河流动力学2008-C3悬移质运动for教学楼

08.3.18(4周)三08.3.20(4周)五08.3.23(5周)一1第三章悬移质运动本章内容简介2床沙质冲泄质含沙量沿水深的分布悬移质输沙率含沙量沿程变化总输沙率3.00第三章悬移质运动㈠研究的目的意义引水排沙工程：需了解含沙量沿水深的分布；库区淤积及淹没：需知道悬移质输沙量；河床演变分析：需了解输沙率及含沙量沿程变化；㈡泥沙悬浮的条件⑴床面附近的漩涡尺度大于泥沙粒径；⑵漩涡的向上分速大于泥沙的沉速。㈢悬沙占总沙量的比例悬沙一般占总沙量的绝大部分，悬沙量一般比底沙量多数十倍甚至更多；但推移质不能忽略。例：寸滩站年均悬沙输沙量4.6亿吨，底沙600万吨，悬沙占98.7%；嘉陵江北碚站年均悬沙量1.18亿吨，底沙5~8万吨，悬沙99.3%3.1.1.13.1床沙质与冲泄质一、问题的提出xe第三章悬移质运动㈠床沙与运动沙颗粒级配分析床沙：粗沙多于细沙动沙：细沙多于粗沙组成：动沙中某些较细的泥沙在床沙中几乎没有，似乎与床面没有发生交换，为什么？3.1.1.23.1床沙质与冲泄质一、问题的提出xe第三章悬移质运动㈡实测输沙量与流量关系(Qs~Q)分析正常概念：Q越大，Qs应越大；但仅在较大的颗粒存在此概念。D越大(0.03mm)，Qs~Q关系越强；D0.01mm时，Qs~Q几乎没有关系(图3-1)。说明：D0.01mm时，上游来多少沙就走多少沙，只与上游Qs有关，而与Q无关。3.1.1.33.1床沙质与冲泄质一、问题的提出一第三章悬移质运动㈢水槽试验成果分析D0.1mm时，无论上游加多少沙，Qs几乎不变(图)；D0.06mm时,上游加多少沙走多少沙，与Q几乎无关。说明：D0.1mm时，Qs由水流条件确定；D0.06mm时，Qs由上游加沙量确定。3.1.23.1床沙质与冲泄质二、床沙质与冲泄质的概念二第三章悬移质运动㈠床沙质：较粗颗粒泥沙在搬运过程要与河床上的泥沙发生交换，认为该河段的粗沙来自上游河床，是从床沙中进入运动的泥沙；与河床冲淤变化有密切关系，所以又称造床质。请注意：“床沙”与“床沙质”概念上的区别。㈡冲泄质：较细颗粒泥沙在运动过程不与河床上的泥沙发生交换，可认为是从流域表面冲刷后一泻千里而来,沿程几乎不交换、不沉淀；与河床冲淤变化基本无关系，所以又称非造床质。3.1.33.1床沙质与冲泄质三、推移质-悬移质与床沙质-冲泄质命名的区别三第三章悬移质运动㈠命名方式不同推-悬：按运动方式分床-冲：按颗粒大小和泥沙来源分㈡推移质≠床沙质，悬移质≠冲泄质悬沙含有床沙质和冲泄质，只是冲泄质多，床沙质少；底沙也含有床沙质和冲泄质，只是冲泄质少，床沙质多。㈢床沙质与冲泄质在一定条件下可以相互转换同一粒经的颗粒，在上游是冲泄质，在下游可能就是床沙质；同一粒经的颗粒，在洪水期是冲泄质，在枯水期可能就是床沙质；在库区，床沙质的粒经会更小。3.1.43.1床沙质与冲泄质四、床沙质与冲泄质的划分3.1第三章悬移质运动㈠床沙Dw5法㈡固定粒经法㈢公切线法请注意：“床沙质”与“冲泄质”分界的具体河段、具体水期、具体河道特性。三种方法的共同点：均是以粒经分界。认为床沙中Dw5的颗粒为冲泄质，悬沙中Dw5的颗粒为冲泄质(图3-2)Partheniades认为D0.06mm为冲泄质。床沙与悬沙级配曲线的公切线与D轴的交点处的粒经作为分界(图)。3.2.0.13.2含沙量沿水深分布○、一些基本概念xe第三章悬移质运动㈠含沙量的定义SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSWWSSVVSSVWSSSVSVSWVSWVSVSVVSSVSVSWVSWVSWWSVVS1)(~~1)()1(单位体积浑水重量1)(~~)(重量比含沙量)(体积积比含沙)kg/m(含沙量3间的关系⑤：④间的关系④无量刚浑水重量泥沙所占重量：③无量刚浑水体积泥沙所占体积：②量，单位浑水体积的泥沙重浑水体积泥沙所占重量：①3.2.0.23.2含沙量沿水深分布○、一些基本概念xe第三章悬移质运动㈡各含沙量之间的换算关系SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSWWSSVVSSVWSSSVSVSWVSWVSVSVVSSVSVSWVSWVSWWSVVS1)(~~1)()1(1)(~~)()()kg/m(3间的关系⑤：④间的关系④无量刚浑水重量泥沙所占重量：③无量刚浑水体积泥沙所占体积：②量，单位浑水体积的泥沙重浑水体积泥沙所占重量：①单位体积浑水重量重量比含沙量体积积比含沙含沙量SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSWWSSVVSSVWSSSVSVSWVSWVSVSVVSSVSVSWVSWVSWWSVVS1)(~~1)()1(1)(~~)()()kg/m(3间的关系⑤：④间的关系④无量刚浑水重量泥沙所占重量：③无量刚浑水体积泥沙所占体积：②量，单位浑水体积的泥沙重浑水体积泥沙所占重量：①单位体积浑水重量重量比含沙量体积积比含沙含沙量3.2.0.53.2含沙量沿水深分布○、一些基本概念xe第三章悬移质运动㈢重力作用泥沙比水重而向下沉降，使得水流含沙量在河底较大，水面较小，悬沙呈现上稀下浓的非均匀分布。㈣紊动作用紊动作用使悬沙由含沙量高的下层向含沙量低的上层传送。因为：穿过水平面的浑水量平衡，而下浓上稀，向上水体挟带的泥沙大于向下水体挟带的泥沙。㈤紊动扩散作用紊流作用同分子布朗运动引起的某物质从浓度高的地方向浓度低的地方不断迁移的分子扩散现象一样，因次称为～。重力作用使含沙量沿水深分布趋向不均匀化；紊动作用使含沙量沿水深分布趋向均匀化。3.2.0.63.2含沙量沿水深分布○、一些基本概念0第三章悬移质运动㈥含沙量沿水深分布的平衡状态紊动扩散作用使泥沙上浮，重力作用使泥沙下沉，含沙量沿水深部分由此二者相对作用的对比关系决定。重力作用占优势，泥沙下沉，河床淤积；紊动扩散作用占优势，泥沙上浮，河床冲刷；二者作用相当时，河床不冲不淤,处于平衡状态.紊动扩散作用上浮的沙量和重力作用下沉的沙量在垂线上任一位置都相等，含沙量沿水深分布达到了平衡状态。本章含沙量沿水深分布的推进就基于这种平衡状态3.2.1.13.2含沙量沿水深分布一、扩散理论xe第三章悬移质运动㈠理论前提属于质量守恒原理采用扩散理论推导含沙量沿水深分布的前提：二元、恒定、均匀流、平衡输沙㈡基本思路平衡输沙：重力作用的泥沙下沉量＝紊动扩散作用的泥沙上浮量3.2.1.33.2含沙量沿水深分布一、扩散理论xe第三章悬移质运动㈢二维恒定均匀流平衡输沙扩散方程021)(dySdSdySdSggSyyy输沙平衡质量扩散悬沙扩散系数时均含沙量；——令Sg1dySdgy2021)(dySdSdySdSggSyyy输沙平衡质量扩散悬沙扩散系数时均含沙量；——“－”？单位时间单位水平面积内的泥沙下沉量：单位时间单位水平面积内的泥沙上升量：3.2.1.43.2含沙量沿水深分布一、扩散理论ye第三章悬移质运动㈣二元均匀流不平衡输沙扩散方程取微元体如图3-3，获得进出微元体的沙量差：tyxySyvSxuSgΔΔΔ)()()(Δ1进出沙量差：tyxtSgtSΔΔΔΔ2起的沙量变化则：因含沙量改变而引化，为单位时间的含沙量变设：)const()()(＝＝二者应相等ySyvSxuStS3.2.1.43.2含沙量沿水深分布一、扩散理论ye第三章悬移质运动㈣二元均匀流不平衡输沙扩散方程)const()()(＝＝二者应相等ySyvSxuStSySSySSvvxSSuutSSySSySSvvxSSuutSS)())(())(()()())(())(()(＝两端平均有：＝ySSySSvvxSSuutSSySSySSvvxSSuutSS)())(())(()()())(())(()(＝两端平均有：＝ySyvSxSuxSutS＝整理得：0,0,0,0,0vuvSxu注意：3.2.1.43.2含沙量沿水深分布一、扩散理论ye第三章悬移质运动㈣二元均匀流不平衡输沙扩散方程ySyvSxSuxSutS＝整理得：代入上式得＝＝又,,xSSuySvSxyySySyxSxxSutSxSSuySvSyxxy＝：扩散方程式二元均匀流不平衡输沙代入上式得＝＝又为书写方便取消平均符)(,,对流项扩散项沉降项3.2.1.43.2含沙量沿水深分布一、扩散理论xe第三章悬移质运动㈣二元均匀流不平衡输沙扩散方程ySySyxSxxSutSxSSuySvSyxxy＝：扩散方程式二元均匀流不平衡输沙代入上式得＝＝又),,沙量证明结果一样与前面沉降沙量＝上升衡输沙：对于二元恒定均匀流平水面0000,000dydSSCdydSSSySyySySytxyCSyyy虽然随S变化，但变化很小，可认为是定值。所以，下一步的任务是：如何获得y的表达式？3.2.1.53.2含沙量沿水深分布一、扩散理论ye第三章悬移质运动㈤y~m间的关系)()(动量扩散动量交换系数；质量扩散悬沙扩散系数——my0))((2)(dySdvSvSvSvSvSvSvSvSvSvSvvSSSvgvvvSSSy则：垂向流速：根据水流的脉动特性有＋＝dyudm＝dySdgy2因为0))((2)(dySdvSvSvSvSvSvSvSvSvSvSvvSSSvgvvvSSSy则：垂向流速：根据水流的脉动特性有＋＝0000SvSv时，时因紊动扩散项g2的另一种表达式：3.2.1.53.2含沙量沿水深分布一、扩散理论xe第三章悬移质运动㈤y~m间的关系依据紊流动量传递理论：dyudvudyudvumm＝dySdvSy)(~相当my最简单的假定是：y＝m，m＝??3.2.1.63.2含沙量沿水深分布一、扩散理论xe第三章悬移质运动㈥m的计算式依据紊流动量传递理论：hydyudm10＝yUdyduhyhUdyduhyUuyhUuuyhUuu***max*max*max1lnlnln1数流速分布公式：依据卡门－普朗特尔对dyduhyUdyduhym112*0再代入上式，得：hyhyUm*3.