第十一章水文分析

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第十一章-水力学与桥涵水文

第十一章-水力学与桥涵水文
求矩选线法 三点选线法 含特大值系列频率计算方法
1
11-2 按洪水调查资料推算
形态调查方法
桥位附近有关河段地形纵横断面图测量
洪痕群位置调查及高程测量
历史洪峰流量Qi推算,由此可得多个Qi
历史洪峰流量统计参数推算
重现期T确定方法
N1年内Qi为最大时,T(Q≥Qi)=N1=T2-T1+1 (10-8)
n 0
n
4n
4
4n
A24 p
n
n,
f
n 0
A24 p
(1 n)n1n
3n
(1n)(4n)
(11 28) (11 28)
26
11-3 按暴雨资料推算设计流量
Qm解算方法 数解法——见图11-7框图
27
11-3 按暴雨资料推算设计流量
图解法——由图11-6可得Ψ
取n=n1(τ<1h),计算 τ
1
Qp
(11 34)
F1nb1m J14
下标1——测站或形态断面数值
下标2——桥位断面数值
Qp ——测站或形态断面抵算的设计流量
m1
n值 3
F 30Km2 n 0.8 ; F 30Km2 n 1 1
23
F<30km2或流域面积相差小于20%时
QBP
(
F2 F1
)QP
37
0.0688
μτ0n
0.0725
A
再取ψx 0.926
0.75
f (ψ) 0.92640.75
4
0.92640.75
0.0727
μτ0n
0.0725
A
故得ψx 0.926
30

水文学原理 第十一章 流域产流

水文学原理  第十一章  流域产流

第十一章流域产流Watershed Runoff Generation/Production本章主要内容1引言(Introduction)流域产流面积的变化2(Variations in runoff producing area)蓄满产流的流域产流量的计算3(Computation of total runoff under runoff formation on repletion of storage)超渗产流的流域产流量计算4(Computation of total runoff under runoff formation in excess of infiltration)Part 1 IntroductionA径流(Runoff)B径流形成过程(Rainfall-Runoff Process)Part 1 Introduction1-1 Runoff降落在流域上的具有一定时空分布的降水,扣除损失后,在重力作用下,从地面和地下向流域出口断面汇集的水流现象称径流。

1) Definition(定义)Part 1 Introduction1-1 Runoff降水-径流过程中最根本的损失即蒸散发降落在流域上的具有一定时空分布的降水,扣除损失后,在重力作用下,从地面和地下向流域出口断面汇集的水流现象称径流。

1) Definition(定义)蒸散发土壤持水耗于蒸散发填洼耗于蒸发或继续下渗截留耗于蒸散发或下渗损失Part 1 Introduction1-1 Runoff2) 径流量降水量扣除损失量余额称为径流量,又称净雨量。

径流量的单位:体积单位(m 3, 万m 3, 亿m 3), 谈水资源量时常用m 3径流深(Runoff Depth)单位:长度单位(mm), 分析降雨径流关系时用mm3) 径流量的时程分配(Temporal distribution of runoff)降水的时程分配扣除损失量的时程分配之结果称为径流量时程分配,又称净雨量的时程分配。

水文地质学基础第11章_孔隙水

水文地质学基础第11章_孔隙水
质,向湖心过渡为粘土 构成主要含水层的砂砾展布广、厚度大,剖面上为层状或延伸远的长透镜状 砂砾含水层的规模收沉积物形成时湖盆规模、气候、新构造运动控制 湖积物通常有规模大的含水砂砾层,但主要通过进入湖泊的冲积砂层与外界
联系,故与外界联系较差,补给困难,地下水资源一般并不丰富
黄土高原孔隙水系统
孔隙:岩层颗粒及颗粒集合体之间的空隙
不同成因类型的松散沉积物,其空间分布、岩性结构、地下水 赋存特点不同
残积物和坡积物 水流沉积物:洪积物、冲积物、湖积物、三角洲沉积物、冰水沉积物等
水流沉积物的结构由水动力环境决定,系统演变受地质和自然地 理背景控制
洪积物中的孔隙水
洪积扇:洪流携带的物质以山口为中心堆积成的扇形堆积体 位置:山前地带 形状:扇形
岩性分带:
粒度:砾、卵、漂石→砾及砂 (粘土夹层)→砂及粘性土夹层
层理:不显层理→层理明显→ 砂与粘土互层
分选:差→中等→好
地下水分带
赋存条件:①岩性:颗粒粗大→颗粒变细 ②水位埋深:深→浅:潜水 深埋带→潜水溢出带→潜水下沉带 ③渗透性:好→差
补、径、排条件: ①补给:充沛→差 ②径流:强烈→受阻,快→慢 ③排泄:径流排泄→蒸发排泄
黄土高原自然地理概况
面积:61.47万km2 地势:自东南向西北,由1000 m升至4000 m以上 年降水量:自东南向西北,由600 mm降为200 mm,最西部<40 mm
年蒸发量:1000 mm增至1800 mm

兰 厚数米到十余米
黄 土 (
主要为粉土质亚砂土
古土壤层与钙质结核均不如 下中更新世黄土发育
祁连山山前洪积扇
坐落在洪积扇上的泸定县城 天山南麓洪积扇
天山东段博格达峰山前洪积扇

山脊线、山谷线、鞍部点的提取

山脊线、山谷线、鞍部点的提取

实例与练习练习1. 利用水文分析方法提取山脊、山谷线1.背景:山脊线、山谷线是地形特征线,它们对地形、地貌具有一定的控制作用。

它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏变化的骨架结构。

因此在数字地形分析中,山脊线和山谷线以及地形特征点等的提取和分析是很有必要的。

2.目的:理解基于DEM结合水文分析的方法提取出研究区域的山脊线和山谷线的原理;掌握水流方向、汇流累积量的提取方法以及它们的提取原理;能将水文分析的方法和其它的空间分析方法相结合以解决应用问题。

3.要求:(1)利用水文分析思想和工具提取研究区域的山脊线;(2)利用水文分析思想和工具提取研究区域的山谷线。

4.数据:一幅25m分辨率的黄土地貌DEM数据,数据的区域大概有140 km2。

数据存放于…/ChP11/Ex1中,请将其拷贝到E:/ChP11/Ex1。

结果数据保存在…/ChP11/Ex1/Result 中。

5.算法思想:对于水文物理过程研究而言,由于山脊、山谷分别表示分水性与汇水性,山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。

因此,对于山脊线和山谷线就可以利用水文分析的方法进行提取。

基于DEM的这种地形表面流水物理模拟分析的原理是:对于山脊线而言,由于它同时也是分水线,那么对于分水线上的那些栅格,由于分水线的性质是水流的起源点,通过地表径流模拟计算之后这些栅格的水流方向都应该只具有流出方向而不存在流入方向,也就是其栅格的汇流累积量为零。

通过对零值的汇流累积值的栅格的提取,就可以得到分水线,也就得到了山脊线;对于山谷线而言,由于其具有汇水的性质,那么对于山谷线的提取,可以利用反地形的特点,即是利用一个较大的数值减去原始的DEM数据,而得到了与原始地形完全相反的地形数据,也就是原始的DEM中的山脊变成负地形的山谷,而原始DEM中的山谷在负地形中就变成了山脊,那么,山谷线的提取就可以在负地形中利用提取山脊线的方法进行提取。

水文学原理-第11章 河流泥沙

水文学原理-第11章 河流泥沙
第11章 河流泥沙
随水流运动以及构成河床的固体颗粒称为河流泥沙,又称固 体径流,它不仅包括在水流中运动或相对静止的粗细泥沙, 还包括河道中的砾石与卵石。
泥沙运动和沉积是河流中重要的水文现象,对河流水文情势、 河流发育以及河床演变影响极大。鉴于我国大多数河流挟带 泥沙,兴修水利工程(防洪、航运、灌溉、发电、港口码头) 和进行流域治理时,不仅需要研究河流水文情势,也要考虑 与之相伴的泥沙运动状况。
2020年2月1日
21
上述泥沙粒径频率分布曲线与泥沙粒径累积频率分布曲线统称为泥 沙粒径级配曲线。 天然河流河床的泥沙粒径级配曲线形态会因河流类型不同而不同。
许多山区河流河床泥沙粒径频率分布曲线存在明显的双峰,一个 峰对应粗卵石和细砾石,另一个峰对应粗砂,相应累积频率曲线 呈现为板凳状。这是因为除了较难冲动的粗大卵石以外,细小的 砂子可以填塞到粗大卵石组成的骨架空隙中,冲刷较少,因而含 量较高。当然也有的山区河流床的泥沙粒径频率分布曲线只有一 个单峰。
2020年2月1日
29
比重——固体泥沙颗粒重量与同体积4℃水的重量之比。无量纲,
一般泥沙比重:=2.65
有效容重系数(有效密度系数):泥沙在水中运动状态,既与泥沙
容重有关,又与水的容重有关,在分析计算时,常出现相对数值,为
简便起见,常取a=1.65.
a s
a s
4
1、坡面侵蚀 流域表层的土壤或岩石碎屑在风吹日晒、水冲以及地球重力的 作用下,从原来所处状态剥离、冲刷、搬运而随径流注入河道 的水土流失过程,称为坡面侵蚀。 坡面侵蚀从形态上又有层状、沟状、陷穴、滑坡、塌岸等侵蚀 类型。
2020年2月1日
当降水发生在较为平整、植被 较差的坡面上所形成的漫流会 将土壤或岩石碎屑成层剥蚀, 即层状侵蚀。

《工程水文及水利计算》11第十一章 水库兴利调节计算(1)

《工程水文及水利计算》11第十一章 水库兴利调节计算(1)

第十一章水库兴利调节第一节水库及其特性一、水库特性曲线水库是指在河道、山谷等处修建水坝等挡水建筑物形成蓄集水的人工湖泊。

水库的作用是拦蓄洪水,调节河川天然径流和集中落差。

一般地说,坝筑得越高,水库的容积(简称库容)就越大。

但在不同的河流上,即使坝高相同,其库容相差也很大,这主要是因为库区内的地形不同造成的。

如库区内地形开阔,则库容较大;如为一峡谷,则库容较小。

此外,河流的坡降对库容大小也有影响,坡降小的库容较大,坡降大的库容较小。

根据库区河谷形状,水库有河道型和湖泊型两种。

一般把用来反映水库地形特征的曲线称为水库特性曲线。

它包括水库水位~面积关系曲线和水库水位~容积关系曲线,简称为水库面积曲线和水库容积曲线,是最主要的水库特性资料。

(一)水库面积曲线水库面积曲线是指水库蓄水位与相应水面面积的关系曲线。

水库的水面面积随水位的变化而变化。

库区形状与河道坡度不同,水库水位与水面面积的关系也不尽相同。

面积曲线反映了水库地形的特性。

绘制水库面积曲线时,一般可根据l/10 000~l/50 00比例尺的库区地形图,用求积仪(或按比例尺数方格)计算不同等高线与坝轴线所围成的水库的面积(高程的间隔可用l,2或5 m),然后以水位为纵座标,以水库面积为横坐标,点绘出水位~面积关系曲线,如图2-1所示。

图2-1水库面积特性曲线绘法示意(二)水库容积曲线水库容积曲线也称为水库库容曲线。

它是水库面积曲线的积分曲线,即库水位Z与累积容积V的关系曲线。

其绘制方法是:首先将水库面积曲线中的水位分层,其次,自河底向上逐层计算各相邻高程之间的容积。

0 i F 1+i F 水面面积库F (106 m 2)水库容积V (106 m 3)图 2-2 水库容积特性和面积特性1-水库面积特性; 2-水库容积特性假设水库形状为梯形台,则各分层间容积计算公式为:()2/1Z F F V i i ∆+=∆+ (2-1) 式中:V ∆——相邻高程间库容(m 3);i F 、1+i F ——相邻两高程的水库水面面积(m 2);Z ∆——高程间距(m )。

第十一章孔隙水

第十一章孔隙水

11.3 古河道——河间洼地:地形与岩性


古、现代河道 地形 高 岩性(粒度) 粗
— — —
河间洼地 低 细
11.3 古河道——河间洼地:地下水赋存、补给与排泄


古、现代河道 地下水埋深 深 补给条件 好 排泄 径流
— — — —
河间洼地 浅 差 蒸发排泄
11.3 古河道——河间洼地:地下水化学特征
地下水的特征具明显的分好 V大,交替快 径流排泄
差 V小,交替慢 蒸发排泄
地下水的特征具明显的分带性—水化学

形成作用 矿化度(TDS) 成分与类型
溶滤作用 浓缩作用 低 中 高 HCO3 SO4 Cl
11.6

干旱半干旱黄土高原孔隙水



黄土高原包括青、陇、宁、陕、内蒙、山西和河南等省, 秦岭以北,太行山以西,祁连山以东,内蒙古高原以南广 大地区,面积62万平方千米,海拔由东南向西北依次由 1000m增加到4000m以上,年降水量由600mm降到200mm,蒸 发量由1000mm增大到1800mm。 黄土多为风成物,以粉砂为主,自西北向东南颗粒依次变 细,厚度减小。 黄土的划分:早更新世午城黄土、中更新世离石黄土和晚 更新世马兰黄土,午城黄土隔水层,离石黄土开始含水, 马兰黄土构成含水层。 黄土中的空隙:最小的原生孔隙,较大的次生孔隙,生物 作用的根孔和虫孔,以及最大的成岩裂隙。
第十一章 孔隙水(pore water)
本章内容 11.1 孔隙水的特征 11.2 洪积物中的孔隙水 11.3 冲积物中的孔隙水 11.4 湖积物中的孔隙水 11.5 冲积平原中的孔隙水:以黄河下游为例 11.6干旱半干旱黄土高原孔隙水系统 11.7半干旱平原孔隙水系统:河北平原

第十一章孔隙水详解

第十一章孔隙水详解
(由扇顶—扇缘(前))的分带性,地下水的 特征具明显的分带性 。
• 从沉积物形成时的水动力条件入手; • 分析沉积岩性的变化规律; • 到地下水的赋存条件与特征。
11.2 洪积物中的孔隙水
一、洪积扇的地质结构特征
扇顶部
砾石 卵石

漂砾
构 无明显层理
仅夹细粒时,
特 显示层理

分选性差
过渡带
砾石 砂为主 并出现粘土层
透水性(K) 水位埋深 赋存
好 深 深埋区
浅 溢流区
差 渐深(或承压) 下沉区
地下水的特征具明显的分带性—补给与排泄
补给 流动交替 排泄

V大,交替快
径流排泄
差 V小,交替慢 蒸发排泄
地下水的特征具明显的分带性—水化学
形成作用 矿化度(TDS) 成分与类型
溶滤作用
浓缩作用
由地势较高(堆积粗粒沉积)的现代河道与古河道,到地势低洼(堆积粘 性土)的河间洼地,显示着良好的微地貌—岩性—地下水分带。
11.3 古河道——河间洼地:地形与岩性
古、现代河道
地形

岩性(粒度) 粗
— — —
河间洼地 低 细
11.3 古河道——河间洼地:地下水赋存、补给与排泄
古、现代河道
地下水埋深 深
第十一章 孔隙水(pore water)
本章内容 11.1 孔隙水的特征 11.2 洪积物中的孔隙水 11.3 冲积物中的孔隙水 11.4 湖积物中的孔隙水 11.5 冲积平原中的孔隙水:以黄河下游为例 11.6干旱半干旱黄土高原孔隙水系统 11.7半干旱平原孔隙水系统:河北平原
11.1 孔隙水的特征
典型地区洪积扇(Alluvial fan)的形成

水文学原理 CH11 流域汇流

水文学原理 CH11 流域汇流

二、流域汇流时间 流域汇流时间——降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。坡地汇流时间 + 河网汇流时间。不同径流成分的流域汇 流时间是不一样的。下面主要讨论地面水和地下水的流域汇流时间。 地面水流域汇流时间 一般等于地面水坡面汇流时间与河网汇流时间之和,只有槽面降水才 不需要经历坡面汇流阶段。 地下水流域汇流时间 地下水流属于渗流,由于其速度一般比地面水小得多,因此地下水流 域汇流时间总是比地面水流域汇流时间大得多。 Rs,Rint,Rg在汇流时间上的差别仅表现在坡地汇流阶段。
i =0 j =0 m i n j
当只有系数 b0 ≠ 0时, S = b0Q (若b0为常系数,线性水库)
四、面积—时间曲线 假定流域上各点的流速相同,即其中任一水质点流达出口断 面的时间仅取决于它离开出口断面的远近。 等流时线——同时降落到流域,又能同时流达出口断面的水 滴连成的线。 等流时面积—相邻两条等流时线τ 和τ +Δτ 之间的流域面积。 等流时面积分配曲线——以流达时间为横坐标,以等流时面 积为纵坐标绘成的线。
1、最大流域汇流时间( τm) 流域中最长路径的水滴流到出口断面的时间。 Lm τm = V 式中:Lm —从流域出口断面沿流而上至流域分水线的最长距离;
V —水滴平均流速
2、流域平均汇流时间 流域上各水滴在流达出口断面时间的平均值。 L τ = 0 ( L0 —流域形心至流域出口断面的直线距离) V 3、流域滞时(K) 流域出口断面洪水过程线形心与流域净雨过程线形心的时差。
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从系统的观点出发, Q( t ) = Φ[h( t )]
2. 线性时不变系统的特点 满足叠加性和倍比性。且变换函数Φ中的参数不 随时间变化。

《水文地质基础》第11章 孔隙水

《水文地质基础》第11章 孔隙水
地下水特点 – 埋藏浅,上部潜水,下部微承压水。
11.3 冲积物中的地下水
大气降水、边缘山区基岩裂隙水和洪水期的地表 水补给;蒸发和泄流排泄。
水量丰富,水质好,为HCO3—Ca型水。
– 北方冲积平原:以黄河下游泛滥冲积平 原最为典型
冲积物特点 – 沉积厚度和规模较大。 – 平面上,同一期的冲积物粗细颗粒呈带状有规 律分布,河床堆积砂层,河床以外堆积粘土为 主;多期冲积层交叉叠置,使岩性变化复杂化。 剖面上,“二元结构”不发育。
地下水深埋带(盐分溶滤带、径流带)
– 地势高,潜水埋深大; – 地形坡度大,因而水力坡度大,径流强,水平排泄; – 降水、地表水和山区基岩裂隙水补给量,动态变化大; – 强透水地层; – 化学成分以溶滤作用为主,HCO3—Ca型水
11.2 洪积物中的地下水
地下水溢出带(盐分过路带)
– 因地形变缓、颗粒变细、透水性变差,地下水径流受 阻,潜水雍高而接近地表,形成泉或沼泽;
漫摊与阶地发育,且呈“二元结构”
– 地下水特征
构成一个含水系统,下部沙砾石层微承压。 大气降水、基岩裂隙水、地表河流补给;
径流弱; 径流和蒸发排泄,枯水期泄流。
11.3 冲积物中的地下水
11.3 冲积物中的地下水
砂砾石层的地下水量丰富,埋藏浅,是良好供水 水源。
低矿化淡水。
河流下游冲积平原中的地下水
11.3 冲积物中的地下水
11.2 洪积物中的地下水
11.2 洪积物中的地下水11.3 冲积 Nhomakorabea中的地下水
冲积物:经常性水流形成的堆积物。即河流沉
积作用形成的堆积物。 河流上、中、下游沉积特征不同,因而冲
积物的水文地质特征也不同。
河流上游山区河谷冲积层中的地下水

水文地质学基础 第十一章 裂隙水.

水文地质学基础 第十一章 裂隙水.
④当存在厚层隔水层且断层断距较大时,形成阻水断层。 有利于排水疏干而不利于供水。
重点内容
1. 裂隙水的类型及特征 2. 裂隙水流的特征 3. 裂隙介质的研究方法及使用范围 4. 导水断层的水文地质意义
2. 裂隙水流的基本特征
◆流场不连续 ◆局部流向与整体流向往往不一致
三、 裂隙介质的研究方法
1. 等效多孔介质方法: ☆用等效的多孔介质场来近似代替复杂的裂隙介质场. ☆应用条件:
1)等效时含水系统的补、径、排条件不能改变。 2)等效是两种介质在特定功能上的等效。
2. 双重介质方法 ☆分别用两种等效的多孔介质去近似代替大小两种空隙。
◆导水断层带的水文地质意义:Байду номын сангаас①贮水空间。当围岩本身裂隙不发育而仅断层带局部破
碎时。初期涌水量及水压可能较大,但迅速衰减,以至干涸 ②发育于透水围岩中的导水断层,不仅是贮水空间,还
兼具集水廊道的功能。涌水量较大且稳定。 ③导水断层沟通若干个含水层或地表水体时,断层带兼
具贮水空间、集水廊道与导水通道的功能。涌水量大且长期 保持稳定。
☆特点:
1.两种空隙空间分别刻画,各有自己独立的参数; 2.两种空隙存在水力联系,可以进行水量交换。 3. 非连续介质方法 ☆对裂隙网络中每条具有实际导水意义的裂隙进行精确的 描述。
☆优点:可以准确计算出裂隙网络内任意一点的水头、孔 隙水压力、渗透速度、流量等。
☆缺点:对实际资料的要求很高,计算复杂,要求用电网 络模拟或计算机模拟。
第十一章 裂隙水 一、 裂隙水的类型
1、成岩裂隙水(层状裂隙水) ◆多见于硬脆性岩石中。 玄武岩中的层状裂隙含水系统。岩脉及侵入岩
接触带,形成的带状裂隙含水系统。 ◆常呈层状或似层状分布,具有良好的水力联

地质大水文地质学基础讲义11裂隙水

地质大水文地质学基础讲义11裂隙水

坚硬基岩在应力作用下产生各种裂隙:成岩过程中形成成岩裂隙;经历构造变动产生构造裂隙,风化作用可形成风化裂隙。

贮存并运移于裂隙基岩中的裂隙水,往往具有一系列与孔隙水不同的特点。

某些情况下,打在同一岩层中相距很近的钻孔,水量悬殊,甚至一孔有水而邻孔无水;有时在相距很近的井孔测得的地下水位差别很大,水质与动态也有明显不同;在裂隙岩层中开挖矿井,通常涌水量不大的岩层中局部可能大量涌水;在裂隙岩层中抽取地下水往往发生这种情况:某一方向上离抽水井很远的观测孔水位已明显下降,而在另一方向上离抽水井很近的观测孔水位却无变化。

所有上述现象说明,与孔隙水相比,裂隙水表现出更强烈的不均匀性和各向异性。

松散岩层中,空隙分布连续均匀,构成具有统一水力联系、水量分布均匀的层状含水系统。

但裂隙岩层只有在一些特殊的条件下才能形成水量分布比较均匀的层状含水系统。

例如,夹于厚层塑性岩层中的薄层脆性岩层、规模比较大的风化裂隙岩层等。

这些岩层中裂隙往往密集均匀,使整个含水层具有统一的水力联系,在其中布井几乎处处可取到水。

基岩的裂隙率比较低(通常比松散岩石的孔隙率低一到两个数量级),裂隙在岩层中所能占有的赋存空间很有限;这一有限的赋存空间在岩层中分布很不均匀;裂隙通道在空间上的展布具有明显的方向性。

因此,裂隙岩层一般并不形成具有统一水力联系、水量分布均匀的含水层,而通常由部分裂隙在岩层中某些局部范围内连通构成若干带状或脉状裂隙含水系统(图11—1)。

岩层中各裂隙含水系统内部具有统一的水力联系,水位受该系统最低出露点控制。

各个系统与系统之间没有或仅有微弱的水力联系,各有自己的补给范围、排泄点及动态特征,其水量的大小取决于自身的规模。

规模大的系统贮容能力大,补给范围广,水量丰富,动态比较稳定。

图11—1 裂隙含水系统〔参照Ланге, 1950 修改补充〕1—不含水张开裂隙;2—含水张开裂隙;3—包气带水流向;4—饱水带流向;5—地下水位;6—水井;7 —自流井;8—无水干井;9—季节性泉;10—常年性泉规模小的系统贮存和补给有限,水量小而动态不稳定。

《水文学与水资源》PPT课件

《水文学与水资源》PPT课件
水资源的含义十分丰富,具有广义和狭义之分。 广义的水资源,是指地球上水的总体。包括全部自然 界任何形态的水,如气态水、液态水和固态水。 狭义的水资源,是指与生态环境保护和人类生存与发 展密切相关的、可以利用的、而又逐年能够得到恢复和 更新的淡水,其补给来源为大气降水。
3
Zuo Qiting
水资源学是对水资源进行评价、合理配置、综 合开发与合理利用和保护,为社会和经济的可持 续发展提供水的保证,处理好水资源和经济社会 发展及环境、生态系统间关系,以及对水资源实 行科学管理和保护经验的系统总结所形成的知识 体系,是指导水资源业务的理论基础(陈家琦等, 2002)。
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Zuo Qiting
单元水体水箱模型
17
Zuo Qiting
对于单元水体,第n时段水量平衡关系式如下:
V n 1V n(InQ n) t (n=1,2,3……)
(13.3.1)
式单平中元均,水出V体流n 第量,。nV时n+1段—t —的——平第单均n位时输时段入段初量。和。末Q n单—元—水第体n时蓄段水单量元。水I n 体—的—
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Zuo Qiting
11.3.3.4 计算结果与分析
可再生性指数 的计n 算,关键涉及到单元水体的 蓄水容量 和维Vm持ax 水循环再生系统所需的最小蓄水 量降水的和确径定流Vmi。n系在列实资例料中,,并参根考据流单域V元m的ax 子地流形域数的据多进年行 确定。 则需要兼Vm顾in 经济、社会和生态环境需水量 进行综合确定。在计算时由于缺少上述资料, 可 按 的1V0min%进行V取max 值。
27
Zuo Qiting
11.3.3.2 研究方法
在数字高程模型(DEM)基础上,将马连河流 域分成7个子流域,并提取各子流域的水文特征 值。本例利用SWAT模型方法来建立马连河流域 分布式水文模型。

《水文学原理》第十一章:河道水流和坡地水流基本概念、基本理论

《水文学原理》第十一章:河道水流和坡地水流基本概念、基本理论

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t(t)
先构成一个新的函数
1/ △ t
δ t (t)

H (t) H (t t
t)
0 △t
at
δ
((t)

lim δ
t 0
t
(t)

lim
t 0
H
(t)

H (t t

t)

dH (T dt
)
单位瞬时脉冲入流就是单位入流对时间t的 一阶导数
二 基本解
(1)S-曲线:单位入流所形成的出流 过程称S-曲线。 S-曲线的性质:当t=0时,S(x,t) =0,当t∞ 时,S(x,t) 1
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夫溪站实测资料
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第十一章 水文分析水文分析是DEM 数据应用的一个重要方面。

利用DEM 生成的集水流域和水流网络,成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。

表面水文分析模型应用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况,或者划定受污染源影响的地区,以及预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等,应用在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域,对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。

这些领域需要知道水流怎样流经某一地区,以及这个地区地貌的改变会以什么样的方式影响水流的流动。

基于DEM 的地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络(包括河流网络的分级等)以及对研究区的流域进行分割等。

通过对这些基本水文因子的提取和基本水文分析,可以在DEM 表面之上再现水流的流动过程,最终完成水文分析过程。

本章主要介绍ArcGIS 水文分析模块的应用。

ArcGIS 提供的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型,辅助分析地表水流从哪里产生以及要流向何处,再现水流的流动过程。

同时,通过水文分析工具的应用,也可以有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本的概念和关键的过程,以及怎样通过ArcGIS 水文分析工具从DEM 数据上获取更多的水文信息。

图11.1 ArcToolBox 中的 水文分析模块ArcGIS9将水文分析中的地表水流过程集合到ArcToolbox 里,如图11.1所示。

主要包括水流的地表模拟过程中的水流方向确定、洼地填平、水流累计矩阵的生成、沟谷网络的生成以及流域的分割等。

本章1至5节主要是依据水文分析中的水文因子的提取过程对ArcGIS 中的水文分析工具逐一介绍。

文中所用的DEM 数据在光盘中chp11文件夹下的tutor 文件夹里面,每个计算过程以及每一节所产生的数据存放在tutor 文件夹的result 文件夹里面,文件名与书中所命名相同,读者可以利用该数据进行参照联系。

第6节主要是提供了三个使用水文分析工具以及水文分析思想的实例。

11.1 无洼地DEM 生成DEM 被认为是比较光滑的地形表面的模拟,但是由于内插的原因以及一些真实地形(如喀斯特地貌)的存在,使得DEM 表面存在着一些凹陷的区域。

那么这些区域在进行地表水流模拟时,由于低高程栅格的存在,从而使得在进行水流流向计算时在该区域的得到不合理的或错误的水流方向,因此,在进行水流方向的计算之前,应该首先对原始DEM 数据进行洼地填充,得到无洼地的DEM 。

11.1.1 水流方向提取水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。

在ArcGIS 中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码,水流方向便可以其中的某一值来确定,栅格方向编码如图11.2所示。

图11.2 水流流向编码 例如:如果中心栅格的水流流向左边,则其水流方向被赋值为16。

输出的方向值以2的幂值指定是因为存在栅格水流方向不能确定的情况,此时须将数个方向值相加,这样在后续处理中从相加结果便可以确定相加时中心栅格的邻域栅格状况。

水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定。

距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离,栅格间的距离与方向有关,如果邻域栅格对中心栅格的方向值为2、8、32、128,则栅格间的距离为2的开平方根,否则距离为1。

ArcGIS 中的水流方向是利用D8算法,也就是最大距离权落差(最大坡降法)来计算水流方向的。

具体计算步骤如下:1. 在ArcMap 中用左键单击ArcToolbox 图标,启动ArcToolbox 。

2. 打开水文分析模块。

启动ArcToolbox ,展开Analysis Tools 工具箱,打开hydrology 工具集。

3. 双击Flow Direction 工具,打开如图11.3所示水流方向(Flow Direction )计算对话框。

(1) I nput surface data 文本框中选择输入数据dem。

(2) O utput flow direction raster 文本框中命名计算出来的水流方向文件名为flowdir,并选择保存路径。

(3) 在Force all edge cells to flow outward(Optional)前的复选框前打钩,所有在DEM 数据边缘的栅格的水流方向全部是流出DEM 数据区域。

默认为不选择。

这一步为可选步骤。

图11.3 水流方向Flow Direction 计算对话框(4) d rop raster 输出。

drop raster 是该栅格在其水流方向上与其临近的栅格之间的高程差与距离的比值,以百分比的形式记录。

它反映了在整个区域中最大坡降的分布情况。

这一步为可选步骤。

(5) 单击OK,进行水流方向计算过程。

(6) 计算完成后,计算出的水流方向数据如图11.4所示。

11.1.2 洼地计算洼地区域是水流方向不合理的地方,可以通过水流方向来判断那些地方是洼地,然后再对洼地进行填充。

有一点必须清楚的是,并不是所有的洼地区域都是由于数据的误差造成的,有很多洼地区域也是地表形态的真实反映,因此,在进行洼地填充之前,必须计算洼地深度,判断哪些地区是由于数据误差造成的洼地而哪些地区又是真实的地表形态,然后在进行洼地填充的过程中,设置合理的填充阈值。

图11.4 利用Flow Direction 工具计算出来的水流方向图图11.5 洼地计算对话框1. 洼地计算(1) 双击hydrology 工具集中的Sink 工具,弹出洼地计算对话框,如图11.5所示。

(2) 在Input flow direction raster 文本框中,选择水流方向数据flowdir。

(3) 在Output raster 文本框中,选择存放的路径以及重新命名输出文件为sink。

(4) 单击OK 进行洼地计算。

结果如图11.6所示,深色的区域是洼地。

图11.6 计算出来的洼地区域2. 洼地深度计算(1) 双击hydrology 工具集中的watershed 工具,弹出流域计算对话框,如图11.7所示,用来计算洼地的贡献区域。

图11.7 洼地贡献区域计算对话窗口(watershed )(2) 在Input flow direction raster 文本框中选择水流方向数据flowdir,在Input raster or feature pourpoint 文本框中输入洼地数据sink,在pour point field 文本框中选择value。

(3) 在Output raster 文本框中设置输出数据的名称为watershsink。

(4) 单击OK,进行洼地贡献区域的计算。

显示结果如图11.8所示。

图11.8 计算出来的洼地贡献区域(5) 计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程。

双击spatial analysis tools 工具箱中zonal 工具集下的zonal statistic 工具,弹出如图11.9所示的分区统计对话框。

1) 在Input raster or feature zonal data文本框中,选择洼地贡献区域数据watershsink ;2) 在Input value raster 文本框中输入希望进行统计分析的数据层,现在需要统计洼地贡献区域的最低高程,选dem 作为value raster 。

3) 在Output raster 文本框中将输出数据文件命名为zonalmin ,存放路径保持不变。

4) 统计类型选择。

在统计类型选择的下拉菜单中有软件所提供的一些统计类型:分别是在分带区域中统计的每一个分带的平均值(mean )、最大值(maximum )、最小值(minimum )、分带中的属性值的变化值(rang )、标准差(std )以及总和(sum )。

这里选择最小值作为统计类型。

以上设置完毕之后,单击OK ,完成计算。

图11.9 分区统计对话框(6) 计算每个洼地贡献区域出口的最低高程即洼地出水口高程。

双击spatial analysistools 工具箱中zonal 工具集下的zonal fill 工具,弹出如图11.10所示的分区统计对话框。

在Input zone raster 文本框中选择watershsink,在Input weight raster文本框中选择dem,在Output raster 文本框中将输出数据文件名改为zonalmax,然后单击OK,进行运算。

(7) 计算洼地深度。

加载Spatial Analyst 模块,点击Spatial Analyst 模块的下拉箭头,点击raster calculator 菜单工具,如图11.11,在文本框里面输入sinkdep = ( [zonalmax] - [zonalmin]),然后点击evaluate 进行计算。

对于以上(4)、(5)步的计算,可以利用spatial analysis tools 工具箱中的map algebra 工具集的multi map output 工具进行计算。

双击spatial analysis tools 工具箱中的map algebra 工具集下的multi map output 工具,弹出图11.12的对话框。

对于第(4)步,在文本框中输入:E:\chp11\tutor\result\zonalmin = zonalmin(E:\chp11\tutor\result\watershsink, E:\chp11\tutor \dem);对于第(5)步,在文本框中输入:E:\chp11\tutor\result\zonalmax = zonalfill(E:\chp11\tutor\result \watershsink, E:\chp11\tutor \dem);经过以上七步的运算,就可到如图11.13所示的所有洼地贡献区域的洼地深度。

通过对研究区地形的分析,可以确定出哪些是由数据误差而产生的洼地,哪些洼地区域又是真实的反映地表形态,从而根据洼地深度来设置合理的填充阈值,使得生成的无洼地DEM 更准确的反映地表形态。

图11.11 洼深度计算图11.10 洼地贡献区域边缘最低高程计算对话框图11.12 map algebra 计算窗口11.1.3 洼地填充洼地填充是无洼地DEM 生成的最后一个步骤。

在通过洼地计算之后,知道了原始的DEM 上是否存在着洼地,如果没有存在着洼地,那么原始DEM 数据就直接可以用来进行以后的河网的生成、流域的分割等。

而洼地深度的计算又为在填充洼地时设置填充阈值提供了很好的参考。

图11.13 计算出的洼地深度图1. 双击hydrology 工具集中的fill 工具,弹出如图11.14所示的洼地填充对话框。

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