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河流动力学授课教师：水力学教研室王鹏涛Tel：135234520972015.3课程安排教材：张瑞瑾《河流泥沙动力学》水利水电出版社参考书：钱宁《泥沙运动力学》王兴奎等《河流动力学》水利水电出版社邵学军等《河流动力学概论》清华大学出版社学时数：56＝50(理论课)＋6(实验课)课程性质：港航专业的专业技术基础课(考试课)河流动力学的研究任务：水力学静止水的性质运动水流的性质水流与水工建筑物的互作用河流动力学的研究任务：河流动力学静止水体中的泥沙运动水流中的泥沙泥沙与河床及河岸的互作用1河流动力学的几个重要概念2天然河流的动力特性3与港航工程建设的关系4河流动力学研究历史和现状5河流动力学学习方法第一章绪论(INTRODUCTION)1河流动力学的重要概念河流动力学(RiverMechanics)是研究冲积河流（Alluvialriver）在自然状态下以及受人工建筑物影响以后所发生的变化和发展规律的一门科学。1.1研究对象天然冲积河流(河流、流域、水库等)1.2研究内容1）泥沙在水流中的输运过程和挟沙水流的运动规律；2）是在水流和泥沙运动的作用下冲积河流形态的变化规律；3）流域的土壤侵蚀和产流产沙、与河流泥沙有关的河口三角洲及海岸演变等。可概括为：水流结构、泥沙运动、河床演变、河床变形预测等。流域河源区山谷区平原区河口区1.3河流动力学的重要概念流域不同区域的特点侵蚀输运堆积（沉积）1.3河流动力学的重要概念河源区及山区的V型河谷平原区河流在河谷地形开阔、平缓的山区地带，河道平面形态中也能够出现边滩发育、出现分汊河道。低含沙量的河流在植被茂密的地带形成的蜿蜒型河道和牛轭湖。河流入海口一土壤侵蚀（Soilerosion）1.3河流动力学的重要概念流域侵蚀的危害河流动力学中的几个重要概念1.水资源和土壤资源的恶化2.造成下游河道严重淤积3.造成水库等人类治水工程的失效土壤侵蚀和水土流失是河流工程泥沙问题的直接起因!黄土高原土壤侵蚀的两种学术观点河流动力学中的几个重要概念1.历史地理学及生态学专家：“人为活动引发的加速侵蚀占总侵蚀量的75%”主要论据：认为商周以前(距今三千年左右)黄土高原森林覆盖率达53%，到秦汉时期(距今二千年左右)黄土高原地区的森林面积不少于25万km2，当时的地貌特征是‘塬’而非千沟万壑。商周或秦汉以后人类农牧业生产活动、连续不断的战争及移民屯垦等破坏了黄土高原的森林植被，使生态失衡，土壤侵蚀加剧，才形成了今日的黄土高原地貌(史念海1982，张维邦1989)。黄土高原土壤侵蚀的两种学术观点河流动力学中的几个重要概念2.地质学和自然地理学专家：“与人为活动无关的自然侵蚀占总侵蚀量的75%”主要论据：在地质历史上，这一地区的自然侵蚀已经达到十分强烈的程度。黄河的四级或五级支沟可能早在几千年或几万年前(即在人类开始频繁活动之前)已经形成，目前的沟谷系统是现代沟谷作用与史前沟谷系统的叠加。黄土高原侵蚀强度分布与人口密度分布没有明显的相关关系。观点不同，则治理措施、预期效果大不相同：根据第一种观点，黄土高原的生态环境取决于人为因素，故可完全恢复，水土流失可全面根治。根据第二种观点，黄土高原的生态环境取决于自然因素(如气候转为干旱还是转为湿润)，所以不能在短期内完全恢复，水土流失视具体的局部气候、土质和植被条件，只能部分得到治理。宜林则林，宜草则草。降雨极少的地区不可能成林。现在倾向于：自然侵蚀为主，近代人类活动加速侵蚀二泥沙的输运河流动力学中的几个重要概念1.流域内的输移流域出口输出泥沙总量：ST，流域地表侵蚀量：SE，两者并不相等，一般情况下SEST定义：ST/SE为泥沙输移比总体规律：流域控制面积越大，输移比越小黄土高原地表组成物质多粉沙，受侵蚀后易被流水带走，因此黄土丘陵沟壑区的泥沙输移比接近于1.0。南方多岩石构成的山地丘陵区，泥沙输移比相对较小，大多低于0.3，少量为0.5，这与我国南方土地侵蚀物质颗粒粗大，沟道径流中推移质数量大，中小河流、塘库、湖泊淤积量大等因素有密切关系。二.泥沙的输运河流动力学中的几个重要概念2.干流河道内的泥沙输运冲积河流最主要的功能，就是排泄上游流域中产生的洪水和输运进入河道的泥沙；二.泥沙的输运河流动力学中的几个重要概念2.干流河道内的泥沙输运干流河道内的泥沙输运的关键性问题是：河段上游来流的挟带泥沙的能力与上游来沙之间的关系。来流的挟沙能力来沙量河道产生冲刷来流的挟沙能力来沙量河道产生淤积河床及河岸产生变形三.水库淤积河流动力学中的几个重要概念修建水库后，上下游出现的再造床过程。水库淤积的速度，与上游土壤侵蚀和水土流失的程度直接相关。随着各类大中型水库的兴建，流域内的土壤侵蚀问题也会越来越明显地在水库淤积中体现出来。黄河三门峡水库1960年9月开始蓄水运用时，设计库容为96.4亿m3，坝前水位323m的库容为36亿m3。经蓄清排浑控制运用，至1990年，三门峡坝前水位330m时的可用库容稳定在30.6亿m3，坝前水位323m时的库容稳定在10亿m3左右。三.水库淤积河流动力学中的几个重要概念2天然河流的动力特性1）天然河流总是处在不断的变化和发展中。（弯道冲刷）2）河流的变化和发展是水流与河床相互作用的结果。（水流河床）作用与反作用3）水流与河床的相互作用是通过泥沙交换来实现的。（泥沙淤积河床升高；泥沙冲刷河床降低）4）水流与河床间的泥沙交换是受水流紊动结构所制约。（向上脉动水流掀起泥沙进入水流中向下脉动水流沉落泥沙沉入河床底3与港航工程建设的关系1）港口的布置；2）航道的疏浚与整治；3）河口与海岸工程的建设；4河流动力学研究历史和现状4.1国外发展历史：20世纪30年代起形成了一门新的学科一河流动力学；标志：劳斯1938泥沙紊动扩散理论；4.2中国古代发展历史：公元前250年秦孝王初期，都江堰工程是蜀太守李冰：使得“沃野岁灾，民受其害”,“江水初荡荡，蜀人儿为鱼”的成都平原改变为“水旱从人，不知饥谨．时无荒年”的天府之国；从这个意义上说，它堪称世界又一奇迹；在长期的治理黄河过程中，我国人民积累了许多宝贵的经验，其中不少认识如“筑堤束水，藉水攻沙”，以及“水分则势缓，势缓则沙停，沙停则河饱”,“水合则势猛，势猛则沙刷，沙刷则河深”等关于水沙关系的论断；4.3中国发展现状：4.3.1三峡工程举世瞩目在其前期论证工作中，泥沙问题就被列为关键技术问题之一。通过物理模型、数学模型、实船试验、原型观测等手段，就“三峡坝区泥沙淤积对通航和发电的影响及其防治”,“回水变动区河段泥沙淤积”,“坝下游河道演变及重点河段整治”等问题进行了深入的研究，其成果在整体上达到了国际先进水平；4.3.2新中国成立后，出现了河流动力学研究的著名人物：其中钱宁、窦国仁、谢鉴衡、张瑞瑾等为代表。4.3.3中国科研机构和大学（水力学及河流动力学专业）：南京水利科学研究院、中国水利水电科学研究院清华大学、天津大学、河海大学武汉大学、四川大学、大连理工大学浙江大学、西安理工大学等由于研究的问题比较复杂，在研究中就不得不对问题作出某些假定，进行一些简化，同时在实际工作中则广泛使用半经验的或经验的方法。教材就一些有代表性的公式较为详细地介绍了其推导过程。因为研究问题的复杂，学者处理问题的出发点和依据的资料不同，对同一问题得到的公式也各不相同，这也从一个侧面反映了本学科的不成熟。理论与实践结合的方法。5河流动力学学习方法研究方法：理论分析法:根据实际问题建立理论模型实验研究方法:根据实际问题利用相似理论建立实验模型数值计算方法：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、有限体积法等，利用商业软件和自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。河道水流是河道泥沙的载体.一河道水流特性：1.二相性2.非恒定性3.空间性（三维性）4.非均匀性5.水沙不平衡性第1章河流水力学中的基本概念简介(twophaseflow)河道的水力学特性水流——泥沙两相流两相流和一相流（清水）的区别重力惯性力阻力1.二相性:河道的水力学特性重力作用的区别两相流与一相流一相流（清水）：重力是水流克服阻力保持流动的动力。两相流：沿运动方向的重力分力是泥沙保持运移的动力，而沿垂直方向的分力则使泥沙沉积，阻止其运动。惯性力作用的区别河道的水力学特性密度的不同决定了泥沙和水流在相同外力的作用下，具有不同的加速度，因此水沙的运动多数情况下将产生不协调，这种不协调造成了水流内部结构的复杂变化。两相流与一相流05010015020025030035040045050001000200030004000500060007000050100150200250300流量（m3/s）时刻（h）92.8流量过程92.8含沙量过程含沙量（kg/m3)图花园口水文站“92.8”型洪水流量及含沙量过程020406080100120140160180050010001500200025003000350040004500050100150200250300流量（m3/s）时刻（h）92.8流量过程92.8含沙量过程含沙量（g/m3)图高村水文站“92.8”型洪水流量及含沙量过程阻力的区别河道的水力学特性清水的阻力：1.水流与边界之间的摩阻2.水流内部各流层之间的内摩擦水沙两相流的阻力：1.泥沙颗粒之间的摩阻与碰撞2.水流在泥沙颗粒周围形成的压差阻力（绕流阻力）3.泥沙形成的大的床面形态对水流形成的形状阻力二相流基本物理量的变化：泥沙密度，粒径，输沙率两相流与一相流河道的水力学特性2.非恒定性：（1）时间上的非恒定性：汛期，河道水沙集中，流域面积越小，集水和产沙速度越快。非汛期相反。水流的非恒定性直接决定了泥沙输运的非恒定性，例如：“大水走直，小水走弯”，使得汛期和非汛期河床的演变具有不同的规律性；（2）空间的非恒定性：河床边界经常处于演变之中；小浪底水库调水调沙：河道的水力学特性3.三维性：自然界的流动都是三维的，在河道不同部位，流速不同，造成泥沙的运动也有所不同。同时，弯曲河道也会使水流的运动结构和泥沙的运动结构产生变化。宽浅河流；窄深河流；河道的水力学特性4.非均匀性：均匀流的特点……？河道水流视为均匀流的条件……？河道的水力学特性5.水沙不平衡性天然河道中的水流条件总是在不断变化的，其挟带泥沙的能力也在不断变化，河床（河岸）的泥沙不断地与水流中的泥沙产生交换.水沙不平衡的两种发展状态：更加不平衡或寻求新的平衡。第二节河道水流的水流结构1河道水流的流型2河道水流的流态(河势)3河道水流的流速分布4河道水流的环流结构1河道水流的流型水力学中将液体的运动分为紊流和层流。紊流中又可分为光滑区、粗糙区（阻力平方区）以及过渡区。河道水流一般属于阻力平方区的紊流。原因：1）河道水流普遍具有较大的雷诺数；2）河道“紊源”多，而且复杂。2河道水流的流态（河势）流态是指一切标志河道水流总体倾向的现象。正流（元生流）：河流纵比降一致主流线（最大单宽流量、动量、动能线）主流带：边流带：副流（次生流）：正流正流主流线主流带副流副流河道水流的流态是正副流组成的复杂水流3河道水流的流速分布河道水流的过水断面形式：1峡谷形2椭圆形3三角形、4多槽形5滩槽复合形确定流速分布一般可采取以下三种方式：（1）进行实测或在物理模型中测量；（2）属于上面5种基本形式的，凭经验绘制；（3）对于二维强烈的水流，采用公式计算。1）卡曼-普兰特尔对数流速分布公式2）王志德对数及反三解函数流速分布公式3）指数流速分布公式4河道水流的环流结构河道中除水流的纵向运动外，还存在着环绕一定的旋转轴往复进行的水流运动，称为环流运动。环流为副流，也称次生流，它不是由河床纵坡降的总趋势决定的，而是由纵坡降以外的其他因素促成的。环流对于泥沙运动和河床演变有重要的影响，它是引起横向输沙的主要动力。根据环流的形态，可将其分为水平轴环流和竖直轴环流。水平轴环流竖直轴环流根据环流产生的原因，可分为4类：1）因离心惯性力而产生的弯道环流弯道环流是河道水流中最常见、最重要的因离心力而产生的环流。根据