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洪水预报理论的新进展及现行方法的适用性 芮孝芳 河海大学水文及水资源学院 水利水电科技进展，2001-21(5).-1-4 洪水 水文预报 产流 汇流 洪水波 综述 1　洪水预报理论的新进展 1.1　流域产流理论 从1935年Ｈｏｒｔｏｎ发表《地表径流现象》一文，初次提出产流的物理条件，到1978年Ｋｉｒｋｂｙ等的专著《山坡水文学》的出版，关于产流机制的研究已经历了近半个世纪.现在已知的关于产流的物理条件可概括为[1]:降雨强度与下渗能力的对比，下渗到包气带的水量与其缺水量的对比，以及包气带岩土结构的均匀程度等.由此3个条件，已能合理解释自然界超渗地面径流、饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流等4种径流成分的形成机制.不同径流成分一般存在于不同的介质中，研究不同径流成分的形成机理，对于合理划分水源及其提高流域汇流的计算精度有重要意义. 可能共生的径流成分即组成了总径流.自然界的总径流组成共有9种[2]，但如着眼于影响总径流的因素，则可简化为两类:第一类的影响因素为降雨量、雨期蒸散发和降雨开始时包气带含水量;第二类的影响因素为降雨量、降雨强度、雨期蒸散发和降雨开始时包气带含水量;或者说第一类的总径流与雨强无关，第二类则与雨强有关.这样就分清了自然界存在的两种基本产流模式:第一类称为蓄满产流模式;第二类称为超渗产流模式.分清产流模式有利于总径流计算方法的建立. 现在关于产流机制还有一些未被认识的领域，例如坡度、土层各向异性、非饱和水流等对产流的作用至今还不太清楚[2]. 对于各种径流成分的产流面积变化，目前尚不确知，但对总径流的产流面积变化已有所了解，并且可以证明，当降雨空间分布均匀时，对蓄满产流可用流域蓄水曲线描述产流面积变化，而对超渗产流则可用下渗容量面积分配曲线描写产流面积的变化.流域蓄水曲线和下渗容量面积分配曲线均只能在统计意义上反映影响产流量的下垫面因素的空间分布. 1.2　河道洪水波运动理论 人们关于河道洪水波的物理性质和分类的研究，从1858年Ｋｌｅｉｔｚ提出洪水波是单斜上升波算起已有一个多世纪了.目前认为最有理论根据，并对实践有指导作用的分类方法是由Ｐｏｎｃｅ于1977年提出的.Ｐｏｎｃｅ的分类方法基于由连续性定律和能量守恒定律得到的Ｓｔ.Ｖｅｎａｎｔ方程组，从而把洪水波分为运动波、扩散波、重力波、稳定动力波、动力波等5种[3]. 运动波发生在河底比降远大于惯性项与附加比降项之和的山区河流中，它的水位流量关系为单一线，波速用Ｓｅｄｄｏｎ公式计算，仅向下游传播，在传播过程中洪峰不变，但过程线形状可不变也可变，取决于波速是否随水力条件变化.扩散波发生在仅惯性项可忽略的河底比降比较平缓的河流中，它的水位流量关系为绳套型曲线，波速也可用Ｓｅｄｄｏｎ公式计算，也只向下游传播，在传播过程中不但洪峰衰减，而且过程线发生坦化.惯性波一般发生于河底比降和摩阻比降可以抵销、水面近乎水平的水库中，不存在水位流量关系曲线，波速不能用Ｓｅｄｄｏｎ公式计算，可向下游和向上游两个方向传播，且向下游方向传播的速度远大于运动波或扩散波速.动力波发生在各种作用力量级相当的平原河流或河网中，也不存在水位流量关系曲线，传播速度和方向与重力波相似.稳定动力波在天然洪水波运动中不多见.在洪水预报中，运动波和扩散波是最常见的，它们已成为河道洪水演算的理论基础.惯性波理论应当成为水库调洪演算的理论基础，但目前的研究尚不深入.动力波演算则已成功用于感潮河段和平原河网的洪水演算.运动波方程式为 式中:ｑ为流量;ｃ为波速;ｘ为沿水流方向距离;ｔ为时间. 对于一定的初始条件，根据式(1)就可由已知的上断面洪水过程线，确定下断面洪水过程线.但最具有实用价值的是式(1)的数值解.可以证明，当采用数值解时，只要数值解所引起的数值扩散能模拟洪水波的物理扩散[4]，则得到的解与传统的Ｍｕｓｋｉｎｇｕｍ法一样，并可得到确定流量比重因次ｘ的计算公式为 式中:Ｄ为扩散系数;Δｘ为子河段长. 扩散波方程式为 式中各项符号的意义同前. 对于一定的初始条件，若上断面入流为单位脉冲，则由式(3)可求得自由下边界情况下，下断面的出流过程为[2] 式(4)实际上就是河段的瞬时单位线公式.用此式进行洪水演算将是十分方便的.式(3)的优点还在于可用于下游有回水顶托作用的河道的洪水演算. 1.3　流域汇流理论 流域汇流是一种比河道洪水波运动更复杂的水流运动，一般不宜用上述洪水波方程式来描写它，应采用特殊或独到的研究方法. 从现象上看，流域出口断面流量过程与形成它的流域净雨过程相比较，不仅重心出现时间推迟了，而且峰值降低了.前者称为流量过程的推移，后者称为流量过程的坦化.如果能找出一些概念性元件来完全或不同程度地模拟这些作用，则将这些概念性元件进行合理的排列组合，就可达到模拟流域汇流的目的.这