻出流量的一部分,流量出口断面流量的组成,能在t时刻到达流域出口断面的净雨滴占有的面积,第二节 流域汇流计算基础,因为所有从0到t 时刻（10点）的净雨均可能对t时刻（10点）的出流有一定程度的贡献，只要其汇流时间满足要求即可，因为有些雨滴其汇流时间很短，有些很长，但一定在0到t时间内,第二节 流域汇流计算基础,流域水量平衡方程,二. 流域蓄泄关系,i(t)已知，而Q(t)，s(t)未知,第二节 流域汇流计算基础,流域蓄量不仅与入流和出流有关，还与它们的各阶导数有关,周文德认为：如果降雨随时间保持不变，则出流先是随时

6、间渐增，当达到平衡后，就处于稳定状态。即,且I 和Q对时间t的各阶导数必为零。因此，流域达到平衡后，可认为流域蓄量与稳定状态时的入流和出流成正比，即,第二节 流域汇流计算基础,平衡状态展开成泰勒级数,式中,第二节 流域汇流计算基础,如果忽略二次以上的项，并考虑到下式为各个稳定状态时对时间的导数，全为零,令,第二节 流域汇流计算基础,线性水库型的流域调蓄方程,流域蓄泄方程的一般形式为,第二节 流域汇流计算基础,蓄量S(t)与包括河网蓄量Sr,湖泊水库和洼地蓄量Sl，坡面滞蓄量Sp和地下蓄量Sg,坡地和湖泊蓄量不大,河网和地下水蓄量大,第二节 流域汇流计算基础,面积时间曲线：以等流时面积为纵坐标，

7、以其中水滴到达出口断面的时间为横坐标，构成的曲线,等流时面积,三. 面积时间曲线,第二节 流域汇流计算基础,时刻净雨对t时刻出流有贡献的等流时面积,第二节 流域汇流计算基础,流域形状为矩形，面积时间曲线为水平线,第二节 流域汇流计算基础,流域形状为扇形，面积时间曲线为单一峰曲线,第二节 流域汇流计算基础,流域形状不为矩形，面积时间曲线为双峰线,第二节 流域汇流计算基础,第三节 流域汇流系统分析,系统输入,系统作用,系统输出,流域出口断面的流量过程称为流域对净雨过程的响应，简称为流域响应。流域响应Q(t)与净雨输入I(t)之间的关系为,一. 系统概念与流域汇流系统,1. 系统概念,流域的调蓄作用

8、可用流域水量平衡方程式和流域蓄泄方程联立求解得到,2. 系统描述,第三节 流域汇流系统分析,系数a和b中只要有一个为I和Q的函数，为非线性汇流系统 如果所有的系数均为常数，则为线性时不变汇流系统；如果至少有一个系数是时间t的函数，则为线性时变汇流系统,第三节 流域汇流系统分析,倍比性,叠加性,满足倍比性和叠加性原理的流域汇流系统称为线性流域汇流系统，否则为非线性流域汇流系统 在线性流域汇流系统中，如果系统输入和系统响应之间运算关系的算符 中包含的参数均为常数，则为线性时不变流域汇流系统，否则，为线性时变流域汇流系统,第三节 流域汇流系统分析,集总流域汇流系统：当把流域作为一个整体采取同一组系数

9、进行汇流计算流域按一定要求划分为若干块(称为子系统)，进行汇流分析计算时各块的输入不同或参数不同，最后按一定方式汇总得到流域汇流过程，即为分散型流域汇流系统,第三节 流域汇流系统分析,1. 单位线的定义和基本假定,定 义,在给定的流域上,单位时段内均匀降落单位深度的地面净雨，在流域出口断面形成的地面径流过程线，称为单位线。单位净雨一般取10mm,单位时段可取1、3、6、12、24h等,依流域大小而定,二、单位线法,第三节 流域汇流系统分析,假 定,倍比假定：如果单位时段内的净雨不是一个单位而是k个单位,则形成的流量过程是单位线纵标的k倍,第三节 流域汇流系统分析,假 定,叠加假定：如果净雨不是

10、一个时段而是m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叠加,第三节 流域汇流系统分析,推流公式,无因次化,式中，Qd,t为流域出口断面各时刻流量值，m3/s；rd,i为各时段净雨量，mm；qt-i+1为单位线各时刻纵坐标，m3/s；t=m+n-1为流域出口断面流量过程线时段数；m为净雨时段数；n为单位线时段数,第三节 流域汇流系统分析,在近代水文学中常用系统分析的观点来研究流域汇流。就是把流域看成是一个“系统”，这个系统的输入是净雨过程h(t)，输出是出口断面的流量过程Q(t)，由净雨转化为径流就是流域汇流的作用， 即系统转换作用。按照前面两个假定，流域是个线性系统，即各

11、个输入之间以及它们产生的各个输出之间互不干扰 。符合倍比和叠加的原理。如果系统的输入为一个单位，即一个单位时间内具有一个单位的量、这种输入所形成的输出过程，就是单位线 作为系统的流域，内情甚为复杂，一时弄不清楚，故称为黑箱子”。在寻求单位线时，只抓住因与果进行分析，不深究其中间的汇流过程，即只利用时段净雨和对应的径流过程反演单位线，而并不注重它的物理概念，这种分析方法称黑箱”分析法。由此求得的单位线就是用来进行汇流计算的“黑箱”模型,“黑箱子“模型,第三节 流域汇流系统分析,2. 推求单位线的方法,推求单位线的原则,误差最小。由UH推得出流与实测出流间误差最小。单位线常采用试错法，根据实测资料

12、先采用一定方法分析出一条初始单位线，然后根据分析原则进行合理性分析或再修正UH合理性。单位线要符合汇流曲线的特征，如坐标非负性，总量为1单位，过程无跳动等,第三节 流域汇流系统分析,资料准备,确定计算时间长度t。常与流域大小成正比t起迄时间的选定。按照两个要求：一是时段内雨强尽量均匀，不使主要产流时段的雨强因人为分段而破坏；二是要控制峰形，使洪峰和过程控制点尽量摘到净雨修正。分析UH应符合水量平衡原理，次洪过程由流量过程而得的实测直接径流总量应与由降雨算得的直接径流总量相等,第三节 流域汇流系统分析,单位线推求的方法也有多种，如分析法、图解法、最小二乘法，以及试错法等，常用分析法或试错法,选择

13、资料确定单位时段求地面径流过程求地面净雨过程由已知的地面净雨过程和地面径流过程推求单位线,推求单位线的基本步骤,推求单位线的方法,第三节 流域汇流系统分析,分析法,设出口断面的地面流量过程为Q1,Q2,Qk,流域的净雨过程为r1,由推流公式构成一个以q1,q2,qm为未知数的线性代数方程组,解之即可得单位线,第三节 流域汇流系统分析,分析法,注意：仅一个时段净雨的雨洪资料较少见，经常遇到的是有几个时段净雨的雨洪资料。这时，必须首先将地面径流过程划分为由各个时段净雨分别形成的部分径流过程，然后再由部分径流过程求出单位线,设出口断面的地面流量过程为Q1,Q2,Qk,流域的净雨过程为R1,R2,Rm

14、,由推流公式构成一个以q1,q2,qm为未知数的线性代数方程组,第三节 流域汇流系统分析,由于流域汇流并非严格遵循倍比和叠加假定,实测资料及推算的净雨量也具有一定的误差,所以,分析法求出的单位线纵标有时会呈现锯齿状,甚至出现负值。因此必须对单位线进行修正,对单位线作光滑修正单位线的总量必须为10mm单位线的历时n=k-m+1,分析法,第三节 流域汇流系统分析,4. 单位线时段转换,进行单位线方案的综合或地区综合时，有时需将不同时段长的单位线转换成同一时段长，就是单位线的时段转换问题 单位净雨产生的直接径流过程为单位线，如单位净雨不断延续，则其出流过程为错开单位时段的各单位线之和，当降雨时段充分

15、长后，出流量便达到稳定状态，不再增加，出流曲线称为S曲线,第三节 流域汇流系统分析,5. 单位线分析,单位线由实测资料反推出来，反映了影响流域汇流的各种因素，如洪水过程中的流速变化，河槽调蓄作用等。若各次洪水推得的单位线变化不大，取平均后用于预报，认为基本上符合单位线线性时不变的假定 单位线是流域汇流曲线，反映汇流面积的变化，组成某一qi的汇流面积在流域上是分散的，而流域汇流与其自然条件、河网水力条件相关，往往变化很大，而且随时间变化，实际汇流曲线也应该时变的，与单位线不变的假定相矛盾,第三节 流域汇流系统分析,理论原因,净雨在面上分布均匀时，单位线随净雨强度的影响,第三节 流域汇流系统分析,

16、理论原因,净雨在面上分布均匀时，单位线随净雨分布有关,由于单位线法将流域看成整体或称集总入流，不能考虑面上降雨不均情况，但实际降雨往往是不均匀的，流域各处汇入河网的水量多寡不等，形成的单位线各不相同,净雨在面上分布不均。产流面积越小，单位线峰值越高暴雨走向。暴雨中心的轨迹线就是暴雨走向，但流域较大时，对汇流影响比较明显。如暴雨走向由上向下时，由于中、下游水量相继加入，洪峰流量迅速增大，单位线qm必然很大,第三节 流域汇流系统分析,净雨在面上分布均匀时，单位线随净雨分布的影响,第三节 流域汇流系统分析,操作原因,单位线由直接径流分析而得，但直接径流是由实测流量经认为分割得出，分割虽有一定方法可循

17、，但人为因素也不少。若分割地下水少了，会使直接径流中包含地下水成分，而地下水出流缓慢，使单位线比真正直接径流推求出的单位线的过程迟缓。由于分割不当而得出的直接径流中地下水成分越大，单位线也越平缓。如不分割地下水而用总径流分析单位线，由于不同的洪水中地下水多寡不同，水源比例也不同，单位线的差异很明显,第三节 流域汇流系统分析,如果各条单位线相差不多，则可综合成一条平均单位线。具体方法是先算出平均峰值及峰现时间，确定峰点位置，然后根据多数单位线的外形，初绘光滑的平均单位线，最后修正使其总量为单位净雨深,6 . 单位线的综合,第三节 流域汇流系统分析,1. 瞬时单位线的定义和假定,瞬时单位线是指流域

18、上均匀分布的瞬时刻( )的单位净雨在出口断面处形成的地面径流过程线。其纵标常以u(0，t)或u(t)表示。瞬时单位线和时间轴所包围的面积为1，即,假设,经验单位线的两个基本假定完全适用于瞬时单位线，即瞬时单位线也属线性汇流模型。所不同的是，前者取单位时段，亦称时段单位线；用图表表示，有因次，时段长短不同，单位线也就不同，所以概括性不强。后者所取时段为无限小；可用数学方程表示；无因次，概括性强,定义,三、瞬时单位线法,第三节 流域汇流系统分析,2、瞬时入流与出流过程,IHU 的瞬时入流，取为脉冲函数(t),注：,第三节 流域汇流系统分析,2. 瞬时入流与出流过程,出流为IHU ，具有单峰形,注：

19、,第三节 流域汇流系统分析,设想一个不透水流域，其出口处有一储水器，当一单位瞬时脉冲净雨作用于该流域后，在储水器中就可以观察到水位的连续变化，可得到一条储水器蓄水量随时间的增长曲线，为S型曲线,第三节 线性流域汇流系统分析,系统传递函数,其中,第三节 线性流域汇流系统分析,基本假定：由降雨产生的出口断面洪水过程是流域净雨过程h(t)经流域调节的产物，而流域对净雨过程的调节作用，又可假定为是由n个相同的串联着的线性水库对入流的调节作用。出口断面的流量过程是由净雨经过n个线性水库对入流的调节作用。这里线性水库是指水库的蓄量W与泄流量Q之间为线性函数关系即W=KQ,3. IUH的推导,第三节 流域汇

20、流系统分析,瞬时单位线的数学方程,若经过n个水库的调蓄，出口断面的流量过程为,按瞬时单位线定义，当入流h(t)为瞬时的单位净雨量(一个脉冲净雨)，Q(t)即为瞬时单位线。应用脉冲函数及拉普拉斯变换得出瞬时单位线的基本公式为,关键：决定瞬时单位线的参数只有n、k两个。 n、k是反映流域汇流特性的参数，n为调节次数， n越大，流域调节作用越强；n越小，则反之。k值是表示经过一次调蓄后输入与输出的洪峰流量的时间差，即滞时。整个流域的调蓄作用所造成的流域滞时为nk,第三节 流域汇流系统分析,参数n、K对瞬时单位线形状的影响,当n、K减小时,u(0,t)的洪峰增高,峰现时间提前;而当n、K增大时,u(0

21、,t)的峰降低,峰现时间推后,第三节 流域汇流系统分析,4. 瞬时单位线转换为时段单位线,问题的提出：瞬时单位线是由瞬时净雨产生，而实际应用时无法提供瞬时净雨，故必须将瞬时单位线转换成净雨深为10mm的时段单位线才能使用。转换的方法采用s曲线法,S曲线定义,S曲线定义：流域上保持一个强度恒为10mm/t的净雨，在流域出口形成的地面径流过程线S（t），其形状很像英文字母S，故称S曲线实质：S(t)曲线实际上就是单位线纵标沿时程的累积曲线,第三节 流域汇流系统分析,S曲线的公式,时段单位线u（,t）,时段单位线为汇流系数,第三节 流域汇流系统分析,S曲线的性质,两条S曲线的纵坐标差S(t)-S(t

22、-T)的含义: 代表T时段内强度为10/t的净雨所形成的流量过程线T时段内10mm单位雨量形成的流量过程线？即T时段的单位线是多少？,第三节 流域汇流系统分析,无因次时段单位线, 它代表t内流域上净雨强度为产生的水量(t1)在出口断面形成的流量过程线,无因次时段单位线,第三节 流域汇流系统分析,5. 参数n，k推求,矩法,第三节 流域汇流系统分析,6. 计算实例,第三节 流域汇流系统分析,6. 计算实例,第三节 流域汇流系统分析,7. 讨 论,优点：用数学公式拟合了单位线，比Sherman单位线前进了一步，其参数n，k可用严格的矩法求解，可解决短缺资料地区的汇流计算缺点：瞬时单位线将流量看做为

23、一系列串联线性水库的调蓄作用，流域净雨rd均从第一个水库入流，这与其物理概念并不相符。瞬时单位线模型只是一种假设的数学模拟方法，是一种具有函数形式的经验配线方法，依然存在汇流曲线时变的问题,第三节 流域汇流系统分析,1. 原理,等流时线法以径流成因公式为基础，认为出口流量的组成由能同时流达出口断面的等流时面积上的水量组成，方法假定汇流速度C为常数，由河长换算成汇流历时，认为离出口距离相同的地点具有相同的汇流历时，可作出等流时线,离散化,四、等流时线法,第三节 流域汇流系统分析,第三节 流域汇流系统分析,3. 讨 论,由于汇流速度不随时间变化，没有考虑河网调蓄作用，出流过程决定于等流时面积分配。

24、如果计算过程有系统偏差，在涨洪段偏大，落洪段偏小。单位线法由实际洪水推出，反映了洪水过程中汇流速度的变化,第三节 流域汇流系统分析,流速C不变，可以此为基础作出等流时线，但实际上同一等流时线上的水质点由于断面流速不均和河网干扰及调蓄作用，不会同时到达出口断面。同样，组成出口断面t时的流量的等流时面积是存在的，但并非等流时线间面积，而是散步面积，在流域面积上并不固定，随时变动,3. 讨 论,第三节 流域汇流系统分析,思路：首先按照面积时间曲线调蓄，然后再按单一线性水库调蓄，两者串连而成,五. 克拉克模型,第三节 流域汇流系统分析,当流域为矩形时：面积-时间曲线,Clark瞬时单位线,第三节 流域

25、汇流系统分析,集总式流域汇流模型只适用于流域上下垫面条件均匀和净雨空间分布均匀的情况，而实际流域下垫面条件和降雨空间分布都存在不均匀性,即使流域下垫面条件均匀，流域平均降雨量相同的两场暴雨也由于降雨量空间分布不同，必然会形成两次形状有差别的出口断面流量过程线,一. 概 述,第四节 线性分散式流域汇流模型,集总式流域汇流模型中未考虑水源比重对流域汇流的影响，实际即使总量相等的情况下，因地表、壤中、地下径流成分的比重不同，出口断面的流量过程也不同,同一流域，降雨强度越大，地面径流的比重就越大，因此形成的流域出口断面流量过程线就尖瘦集中，峰现时间较早,第四节 线性分散式流域汇流模型,集总式流域汇流模

26、型中未考虑水源比重对流域汇流的影响，实际即使总量相等的情况下，因地表、壤中、地下径流成分的比重不同，出口断面的流量过程也不同,易透水的流域，地面径流的比重就比较小，因此形成的出口断面流量过程线就较为矮胖些,第四节 线性分散式流域汇流模型,将流域划分为若干个子流域或单元面积，则就能处理降雨空间分布不均匀和下垫面条件差异对流域汇流的影响。子流域或单元面积越小，考虑这些因素对流域汇流的影响就越精确。但要考虑不同径流成分的比重对流域汇流的影响，还必须在分析每个子流域或单元面积的汇流时，划分不同径流的成分划分子流域或单元面积，以考虑降雨空间不均和下垫面特征差异对流域汇流的影响，按流域自然分水线划分，采用

27、泰森多边形法划分，或采用等流时线法划分划分不同径流成分以考虑不同径流成分的流域汇流的差别,二. 分布式结构,第四节 线性分散式流域汇流模型,对其中某个子流域，如子流域1,A,将子流域1出口断面流量过程经河道洪水演算至总流域出口断面A,三、改进的克拉克模型,进入线性水库入流,第四节 线性分散式流域汇流模型,四、 Dooge 模型,第四节 线性分散式流域汇流模型,四、 Dooge 模型,第j时段净雨形成的出流过程,一次雨洪m个时段净雨，流域出口断面的总流量由各个时段净雨形成流域出流叠加形成,第四节 线性分散式流域汇流模型,一个流域可以按照自然分水线分成若干个嵌套的小流域，令小流域即为子流域，用河网

28、将这些子流域按流向依次连接起来。每个子流域的汇流计算按不同径流成分分别进行，而子流域出流过程对总的流域出口断面流量过程线的贡献按河网汇流计算确定。由于这种模型既用到流域汇流计算方法，又用到洪水演算方法，称为“河流流域”模型。用这种模型考虑降雨空间分布和不同径流成分比重对流域汇流的影响，概念明确，计算方法灵活,五、流域降雨径流模型,第四节 线性分散式流域汇流模型,第四节 线性分散式流域汇流模型,新安江模型是一个具有分散参数的概念性模型，它将流域划分成若干（N）单元面积，分别计算各个单元面积上降雨在流域出口产生的出流过程，N个出流过程线叠加，可得流域总出流过程,1、新安江模型,新安江模型总体结构,第四节 线性分散式流域汇流模型,划分单元面积和选择代表性流域,第四节 线性分散式流域汇流模型,划分单元面积和选择代表性流域,第四节 线性分散式流域汇流模型,三水源模型流程图,二水源模型流程图,