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  • 流域汇流

    流域汇流,通常可以把流域分成坡地和河网两个基本部分,因此流域汇流也可以分为坡地汇流与河网汇流两部分。一般说,河网长度远大于坡面长度,河网中的汇流速度也远大于坡面汇流速度,因而河网汇流更为重要坡地汇流又有地表汇流和地下汇流两个途径。流域出口断面的水文过程线,通常是由槽面降水、坡地表面径流,坡地地下径流(包括壤中流和地下径流)等水源汇集到流域出口断面形成的。

    编辑摘要

    目录

    词条概述/流域汇流 编辑

    降落在流域上的降水质点,降落在流域上的降水质点,从流域各处向流域出口断面汇集的过程称为流域汇向流域出口断面汇集的过程称为流域汇流。

    流域汇流流域汇流

    流域汇流是指产流水量在某一范围内的集中过程。汇流现象决定于水力学 规律。地面径流决定于河道与坡面的水力学规律,已有较成熟的计算方法,如洪水演算;地下径流与壤中流决定于渗流力学规律,也较成熟,如地下水动力学。但对一个流域整体而言,由于各种边界条件十分复杂,难以综合,所以还缺乏有物理根据的汇流理论。常采用的方法有两大类:一类是对流域汇流现象作简化概括,用物理方法作出计算,等流时线可为代表;另一类是用系统分析解决问题,性质属于统计方法 ,单位线可为代表。

    基本概念/流域汇流 编辑

    河流分级

    通常可以把流域划分为坡地与河网两个通常可以把流域划分为坡地与河网两个基本部分。

    河网是由各级河流组成的网络。河网是由各级河流组成的网络。按斯特拉勒(Strahler)拉勒(Strahler)河流的级一般定义为:从河源出发的河流称为一级河流,从河源出发的河流称为一级河流,两条Ω级河流汇合成的河流称为Ω+1级河流级河流汇合成的河流称为Ω+1(Ω±(Ω±1,2,...);两条不同级河流汇合...)成的河流的级是两条河流中较高的级。

    坡地则是指水流能直接汇入各级河流的坡地则是指水流能直接汇入各级河流的那部分流域面积。那部分流域面积。

    汇流现象

    **降落在河流槽面上的降水质点,将直接通过河网汇集至流域出口断面。

    **降落在坡地上的降水质点,一般要从两条不同的途径汇集至流域出口断面:

    1.一条是留在坡地表面的降水质点,首先沿着坡地表面汇人附近的河流,接着汇入更高级的河流,最后汇集到流域出口断面;

    2.另一条是下渗到坡地表面以下土层中的降水质点,在满足一定的条件后,也要通过土层中各种孔隙汇集至流域出口断面。

    3.在实际情况中,以上两条汇流途径常常交替进行,成为所谓串流现象。

    汇流过程

    **流域汇流由坡地表面水流运动、坡地地下水流运动和河网水流运动所组成。

    **不仅流域汇流被划分为坡地汇流与河网汇流两个阶段,流域出口断面的洪水过程一般由槽面降水、坡地地面径流和坡地地下径流(包括壤中流和地下水径流)三种主要水源汇集至流域出口断面所形成。

    流域汇流过程流域汇流过程

    汇流历时

    **不同水源成分由于汇集到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。

    **槽面降水形成的出流终止时刻tr最早,坡地地面径流形成的出流终止时刻ts较次,坡地地下径流形成的出流终止时刻tg最迟。

    不同水源在退水段上的终止时刻不同水源在退水段上的终止时刻

    流域汇流时间

    1.落在流域上的降水质点汇集到流域出口断面所经历的时间称为流域汇流时间。

    2.地面水的流域汇流时间等于地面水坡面汇流时间与河网汇流时间之和。

    3.令ts表示地面水坡面汇流时间,tr表示地面水河网汇流时间,tw表示地面水流域汇流时间,则有:tw=ts+tr

    坡面汇流时间

    1.坡面被土壤、植被、岩石及其风化层所复盖。人类活动,例如农业耕作、水土保持、植树造林、水利化及城市化等也都主要在坡面上进行。

    2.由于坡面微地形的影响,坡面水流一般呈沟状流。但当降雨强度很大时,也有可能呈片状流。坡面阻力一般较大,因而流速较小,但坡面水流的流程不长,常只有百m至数百m,所以坡面汇流时间往往不长,只有几十分钟左右。

    河网汇流时间

    1.河网由大大小小的河流交汇而成。由于在河网交汇处存在着不同程度的洪水波相互干扰作用,因此,河网汇流要比河道洪水波运动更难处理。

    2.另外,坡面水流是沿着河道两侧汇入河网的,所以河网汇流又是一种具有旁侧人流的河道洪水波运动。

    3.河网中的流速通常比坡面水流大得多,但河网的长度更长,随着流域面积的增大,流域中最长的河流将是坡面长度的数倍、数百倍、数千倍,至数万倍。因此,除了小流域以外,河网的汇流时间一般远大于坡面的汇流时间。

    地下汇流时间

    1.渗入坡面以下土层中的水质点流动较缓,故壤中流及地下水径流的流域汇流时间总是比地面水的流域汇流时间长得多。

    2.壤中流及地下水径流虽都是地面以下岩土孔隙中的水流,但在表层较疏松土层中形成的壤中流,流速相对较大;而在地下水面以下土层中形成的地下水流,流速相对较小。因此,两者之中,地下水流的流域汇流时间又要更大些。

    最大流域汇流时间

    最大流域汇流时间是指流域中最长路径的水质点流到出口断面的时间,按下式近似计算:

    公式公式

    流域滞时

    流域滞时流域滞时

    1.有些水文学者认为流域滞时是一个比最大流域汇流时间更有意义的术语。它的定义是:K=v(Q)-v(I)

    2.如果流域各处流速变化不大,则流域滞时大体相当于流域平均汇流时间,并可按下式估算。

    公式公式

    计算方法/流域汇流 编辑

    流域产汇流的计算方法有:①下渗曲线法;②径流系数法;③降雨径流关系法;④等流时线法;⑤单位线法

    等流时线法

    等流时线基本概念

    图中虚线1、2、3、4为等流时线图中虚线1、2、3、4为等流时线

    1.流域上各点的净雨量汇集到出口断面,其汇流速度有快有慢,汇流时间也有长有短。把流域内汇流时间相等的各点连接成的线,称为等流时线。

    2.降落在同一条线上的降水形成的径流,同时到达流域出口断面。相邻两条等流时线的面积,称等流时面积,在上同时产生的径流,在同一时段内到达出口断面。由于在汇流过程中,流域上各点的水深不断地变化,流速相应地改变,所以等流时线的位置也是变化的。

    其他概念:

    等流时线间的面积称为等流时面积,如下图中F1、F2……所示。以Fi为纵坐标,以其相应的流域汇流时间为横坐标所作的图,称为面积分配曲线或面积—流时曲线:

    τ=φ(Fi)

    汇流面积累积曲线:τ=φ’(ΣFi)

    示意图示意图

    等流时线的绘制

    的
    11
    11
    等流时面积分配线等流时面积分配线

    等流时线法存在的问题

    1°实际流域的汇流速度是变化的,等流时线也是变的,但绘制等流时线时,采用流域平均汇流速度,等流时线固定不变,不符合实际情况。

    2°降落在同一等流时面积上的净雨量,在同一时段内全部流出,没有考虑河槽的调蓄作用,故推得的流量过程线偏尖瘦,洪峰流量偏大。

    单位线法

    基本概念:单位线是指单位时段内,均匀分布的单位净雨量在流域出口断面形成的地面径流过程线。利用单位线来推求洪水汇流过程线的方法,称为单位线法。

    单位净雨深一般取10mm,单位时段则依流域性质不同,取3、6、12、24h等。单位线反映了流域的坡地和河网综合调蓄后的洪水运动规律。

    一个单位时段的单位净雨量经过坡地汇流阶段的调蓄而进入河网的过程,称为坡地单位线。它反映坡地汇流特征。

    一个单位时段的单位总入流量经过河网调蓄而形成出口断面的流量过程称为河网单位线。

    两者组合为流域单位线。

    单位线的假定:

    由于实际降雨量并不一定是一个单位的一个时段,故分段使用时要用两条假定:

    ①倍比定律假定:如果单位时段的净雨深不是一个单位,而是n个单位,则它所形成的地面径流过程线的流量值为单位线流量的n倍,其历时仍与单位线的历时相同。

    ②叠加法则假定:如果净雨历时不是一个时段而是m个时段,则各时段净雨所形成的径流过程线之间互不干扰,出口断面的流量等于各时段净雨量所形成的流量之和。

    单位线三要素单位线三要素

    单位线三要素:

    用来控制单位线形状的指标称为单位线要素。一般选定的要素是单位线洪峰流量qm,洪峰滞时TP,和单位线总历时(底长)TD。,如图所示。其中以TP,qm是主要的单位线要素。 单位线时段:

    1.最合适的单位时段,应该使分析出来的单位线误差最小。

    2.一般在大流域可以取(1/2~1/7)TP,小流域用2/5TP,或对大小流域都采用1/3TP,目的是使单位线的涨洪历时中有1~3个时段,以便能很好地控制涨洪的变化。

    3.时段的划分很重要。不能把流量过程线上的洪峰漏掉,以免分析的单位线洪峰偏低。

    单位线的绘制

    22

    3°由实测流量过程线上分割地下径流及计算地面径流深,务使净雨深等于地面径流深。

    4°将流量过程线割去地下水以后得到的地面径流过程线各时段纵坐标值,除以净雨量的单位数(一个单位为10mm)就可以得出单位线。将该单位线代入其他多时段净雨的洪水中进行验算,将算得的流量过程与实测洪水进行对比,如发现明显不符,可将单位线予以修正,直到最后由单位线推出的流量过程符合实际为止。

    实测水文资料中恰好有一个符合规定时段的洪水过程线一般是不多见的,因此,需要从多时段将净雨的洪水资料分析出单位线,常用的方法是分析法。

    小结:

    利用单位线来推求河水汇流过程线称为单位线法。

    单位净雨深一般取10mm。

    时段上有瞬时、1、3、6、12h等。

    由于实际降雨量不一定是一个单位和一个时段,故分段时使用时要作两条假定:线性倍比和叠加原理。

    a.倍比定律假定:即如降雨是n个单位,则形成过程线是流量的n个单位。

    b.叠加法:m个时段净雨,则各时段净雨所形成的径流过程线之间互不干扰,出口断面的流量等于各时段净雨量所形成的流量之和。

    单位线存在的问题

    首先,单位线的倍比和叠加线性假定不能完全符合实际,由各次大洪水分析得到的单位线并不全相同。原因是:河槽水流非线性变化,大小洪水汇流的速度是不相同(如前已述)。

    其次,净雨量在流域上的分布也不完全是均匀的,如前已述,暴雨中心分布与移动方向不同可使流量过程线峰值与峰型发生变化。

    此外,地下水的多少也影响单位线,地面径流比重大的洪水,单位线尖瘦,洪峰提前,地下水径流比重大则单位线平缓,洪峰滞后。

    实用上按洪水的大小予以分级,每级规定一条单位线。把暴雨中心位置分为几种,每种规定一条单位线,使用时根据具体情况而定。

    瞬时单位线法

    1945年克拉克首先提出瞬时单位线的概念。

    1957、1960年纳什进一步推导出它的数学方程式,并提出了时段转换方法,用矩法计算参数及地区综合公式等一系列新的见解,从而发展了谢尔曼单位线,并得到较广泛的应用。

    所谓瞬时单位线,就是净雨量历时趋于无限小时所求得的单位线,通常以u(0,t)或u(t)表示。它的基本假定与谢尔曼单位线的假定完全相同。

    J.E.纳什把流域看作是一连串的n个相同的“线性水库”,如图所示。

    示意图示意图

    公式推导-1

    设有净雨量过程I(t)相当于入流量,第一个水库的出流量过程为Ql(t),因为水库入流量和出流量之差是蓄水量的变率dWl/dt,其连续方程式为:I-Ql=dWl/dt

    因设想的“线性水库”,其蓄量与出流量成正比,概化的动力方程式为:Wl=KlQl

    公式推导-2

    联解上两式,并以D表示dw/dt,则可得:Ql=1/(1+KlD)×I

    同理,在第二水库时,第一水库出流量Ql即为第二水库入流量,而第二水库的出流量以Q2表示,则得:Q2=1/(1+K2D)×Q1=1/(1+K1D)×1/(1+K2D)×I

    若经过n个水库调节,则出口断面出流量过程为:Q(t)=1/(1+K1D)×1/(1+K2D)×……×1/(1+KnD)×I

    公式推导-3

    因为是相同的“线性水库”,即假定K1=K2=……=Kn=K,则:Q(t)=1/(1+KD)n×I

    当I(t)为历时无限小时的单位净雨量,此时的出口断面流量过程线即为瞬时单位线。应用脉冲感应原理,此时的I(t)可以用δ(t)来代替:u(0,t)=1/(1+KD)n×δ(t)

    公式推导-4

    通过拉普拉斯变换,则得:L[u(0,t)]=1/(1+KP)n×L[δ(t)]=1/(1+KP)n

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    瞬时单位线的基本性质

    瞬时单位线的形状取决于表示流域调节特性的参数n与K。因此不同流域有不同的瞬时单位线。

    当K一定时,n越大,瞬时单位线越趋平缓,即洪峰滞后而减低;n越小,则曲线变化越剧烈。所以n反映了河网调蓄的程度。

    当n一定时,K越大,瞬时单位线也越趋平缓,亦即洪峰滞后而减低,K越小,则曲线变化越剧烈所以K反映了河网调节能力的大小

    系统分析/流域汇流 编辑

    对流域汇流系统来说,系统的输入是净雨过程,系统的输出是出口断面洪水过程,系统的作用是流域调蓄作用,按照系统术语,流域出口断面的洪水过程线又可称为流域。

    流域汇流流域汇流

    流域调蓄作用对其净雨输入过程的响应,简称流域响应。两者之间的关系约为:Q(t)=Φ[I(t)](3-14)。式中,Q(t)为流域响应,即出口断面洪水过程线;I(t)为流域的净雨输入过程;Φ为系统算子。 系统算子是表示系统输入和输出之间的运算关系。故上式的含义是:对系统输入I(t)施行一定的运算就得到系统的输出。

    流域汇流系统的系统算子取决于流域的调蓄作用。在dt时段内进入流域的水量是净雨量I(t)dt,而流出流域的水量是出流量Q(t)dt,涨洪时,由于I(t)dt>Q(t)dt,段dt内流域蓄水量增加,反之落洪时由于I(t)dt<Q(t)dt,时段dt内流域蓄水量将减少,这就是流域的调蓄作用。导致流域调蓄作用的物理原因为:降水并非从一个地点注入流域,而且流域各种糙率、坡度等水力条件也不同,各处水质点的速度各异,因此降落在距出口断面较远的,或流速较慢地段的水质点,必须暂时滞留在流域中而引起流域蓄量的变化。

    流域汇流系统可划分为线性和非线性两类。一个流域汇流系统,如果既满足叠加性,又满足均匀性,则称之为线性流域汇流系统,否则称为非线性流域汇流系统。

    线性流域汇流系统又有时不变和时变之分。如果系统算子中所包含的参数均为常数,则称为线性时不变流域汇流系统,反之,如果系统算子中所包含的参数至少有一个随时间而变化,则称为线性时变流域汇流系统。

    影响因素/流域汇流 编辑

    1.降水特性的影响暴雨中心的空间分布及其移动方向的影响,不同降水强度反映了对流域汇流的不同供水强度。对相同降雨量来说,雨强越大,降雨损失量越小,产流越快,

    洪峰流量越大,流量过程越尖瘦。如果暴雨中心分布越近于下游,则汇流历时越短,洪峰出现时间越早,峰量越大,峰形越尖瘦。暴雨中心从上游往下游移动比从下游往上游移动的洪水,汇流更快,峰量更大,更易引起中下游洪水的泛滥。 2.流域的地形坡度的影响地形坡度越陡,汇流速度越快,汇流时间越短,地面径流的损失量就越小,流量过程线越尖瘦。

    3.流域形状的影响在其它条件相同时,不同的流域形状会产生不同的流量过程。狭长形的流域汇流时间较长,径流过程平缓;扁形流域因汇流集中,洪水涨落急剧,峰形尖瘦。

    4.水力条件的影响在畅流条件下,水位越高、流速越快,汇流历时越短,峰量越大,因而峰形越尖瘦。

    研究意义/流域汇流 编辑

    产流水量在某一范围内的集中过程。汇流现象决定于水力学规律。地面径流决定于河道与坡面的水力学规律,已有较成熟的计算方法,如洪水演算;地下径流与壤中流决定于渗流力学规律,也较成熟,如地下水动力学。但对一个流域整体而言,由于各种边界条件十分复杂,难以综合,所以还缺乏有物理根据的汇流理论。常采用的方法有两大类:一类是对流域汇流现象作简化概括,用物理方法作出计算,等流时线可为代表;另一类是用系统分析解决问题,性质属于统计方法,单位线可为代表。 地面、地下径流的汇流速度相差很大。地面径流的流速以几米每秒计,地下径流则以几米每天计。因此,流域出口流量中地面与地下的径流比例对流量过程的特性起着决定性的作用。当雨强大时,地面径流的比例大时,流域汇流就快,流量过程猛涨猛落,形成洪水。而当雨小或无雨时,地下径流的比例大,流域汇流就慢,流量过程十分平稳,形成枯水。各个流域的气候、地质等条件相差很大,因此径流比例的差别也很大,表现在流量过程线上,差异十分明显,成为河流的重要水文特征之一。

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