工程水文学第3章流域产流与汇流计算
工程水文学
工程水文学
《工程水文学》考试范围参照书目
第 2 章流域径流形成过程；河流与流域；降水、下渗、蒸发散、径流观点。
第 3 章水文信息收集与办理；测站与站网；降水观察、水位观察、流量测试泥
沙测试及计算；
第 4 章流域产流与汇流计算；流域降雨径流因素计算；蓄满产流计算；流域汇
流计算；河流汇流计算。
第 5 章水文预告；短期洪水预告；水文预告精度评定
第 6 章水文频次计算；有关剖析
第 7 章设计年径流剖析及径流随机模拟；拥有长久实测径流资料时设计年径流计算；拥有短期实测径流资料时设计年径流计算；缺少实测径流资料时设计年径流计算；设计枯水径流量剖析计算
第 8 章由流量资料推求设计洪水。
洪水资料的剖析办理；设计洪峰流量及洪量
的推求；设计洪水过程线的制定；设计洪水的地域构成；
第 9 章由暴雨资料推求设计洪水。
设计面暴雨量；设计暴雨时空分派的计算；
可能最大降水计算；由设计暴雨推求设计洪水；小流域设计洪水的计算。
参照书目：《工程水文学》（第四版）主编：詹道江、徐朝阳、陈元芳，中国水利水电第一版社， 2010
1 / 1。
工程水文及水利计算
小 结
3、次洪水的分割方法 、 退水曲线法 4、水源的划分方法 、 直线法、 直线法、斜线法 5、前期影响雨量 a的计算方法 、前期影响雨量P 逐日递推法（掌握）、经验公式法（了解） ）、经验公式法 逐日递推法（掌握）、经验公式法（了解）
3、设计暴雨时程分配的计算
（1）有实测资料情况下典型暴雨过程的选择原则 （2）设计暴雨时程分配计算方法——同频率放大法 设计暴雨时程分配计算方法——同频率放大法 ——
4、由设计暴雨推求设计洪水
经验法、扩展暴雨过程法、同频率法） （1）设计Pa的计算方法（经验法、扩展暴雨过程法、同频率法） 设计
（2）产、汇流方案的应用（外延问题、移用问题） 汇流方案的应用（外延问题、移用问题）
小 结
由流量资料推求设计洪水就是对年最大流量及各种历时的年最 大洪量作频率分析，并按典型放大法求出某一重现期的作为设 大洪量作频率分析， 计依据的洪水流量过程线。 计依据的洪水流量过程线。
小 结
1、设计洪水过程线的推求
典型洪水过程线的选取原则 同频率放大法、 同频率放大法、以及与同倍比放大法的区别
2、分期设计洪水
分期设计洪水的概念 分期设计洪水的分期划分 分期设计洪水的计算方法
小 结
1、 概述 设计洪水、设计洪水三要素、校核洪水、 设计洪水、设计洪水三要素、校核洪水、水利水电工程枢纽的等级划 分 2、设计洪峰流量及设计洪水总量的推求
本章的主要内容为： 本章的主要内容为： 洪水资料的选样，包括洪峰及洪量的选样。 1. 洪水资料的选样，包括洪峰及洪量的选样。要掌握各种历时的洪 量选样和计算方法。 量选样和计算方法。 特大洪水处理：什么是不连序样本？ 2. 特大洪水处理：什么是不连序样本？不连序样本的经验频率如何 计算？用矩法确定不连序样本的统计参数，只是初步估算， 计算？用矩法确定不连序样本的统计参数，只是初步估算，仍要在适 线中调整C 甚至可调整均值。 线中调整 v和Cs，甚至可调整均值。 求设计洪水过程线，重点是同频率放大法。 3. 求设计洪水过程线，重点是同频率放大法。 资料的“三性审查” 成果的“合理性分析” 4. 资料的“三性审查”，成果的“合理性分析”，都是水文学的重 要内容，它们贯穿于各章之中，应加以重视，反复体会。 要内容，它们贯穿于各章之中，应加以重视，反复体会。
第3章_流域汇流计算
（3）分析推求单位线 —分析法 4.5 流域汇流计算
【例】单位线推求（F = 8080km2）
q1 Q1
地表 地面 单位线 q NO 日 时 径流 净雨 3 3 （m /s） （mm） （m /s） 80 1 5 0 120 15.0 200 2 12 340 5.0 560 3 6 0 940 420 4 12 910 280 5 7 0 630 180 6 12 410 106 8 8 0 250 42 9 12 115 2 9 9 0 25 0 10 12 0 1870 合计 3740 20
流域汇流计算
【例】
时段 （h） (1)
0 3 6 9
等流时线法计算表
地面净雨 hS(mm) (2) 5
28 5 44 28 3 44 等流时 面积ω （km2） 部分流量（m3/s） h1=5mm h2=28mm h3=44mm h4=3mm
Qs (m3/s) (8)
0
(3) 58
120 58 130 120 115 130 82
单位线 3 q (m /s) (2) 0 430 630 400 270 180 118 70 40 16 0 净面深 h(mm) (3) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 h1=10 0 430 630 400 270 180 118 70 40 16 0 部分径流（m /s） h2=10 h3=10 h4=10 (4) 0 430 630 400 270 180 118 70 40 16 0
【 例 】 p88
单位线推流——4.5 ②各时段径流求和 流域汇流计算
单位线 时段1 时段2 时段3 总径流
月 日 (1) 8 31 时
hs
工程水文第3章课件
Q
Qt
Qt+△t 0
Qt t
Qt
e
t Kg
t
t +△t
t
地下水时段退水方程
第十五页，编辑于星期六：二点 五十分。
确定Kg的方法
方法1：根据地下水退水曲线上每隔△t
的流量值Q（t）、Q（t+△t），可算出
Kg
t ln Q(t) ln Q(t t)
取若干计算值的平均值作为流域的Kg。
第十六页，编辑于星期六：二点 五十分。
N
地表径流
B
A
地下径流
地表径流停止点
地下径流分割示意图
第二十一页，编辑于星期六：二点 五十分。
三、土壤含水量
土壤含水量是表示包气带土壤湿润程度的物 理量，土壤保持水分的最大量称为田间持水量。
田间持水量与凋萎含水量的差值称流域蓄水容 量（Wm ）。土壤含水量与前期降雨有密切关系，
可以用参数 前期影响雨量（Pa ）来反映。
已知 Pa = 58mm P ΣP ΣR R 50 50 18 18 30 80 38 20 25 105 63 25 25 130 88 25
18 38 63 88
R(mm)
第三十七页，编辑于星期六：二点 五十分。
3、简化的降雨径流相关图
降雨径流
关系也可采用
简化形式，以
Pe+Pa为纵坐标 ，R 为横坐标
第四十一页，编辑于星期六：二点 五十分。
A+Pe
R = Pe + W0 - Wm
△W =PWe m-W0
Wm
A
W0 0
R= Pe – △W流=域Pe蓄–(水W容m –量W曲0 ) 线
第四十二页，编辑于星期六：二点 五十分。
《工程水文学》复习提纲
《工程水文学》复习提纲一、流域径流形成过程（1）基本的水文学原理，如水文循环、区域与流域水量平衡、流域径流的形成过程。
（2）河流、流域、降水、下渗、蒸散发、径流等概念的认识和理解，理解并掌握相关物理量的计算方法和过程。
二、水文信息采集与处理（1）水位、流量、泥沙、水质等各种水文信息要素的观测；水文的调查方法；以及水文数据的处理方法和技术。
三、流域产流与汇流计算（1）流域产汇流计算基本资料的整理与分析，掌握流域降雨径流相关要素的计算。
（2）前期流域蓄水量及前期影响雨量的计算；初损后损法计算地面净雨过程。
（3）考核对单位线、瞬时单位线、时段单位线的理解；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；综合单位线法计算流域出口洪水过程。
四、水文预报（1）水文预报的原理、常用的预报方法以及对预报成果误差的修正方法。
五、水文统计（1）随机变量的概率分布和随机变量的统计参数,皮尔逊III型、经验频率曲线参数的初估方法，掌握矩法公式在水文随机变量推算中的应用；水文频率计算的适线法。
（2）相关系数、回归系数。
六、设计年径流分析（1）年径流和年输沙量的资料审查；年径流量的频率分析计算；年径流量的相关分析及插补延长。
（2）设计年径流量的推求、设计年径流的年内分配；具有长期实测径流资料时、具有短期实测径流资料时、缺乏实测径流资料时三种情况下设计年径流分析的方法和计算。
七、由流量资料推求设计洪水（1）洪峰、洪量样本系列的选样，资料的可靠性、一致性、代表性审查；特大洪水的处理。
（2）设计洪水等相关概念的理解，典型洪水的选择及放大方法，掌握设计洪峰流量、洪量和洪水过程线的推求方法。
八、由暴雨资料推求设计洪水（1）点雨量、面雨量、时段雨量等概念的认识和理解。
（2）暴雨资料的选样；不同资料情况下设计暴雨的计算。
（3）掌握由暴雨资料推求设计洪水的方法和步骤，推求设计洪水过程线。
工程水文学之流域产汇流计算
工程水文学之流域产汇流计算●降雨径流要素计算●流域降雨分析●单站降雨特性分析●降雨强度过程线●降雨强度～历时曲线●降雨量累计曲线●流域降雨特性分析●流域平均降雨量●算术平均法●垂直平分法/泰森多边形法●等雨量线法●时～面～深关系曲线●点～面关系曲线●径流量计算●径流过程线分析●流量过程的分割●非本次降雨的径流分割●水源的划分将本次降雨形成的地面、地下径流分割开●水平直线分割●斜直线分割●目估法●标准退水曲线法●径流量计算●流域的土壤含水量间接表示●前期影响雨量●前期影响雨量Pa的计算公式●流域的蓄水量●流域最大蓄水量WM和消退系数K●流域产流分析●包气带对降雨的再分配作用●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●产流机制●蓄满产流●超渗产流●产流面积的变化●蓄满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●降雨径流关系●产流计算●降雨径流相关法●蓄满产流的产流量计算●概述●蓄满产流的产流量计算●产流量计算公式●流域蓄水量计算●一层模型●二层模型●三层模型●产流过程（净雨过程）计算●地面地下径流（净雨）的划分●超渗产流的产流量计算●概述●下渗曲线法●超渗产流的产流量计算●应用fp~t和fp～W关系推求产流量●图解法●初损后损法●初损量I0的确定●平均后损率f的确定●产流量计算●流域汇流计算●流域出口断面流量的组成●单位线法●单位线的基本概念●倍比假定●叠加假定●单位线的推求●分析法●最小二乘法●单位线的时段转换●单位线的应用●单位线存在的问题及处理方法●洪水大小的影响●暴雨中心位置的影响●基本步骤●选择资料●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●瞬时单位线法●S曲线●等流时线法●地貌瞬时单位线法●地下径流汇流计算●线性水库法。
流域产流与汇流计算ppt课件
27
4.2 降雨径流影响要素计算
2、流域蒸发量的计算
流域蒸发能力：在当日气象条件下流域蒸发量的上限
Em称为流域蒸发能力，常采用下式推求 Em= βE水
式中，E水－水面蒸发观测值，mm; β －折算系数。
28
4.2 降雨径流影响要素计算
①一层蒸发模式 假定：流域蒸发量与土壤含水量成正比
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
5
15
25
35
45
55
65
75
85
95
105
115
125
135
145
Time (min)
降雨强度过程线
12
第二节 流域降雨径流要素计算
Cumulative Rainfall (in.)
10
9
8
7
6
5
4
3.07
8.2
3
30 min 5.56
2
1
1 hr
法推求流域平均降雨量。
P P1 f1 P2 f2
F
Pn f2
1 F
n i1
Pi fi
7
第二节 流域降雨径流要素计算
Station
P1 P2 P3 P4 P5
Observed Rainfall
mm
10 20 30 40 50
泰森多边形法
Area km2
Weighted Rainfall
mm. km2
17
第二节 流域降雨径流要素计算
退水曲线可用下式表示：
Q(t)Q(0)et/Kg
工程水文及水利计算-流域产汇流计算
RS2 产生的 Q2,I (m3/s)
Q20 = 0
Q12 = Q2 Q21
Q21
=
Q11
RS 2 RS1
Q13 = Q3 Q22
Q22
= Q12
RS 2 RS1
Q1-4=Q4-Q2-3
Q23
= Q13
RS 2 RS1
……
……
计算单位线 q (m3/s)
q0 = 0
q1
=
10 RS 1
如表8-6所示，由式（8-28）即可根据地下净雨 过程求得流域的地下径流过程
§8-7 单位线法计算流域出口洪水 过程
一. 单位线定义与基本假定 （一）定义：单位时段内、分布均匀的单位地面净雨，
在流域出口断面形成的地面径流过程，如图8-15。
·单位时段 t ： t =（1/3～1/2）tr， 常选 1，3，6，12，24h
（二）分解法：对多个时段净雨的洪水过程 总的地面径流过程分解为各净雨独立产生的地面
径流过程→按缩放法由某单位时段的地面径流过程求 单位线
以两个时段净雨的流量过程为例，方法步骤如下
1. 分割地下径流，求地面径流过程 Q ~ t 和地面径
流深
RS
=
Qi t F
2. 求地面净雨过程：RS1，RS2 如降雨径流相关图法，注意计算的各时段净雨之和
一定等于RS 3. 将地面径流过程分解为各时段净雨的地面径流过程
（ Q ~ t ）1、（ Q ~ t ）2：按假定一和假定二进 行，如下表
时间 t( t )
0 1
净雨 RS,I(mm)
RS1
Qi (m3/s)
Q0=0 Q1
2
RS2
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第三章流域产流与汇流计算
第一节概述 (2)
第二节降雨径流要素计算 (3)
第三节流域产流分析 (9)
第四节产流计算 (11)
第五节流域汇流计算 (22)
小结 (30)
课前学习指导
本章要求
（1）掌握实测降雨径流要素的分析计算方法；
（2）掌握蓄满产流和超渗产流的基本概念，及其产流面积变化过程的分析方法；
（3）了解影响流域产流量的因素，掌握蓄满产流和超渗产流的产流量计算方法；
（4）了解流域汇流的物理过程，掌握流域汇流计算方法。
课时安排
共需7个课内学时，10个课外学时
课前思考
如何由单站降雨量推求流域平均降雨量？
为什么要对实测流量过程线的不同水源成分进行划分？
降雨是怎么变成径流的？有哪些基本的产流方式？
哪些因素影响流域径流的形成？如何计算一场降雨所产生的径流量？
汇流计算的目的是什么？常用的汇流计算方法有哪些？
什么是单位线？如何推求单位线？如何进行单位线的时段转换？
学习重点
掌握流域产流计算和汇流计算的方法。
难点
将水文循环中蒸发、下渗、产流、汇流等过程联系起来，结合水量平衡原理实现产汇流过程的逐时段连续演算。
知识点
单站降雨特性分析
流域降雨特性分析
实测径流量计算
前期影响雨量
包气带对降水的再分配
蓄满产流和超渗产流
产流面积及其变化过程
降雨径流关系
蓄满产流的产流量计算
蒸散发计算
超渗产流的产流量计算
流域汇流过程、流域汇流时间、流域调蓄作用
单位线的基本概念、单位线的推求、单位线的时段转换
瞬时单位线的基本概念
地下径流汇流
第一节概述
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方法与思路
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
由流域降雨推求流域出口的流量过程，大体上分为两个步骤：
a、产流计算：降雨扣除植物截留、蒸发、下渗、填洼等各种损失之后，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，关于净雨的计算称为产流计算。
b、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流量过程，关于流域汇流过程的计算称为汇流计算。
计算流程如图3-1所示：
图3-1 产汇流计算流程简图
2 、流域产汇流计算的基本方法与思路
流域产汇流计算的方法很多，本课程主要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。
产流计算的方法因产流方式不同而异，分别阐述蓄满产流方式和超渗产流方式的产流计算方法；汇流计算方法重点阐述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，则由实际暴雨预报洪水。
第二节降雨径流要素计算
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
掌握一次实测降雨洪水过程的面平均雨量、总径流深、地面径流深、地下径流深和前期影响雨量的计算方法。
一、流域降雨分析
降雨资料是产流计算的输入。
降雨包括降雨量、降雨强度、降雨历时、降雨过程、降雨分布、笼罩面积及暴雨中心位置等。
1 、单站降雨特性分析
降雨强度过程线：降雨强度随时间的变化过程线。
降雨量累积曲线：自降雨开始起至各时刻降雨量的累积值随时间的变化过程线。
图 3-3 降雨量累积曲线
降雨强度～历时曲线：某场降雨最大平均雨强与历时的关系曲线。
图 3-4 降雨强度历时曲线
2 、流域降雨特性分析
a.流域平均降雨量的计算方法
算术平均法：适用于面积不大，地形起伏不大，站点较多且布设较均匀的流域。
计算简便。
泰森多边形法：适用于降雨分布不均，站点较少，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。
等雨量线法：适用于面积大、站点密的流域。
理论上较完善，但每次降雨都必须绘制等雨量线，并计算权重，工作量大。
泰森多边形作图步骤及计算公式
①连三角形
②作三角形各边的垂直平分线
③以交点连线及与流域边界相交的垂直平分线构成单元面积
④量出各单元面积，总面积ΣA=（A1+A2+A3+A4+A5+A6）
由此可得出各单元面积的权重
ωi=A i/ΣA
并进一步得到流域平均雨量=ωi P i
图 3-6 等雨量线法示意图
总面积ΣA=（A1+A2+A3+A4+A5+A6）
各子块权重ωi= A i/ΣA = Σωi P i
b.时～面～深曲线
在某种历时的等雨量线图上，最大平均雨深与面积的关系曲线称为面积～深度曲线。
对一场降雨分不同历时作面积～深度曲线，并绘于同一图上，称为时间～面积～深度曲线。
二、径流量计算
1 、流量过程的分割
观测到的次洪流量过程包括：本次洪水形成的地面径流、壤中流、地下径流，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，如果该次洪水尚未退完又遇降雨时，还会有后期洪水混入。
如图 3-7所示：
图 3-7 实测流量过程示意图（曲线下方数字为洪号）
流量过程的分割有两项工作：一是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。
二是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，包括地面径流、壤中流和地下径流。
一般将地面径流和壤中流合并为直接径流，通常仍称为地面径流，所以最终将径流总量划分成地面径流和地下径流。
流量过程分割的依据是地下水退水曲线。
a、地下水退水曲线的推求
绘制流域地下水退水曲线的具体步骤如下：
●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，最后作光滑下包线，就构成Qg～t线。
描述地下水退水规律的方程：
（3-1）
式中：Q t——t 时刻流量；
Q0——t=0 时的流量；
K g——地下水退水参数，具有时间因次。
确定Kg的方法：
（1）在Q g～t 曲线上每隔Δt摘取一个流量值，任意两个相邻的流量按式（3-2）即可算出K g，取平均值作为该流域的K g。
由可知：数，所以若绘出lnQt～t图，则所定直线的斜率 = -1/K g，从而定出K g。
b. 次洪划分
当洪水的起涨流量小于后继洪水的起涨流量时，用流域退水曲线将退水过程延长到与起涨流量相等。
如图3-9所示，图中阴影部分面积为该次洪水的径流总量。
图 3-9 次洪径流深计算示意图
用矩形法求面积，则次洪径流量R0的计算公式为：
c . 水源划分
不同径流成分（直接径流和地下径流）的汇流速度不同，划分水源便于对它们分别进行汇流计算。
最常用的是斜线分割法。
首先在退水曲线上找到直接径流的终止点；将起涨点A与直接径流终止点B直线相连，AB线以上为直接径流W s，以下为地下径流W g，其地面径流深R s、地下径流深R g只要分别除以流域面积F即可得到。
直接径流终止点B点的确定方法：
（1）将绘在透明纸上的标准退水曲线蒙在要分割的洪水过程线的退水段上（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B 就是地面径流终止点。
（2）用经验公式确定洪峰出现时刻到直接径流终止点的时距N（日数），也可以定出B点。
N值与流域面积、下垫面产流汇流特性以及降雨分布等有关。
三、前期影响雨量。