河流动力学课程知识体系框架图_327306719
河流动力学课件
§2-1 单个颗粒的特性
三、颗粒的密度、容重、比重 1、颗粒的密度ρs： 颗粒单位体积内所含的质量。 2、容重γs： 泥颗的实有重量与实有体积的比值（排 除孔隙率在外），由颗粒的矿物组成决定。 3、比重： 固体颗粒重量与同体积4℃水的重量之比。
河流动力学课件
§2-1 单个颗粒的特性
得出球体等速下沉时所受阻力等于水中重力，即：
3 d 6d3(s)gC Dd 4222
1 s gd2 18
或 CD=24/Re
河流动力学课件
§2-3 泥沙颗粒的沉速
4、紊流状态 据试验得：CD=0.45或0.43
1.72
s
gD
5、过渡状态 目前无理论分析公式，一般靠实验解决。
河流动力学课件
河流动力学课件
§2-3 泥沙颗粒的沉速
2、一般表达式（球体）
水中重力 牛顿阻力
G6(s )D3
F RC DA2 u2 C DD 42 2 2
4 s gD 3CD
平衡时﹤沉降达极限状态﹥ G=FR
对三种绕流状态都适用，不同在于CD区别
河流动力学课件
§2-3 泥沙颗粒的沉速
3、层流﹤stokes﹥ Red＜0.25时，据水流作用于球沙的运动方程
铅直下沉，流线有条不 表面 紊，颗粒背面流线紧贴 阻力 表面，流线无分离。 为主。
过渡 0.1 ＜D ＜2
介于两者之间
兼有
紊流
D＞2
ω较大，摇摆下沉，流 线呈曲线状态，背面强 烈扰动漩涡。
形状 阻力 为主。
河流动力学课件
§2-3 泥沙颗粒的沉速
二、沉速的确定（明确基本概念后讨论公式） 1、注意事项 ① 核心问题：水流对泥沙的阻力。把泥沙看 作静止，相对的水流为运动的，运用流体运 动方程求解。 ②把泥沙简化为球体，按形状不同进行修正。 ③局限在一定粒径范围内的泥沙可按理论推 导，若干系数还需借助试验资料。 ④泥沙下沉有3种状态，故公式有所不同。
《河流动力学》课程教学大纲
《河流动力学》课程教学大纲英文名称：河流动力学（River Dynamics）课程编号：080820047总学时：32适用对象：水文与水资源工程专业本科第三年先修课程：水力学，自然地理学，水文测验学大纲主撰人：大纲审核人：一、课程性质、作用、教学目标1．本课程为水文与水资源工程专业的一门必修专业基础课。
2.目的是使该专业学生了解冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后所发生变化的基本特性。
流域上产生的泥沙进入支流、干流河道后，对河道的水流运动、河道演变及沿河的工业、农业、生活取排水工程有重要影响。
领会学习处理复杂问题的思路及方法，能初步掌握河流泥沙运动的基本规律，分析水流泥沙运动与河道演变对环境的影响，在一定意义上，它也是一门专业课。
通过本课程的学习，让本专业的学生掌握泥沙运动的观测、采集、分析、计算方法，运用所学知识去分析工程中遇到的泥沙问题。
二、教学内容基本要求第一章绪论授课学时：2基本要求：了解河流动力学的研究对象、研究任务、研究方法。
介绍该学科的发展过程，学科的性质、地位、作用，介绍典型工程泥沙问题实例。
第二章河道水流授课学时：4基本要求：2-1 了解河道水流的基本特性：二相性、三维性、非恒定性、非均匀性。
2-2 了解紊动切力：紊动切力的概念、表达式及沿水深的分布规律。
2-3 了解明渠水流垂线流速分布：流速分布的层区，对数流速分布公式介绍。
2-4 掌握明渠水流阻力：阻力的表达形式及相关关系。
2-5 了解明渠水流能量的内在结构：单位水体提供能、消耗能和传递能之间的关系沿垂线分布，挟沙后的能量变化。
重点：水流基本特性和水流阻力难点：水流的能量结构第三章河流泥沙基本特性授课学时：8基本要求：3-1 掌握泥沙的物理特性：泥沙的粒径、沙样的级配曲线、泥沙的形状、容重；3-2了解细颗粒泥沙表面物理化学性质：双电层结构与结合水膜，絮凝与分散现象；3-3了解浑水的基本特性：浑水的含沙量、流型、粘滞性；3-4掌握泥沙的沉降速度：球体的沉降机理、泥沙的沉速公式及影响因素；3-5掌握河流泥沙的分类：按泥沙粒径大小、泥沙运动及造床作用分类；重点：泥沙的物理特性和泥沙的沉速难点：泥沙表面物理化学性质第四章推移质泥沙运动授课学时：4基本要求：4-1了解泥沙起动：起动的机理、泥沙起动的希尔兹关系、起动流速公式、起动的随机性、非均匀泥沙的起动；4-2了解推移质输沙率：均匀沙推移质输沙率公式、各类公式的基本思路、非均匀沙泥沙的处理。
河流动力学第四章
§4.1 研究泥沙起动的方法 上举力F ：由于流速分布不均匀，颗粒上下
的绕流不对称，颗粒下方流速小，压力大； 拖曳力 FD ：当水流经过泥沙颗粒时，在颗粒 起动现象： 颗粒上方流速大，压力小，两者合起来构成 的迎水面流速减小，压力增大；在颗粒背后 垂直方向上的上举力 FL。 水流离解，形成漩涡，产生负压，两者合起 F FL FL L 来构成水平方向上的拖曳力FD。
2
4
2
临界起动剪切应力c的表达式如下:
c ( s ) D
2 D 2 U 0
4
2
c
f(
u D
)
Shields 曲线：无量纲临界起动剪切应力与沙 粒剪切雷诺数的关系曲线。
c u D c f( ) ( s ) D
Shields 曲线的特点：
1. Re* < 10 ，不易于起动，随粒径的减小而加大
泥沙颗粒的临界起动条件为：
2 tan W cos FL W sin 2 FD
边坡上的临界起动剪切应力'c与渠道横断面上 河底为水平处的剪切应力c之比为：
c c FD sin 2 tan2 2 2 cos tan2 cos 1 tan2 FD
X FD FD Y
L
泥沙颗粒起动的双重随机性
1、泥沙颗粒位置的随机性
对河床表面任一指定位置的颗粒，其大小、形状和与其 它颗粒的相对位置都是随机的。
2、水流特性的随机性
在天然河流中，水流都具有脉动的性质，即其作用在床 面上某一指定位置上颗粒的力也完全是随机的。
W'
W'
W'
河流动力学——第三章课件PPT
河床上的沙垄与沙漠里的沙丘不存在本质上的不同。
只要是流体和沙粒的交界面，就会有床面形态，因此床面形 态在沙漠、冲积河流河床、碎屑滨岸带、深海海底都会出现。
在沙漠中，随着气流运动的不同、沙粒运动条件的 不同，可以出现多种多样的沙丘。
纵向沙丘
横向沙丘
河流的床面形态
宏观上看，冲积河流河床上最大的形态是 边滩(point bars)。它与河槽在平面上的摆 动有关。
床面形态——纵向条纹
平行于水流方向的形态包括大尺度的沙脊、微尺 度的纵向条纹。沙脊、纵向条纹等一般与流动中稳 定的二次流有密切联系。
沙漠中的纵向沙脊高约为100m ～400m，长可 达100km，一般也认为是由二次流作用形成的。
线状沙脊是广泛分布于潮控陆架上的巨大韵律性 海底地形。有人认为潮流塑造了这种脊、槽相间的 水下地形，将它们命名为潮流沙脊。也可以认为其 形成与二次流有关。
动床床面形态的分类
1. 低能态流区(Lower flow regime, 低水流区) ： 1) 沙纹(ripples) 2) 沙垄(dunes)
2. 过渡区(transition zone) ： 动平整床面(plane bed)
3. 高能态流区 (upper flow regime) : 1) 动平整床面 (plane bed ) 2) 逆行沙垄和驻波 (standing waves) 3) 急滩与深潭 (Chutes and pools)
床面形态是沙质推移质 运动过程中自然堆积形成 的有规律形状。
从水体运动的角度看来， 相当于在自由水面之外又 增加了一个自由面，自由 程度视床面的可动性而定。 所以又将动床条件下的水 流运动研究称为“松散边 界水力学”(动床水力 学)(Loose boundary hydraulics）
河流动力学课程教学大纲
河流动力学课程教学大纲课程代码：74120080课程中文名称：河流动力学课程英文名称：River dynamics学分：3.0 周学时：2.5-1.0面向对象：预修要求：流体力学，水力学，高等数学，大学物理，理论力学一、课程介绍（一）中文简介本课程主要涉及两方面的内容：一、河流泥沙运动的基本规律，具体包括泥沙的来源和基本特性、泥沙的分类和起动、沙波形态和发展消长、冲积河流阻力的概念和计算、推移质输沙率、悬移质运动及水流挟沙力。
二、河床演变规律，具体包括河床演变基本原理、蜿蜒型河流演变规律、分汊型河流演变规律、游荡型河流演变规律、顺直型河流演变规律、浅滩演变规律。
通过课程的学习，使学生掌握河流的泥沙特性和泥沙运动规律，掌握河床演变的基本原理和规律，并具备一定的分析研究河流泥沙问题的能力。
（二）英文简介River dynamics is one of the fundamental courses for undergraduate students of ocean college in Zhejiang University. The course focuses on two parts: mechanics of sediment transport and fluvial processes. The first part mainly includes the source and properties of sediment, the classification and incipient motion of sediment, the waveform and development of sand waves, the concept and calculation of alluvial river resistance, bed load transport rate, suspended sediment movement and sediment transport capacity. The second part introduces the law of fluvial processes for various river types, which include meandering rivers, branching rivers, wandering rivers, straight rivers and shoals. Through theoretical study, students can master the law ofmechanics of sediment transport and fluvial processes, and acquire the ability to analyze river sediment problems.二、教学目标（一）学习目标通过本课程关于泥沙运动和河床演变的教学，让学生掌握泥沙的基本特性；泥沙的起动规律；沙波的形态和发展消长；动床阻力特性；推移质和悬移质的运动规律；河床演变基本原理；蜿蜒型河流、分汊型河流、游荡型河流、顺直型河流和浅滩的演变规律。
河流泥沙动力学
4.1泥沙起动的物理机理（1.0学时）
4.2均匀沙的起动条件（1.0学时）
4.3非均匀沙的起动条件（0.5学时）
4.4斜坡上泥沙的起动流速（0.5学时）
4.5止动和扬动流速（1.0学时）
教学方法与 教学手段
教学方法：1.采用“以多媒体教学为主、板书为辅”的方式， 多种教学手段相互补充，使课堂教学与实验教学相结合。
二、课程知识、能力体系
《河流动力学》课程知识（能力）体系
序号
知识单元描述
知识点
对应能力
学时
要求
1
第一章
河流动力学基 本概念简介
河道水流的基本特 性；河道水流的水流 结构；河道水流的紊 动及阻力损失。
掌握河道水流 的基本特性
2
了解
2
第二章 泥沙的特性
河流泥沙来源；泥沙 的矿物特性与分类； 泥沙的几何特性与重 力特性。
4
掌握
5
第五章
沙坡运动及动 床阻力
沙坡形态和运动状 态、沙坡的发展过程 和形成机理；床面形 态的判别标准、沙坡 尺度及其运行速度； 动床阻力。
能熟练掌握沙 坡运动与动床 阻力
3
熟悉
6
第八章 推移质输沙率
推移质简介；均匀推 移质输沙率公式与非 均匀推移质输沙率公 式；估算推移质输沙 率的其他方法；用统 计理论处理推移质输 沙率问题的新进展。
课程简介
《河流动力学》课程是水利水电工程专业的一门专业教育课。是研究河 道在自然状态下以及受人工建筑物控制以后在水流与河床相互作用的过程中 运动发展的力学规律的一门课。本课程的知识点相对分散，公式较多，学生 反映不太好学，因此，在本课程教学中应该以泥沙运动作为主线，以泥沙起 动、推移质运动和悬移质运动的运动规律的分析理解作为重点，进而对理解 泥沙运动对水流阻力、水流运动加以理解掌握。河床演变应与水流泥沙运动 相联系。
河流动力学整理
1.对数流速垂线分布1、泥沙级配曲线：横坐标表示泥沙粒径，纵坐标表达在所考虑的沙样中粒径小于横坐标相应的某一粒径在总沙样中所占的百分比的曲线。
2、粒配曲线的绘制方法和过程：⑴取样筛分,获取各粒经组D i 泥沙的重量;⑵统计出小于和等于各粒经D i 的沙重,并算出其占总重的百分比p i ;⑶准备半对数坐标纸(横坐标为对数分格,纵坐标是普通分格);⑷以粒经Di 为横坐标(对数坐标,从大到小),小于和等于粒经Di 的沙重百分比pi 为纵坐标(普通坐标)绘制D~p粒配曲线。
3、级配曲线可以反映沙样颗粒的相对大小和范围，可反映沙样组成的均匀程度1、特征粒径:单颗粒泥沙粒径:等容粒径,算术/几何平均粒径,筛分粒径,沉降粒径;群体泥沙代表粒径:平均粒径(d i=(d max-d min)/2;D m=∑(d i*p i)/100);中值粒径(d50);非均匀特点:均方差(σ=1/2(D84/D50+ D50/D16));挑选系数(Φ=开方(D75/D25))(越接近1,沙样就越均匀,越大于1,沙样越不均匀);1.孔隙率:泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比。
泥沙孔隙率因沙粒大小、均匀度、沙粒形状、泥沙沉积方式、沉积后受力大小和历史长短等有关。
粗沙(39％-40％);中沙(41％-48％);细沙(44％-49％)。
细颗粒泥沙表面面积大，使得摩擦、吸附、搭成架构等作用增大;粒径均匀的泥沙孔隙率最大;球体,孔隙率小。
(细颗粒泥沙具有较大的孔隙率和较小的干容重)1.容重γs:泥沙颗粒的实有重量和实有体积(不含空隙体积)之比(一般变化范围不大,取2650kg/m3);有效容重系数:泥沙水下比重与水的比重之比(a=(γs-γ)/γ);干容重γs’;泥沙颗粒的实有重量和整个体积(含空隙体积)之比(变化范围大,因为空隙变化大);用途:确定泥沙冲淤体的体积;影响因素:粒径(主)、淤积深度、埋藏深度和环境、排水情况、有无初露水面暴露在空气中、细颗粒的化学成分等;γs’与γs的关系：γs’= γs(1-e)；规律:粒径大的泥沙γs’大一些，变化范围小一些,粒径小的反之;浑水容重:如果以S 代表水的含沙量,则浑水容重(r m=r+(1-r/r s)*s),含沙量S较大的变化只能引起r m较小的变化。
清华河流动力学概论第1章课件1
清华大学水利系河流动力学概论
13
动态系统的平衡状态
在所有动态系统中，都存在着建立和维持平衡 的趋势。平衡状态 (equilibrium) 是指一种能量最低 (lowest possible energy)的状态
滑坡 地球的各种 动态系统寻 求平衡状态 火山喷发 地震 河流改道 山体岩石寻求平衡状态 高压岩浆寻求平衡状态 板块构造寻求平衡状态 悬河洪水寻求平衡状态
2
周次
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
日期
2014. 9.25 10.9 10.11(调课) 10.16 10.23 10.30 11.6 11.13 11.20 11.27 12.4 12.11 12.18 12.25 2015.1.1 2015.1.8
“平衡状态”:系统能量是最低的 Equilibrium
“处于平衡状态”：小球 对于平衡位置的小偏离， 可自动恢复。
“处于平衡位置”：小球对 于平衡位置的小偏离，很可 能会自动加大而不可恢复。
17
清华大学水利系河流动力学概论
亚稳定不是平衡状态。足够大的扰动可使看起来 很稳定的物体改变现有状态、寻求真正的平衡状态。
原有地貌消失、新的风 化或冲积地貌形成过程
结果
地球总是具有一 个年轻的表面
8
清华大学水利系河流动力学概论
地球动态系统
地球上全部水的体积
由于水的存在而 不同于其他行星 地球上全部大气的体积
清华大学水利系河流动力学概论
9
月球上，数千 万年前巨石滚 动的痕迹还完 好地保留着
月球：无大气运动，无 搬运现象 ，很多古老痕 迹完整保留（这在地球 上是无法想象的）
河流动力学概论绪论
➢库区淤积、淹没，坝下冲刷等均需进行河流动力学研究
港口码头 航道工程 取水口 跨河桥梁 其它涉河工程
Hale Waihona Puke 第11页/共24页xe
综上，由于人们在利用河流兴建各种水利工程引 起了一系列问题，迫切需要对河流泥沙的运动规律及 与之相关的河床演变规律进行研究。
认识河流的自身的发展变化规律最终目的是利用 其为人类服务，或者引导其朝着有利于人类的方向 发展，或者最小限度地降低因改变河流自然进程所 带来的负面效应，这是河流动力学学科的根本所在。
平均不足 2年就有一次
河流泥沙动力学
第8页/共24页
8
有关的工程问题
2、水库泥沙淤积问题
水库蓄水同时拦蓄泥沙，减小库容，影响水库正常调度运用，降低
兴利效益；由于泥沙淤积，水库末端上延，库面不断扩大，使得上游河谷、 农田受到淹没和侵没的影响；泥沙随水流进入发电水轮机组，造成磨损， 影响发电机寿命。
黄河三门峡水库——
16世纪中叶中国的潘季驯提出“筑堤束水，以水攻沙”的治河 原则。
1786年法国的P.杜布阿研究了泥沙起动、沙波形成、断面稳 定、粗化作用和河流形态等问题。
1879年法国的P.迪布瓦创立推移质运动的拖曳力理论。 1895年英国R.肯尼迪提出冲积回流的“均衡”理论。 1931～1933年美国的M.P.奥布赖恩和苏联的B.M.马卡韦耶夫
分别将紊流的扩散理论引用到悬移质运动。 1938年ROUSE关于泥沙紊动扩散理论，标志了独立学科的问
世。 1942年美国的H.A.爱因斯坦建立推移质运动统计理论，以后
又与悬移质运动扩散理论结合形成了床沙质挟沙力计算方法。 20世纪40年代末至50年代初河流动力学逐渐发展成为一门独
立的学科。
第三章 水动力学基础优秀课件
本章主要介绍与液体运动有关的基本概念及液 体运动所遵循的普遍规律并建立相应的方程式。
主要念 ❖恒定一元流的连续性方程式 ❖实际液体恒定总流的能量方程式 ❖能量方程式的应用举例 ❖实际液体恒定总流的动量方程式 ❖恒定总流动量方程式的应用举例
以个别液体运动质点为对象.研究给定质点在整 个运动过程中的轨迹.各个质点运动状态总和构 成整个液体运动.
点—线—面 运动轨迹 运动要素
四、局限性： 液体质点运动轨迹非常复杂，实用上不需要知 道某一质点的运动轨迹，因此水力学上不常采 用此方法。
3.1.2 欧拉法
一、定义： 直接从流场中每一固定空间点的流速分布入手 ，建立速度、加速度等运动要素的数学表达式 ，来获得整个流场的运动特性。
uz t
(ux
uz x
uy
uz y
uz
uz ) z
三、含义：
1.等号右边第一项表示通过某固定点的液体质点，其速度 随时间变化而形成的加速度，称为当地加速度.
2.等号右边括号内项表示同一时刻因地点变化而形成的加 速度，称为迁移加速度。
∴ 液体运动质点加速度＝当地加速度＋迁移加速度
ax
du x dt
ux ) z u y ) z
az
duz dt
uz t
(ux
u z x
uy
u z y
uz
uz ) z
ax
a y
dux dt du y
dt
ux t u y
t
(ux (ux
ux x u y
x
uy uy
ux y u y
y
uz uz
ux ) z uy ) z
az
duz dt
河流动力学(第二章)
当 Red = 2×105 附近，Cd 骤然降低，这种现象 在高度紊乱状态时发生。（图）
3、过渡区（介流区）：当 0.5< Red < 103（沙 玉清建议0.2 < Red < 103 ），阻力由粘滞力和 形状阻力（惯性力）共同产生，阻力系数一般 根据试验资料得到经验公式来计算。泥沙沉速 的经验公式主要是针对过渡区的泥沙沉速计算。 （图）
球体颗粒在水中自由沉速公式简介
4、窦国仁公式
球体颗粒在水中自由沉速公式简介
5、冈恰洛夫公式
冈恰洛夫依据自己和他人的试验资料，将相应的d 和ω 点绘 在双 对 数纸 上 ，通 过 相应 于D<0.15mm （滞流区）， 0.15mm<D<1.5mm（过渡区） 和 D>1.5mm（紊流区）三个区的实验点据定出了三 条直线关系，作为颗粒处于不同沉降运动状态下的 沉速公式。
Cd
24 Re
d
(1
3 16
Re d )
球体颗粒在水中自由沉速公式简介
2、牛顿沉速公式 1726年牛顿（I.Newton）提出扰流阻力公式：
F C d A
2
2g
C d A
2
2
其中，A为与泥沙运动方向垂直面上的泥沙颗粒 的投影面积，当 Red > 103 后，Cd=0.45，当阻力与 泥沙颗粒的水中重力相等时，可以解得：
滞流区
过渡区
紊流区
球体颗粒在水中自由沉速公式简介
6、沙玉清公式
沙玉清为了避免在计算过渡区沉速是的试算麻烦，引 进了两个新的判数（沉速判数和粒径判数）
规范推荐计算公式
• d<0.062mm，采用冈恰洛夫公式滞流区公 式 （2-21） • 0.062mm<d<2.0mm，采用沙玉清过渡区 公式（2-25）
河流动力学第4章-推移质运动
河流动力学River Dynamics目录4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动三、河床床面形态的判别4.3 沙波运动三、河床床面形态的判别4.3 沙波运动三、河床床面形态的判别4.3 沙波运动三、河床床面形态的判别4.3 沙波运动4.4 冲积河流的阻力4.4 冲积河流的阻力J, n, R, U •恒定均匀流的断面平均流速公式•阻力方程(公式)•水位-流量关系若A,J,Q经验、半经验公式4.4 冲积河流的阻力4.4 冲积河流的阻力1616*8 5.75lg 12.277.66s s U C f K K R R R U g n gχ⎛⎞⎛⎞=====⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠4.4 冲积河流的阻力推求τb 和τw 的方法 水力半径分割法 能坡分割法爱因斯坦方法二、床面阻力与河岸阻力的划分4.4 冲积河流的阻力RJτγ=4.4 冲积河流的阻力4.4 冲积河流的阻力J：J b w4.4 冲积河流的阻力221/2b w bw n =(n +n )χχχχ3/23/2(b bw n nn χχχχ=+4.4 冲积河流的阻力爱因斯坦方法4.4 冲积河流的阻力三、床面阻力计算的阻力叠加法* 5.75lg 12.27b s R UU K χ⎛⎞′=⎜⎟′⎝⎠()s bD R J ρρψρ−′=′4.4 冲积河流的阻力恩格隆(Engelund, F)方法4.4 冲积河流的阻力b b b ′′′Θ=Θ+Θ无因次剪切应力()b b f ′Θ=Θ4.4 冲积河流的阻力4.4 冲积河流的阻力4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率如何确定u、m、K ？4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率爱因斯坦输沙率公式*2*01111B t B p e dtψηψηπ−−−−=−∫冲刷外移概率：4.5 推移质输沙率二、以拖曳力为主要水流强度指标的的动力学派4.5 推移质输沙率。
第三章 水动力学基础 ppt课件
故有 ΔM M 22 M11
任取一微小流束MN，微小流束1-1′流段内液体的动量
ρu1dtdA1 u1
对断面A1积分有 M11' A1 ρ u1 u1dtdA1 ρdt A1 u1 u1dA1
同理
5
ppt课件
M 22' A2 ρ u2 u2dtdA2 ρdt A2 u2 u2dA2
Fx Fy
ρQ(β2ν2z β1ν1z )
Fz
实际液体恒定总流的动量方程式
依动量定律：
F
M t
1′ t+△t时刻2
2′
1 t时刻
即：单位时间内，物体动量
的增量等于物体所受的合外力
u1
u2
dA2
2
2′
△t时段内，动量的增量： dA1
1
M M M
M 1 2
F y
Q( 2v2z 1v1z )
F z
11
ppt课件
恒定总流动量方程建 立了流出与流进控制体 的动量流量之差与控制 体内流体所受外力之间 的关系，避开了这段流 动内部的细节。对于有 些水力学问题，能量损 失事先难以确定，用动 量方程来进行分析常常 是方便的。
水排
12
ppt课件
水排简介
M 1 2
22
11
1′ dm u1dtdA1 dM u1 dm u1 u1dtdA1
在均匀流或渐变流过水断面上
u2 u2dtdA2 u1 u1dtdA1
A2
A1
单位时间内，u 通V 过所研究流段
作V2用 于u2总dt流dA流2 段上V1所 有u1dtdA1
河流动力学第五章
亿t（ ，涪 占陵 长 到江 全河 段 部） 输沙量(D的50=5918m.m 2)%。 (D50=0.14mm)
(D50=0.034mm)
寸滩水文站资料统计表明，涪陵长江河段多年平均卵石推移
质(D50研=5究1m认m为)输：沙推量移为质2输8.沙97量万与t，悬沙移质质推输移沙质量(D相50比=0，.14在m平m原) 为 60地0万区t河，流而中悬仅移占质到(D总50=的0.输03沙4m率m的)输1%沙~量5为%4；.6丘亿陵t，地占区到河全流部为输沙 量5的%9~81.57%%；。山区河流为15%~30%。
生产实际中：
渠道引水口的设置 ❖ 闸坝排沙底孔的设置 沉沙池的设计（准静水沉降法，非饱和输沙法）
泥沙扩散系数的试验研究
大量的野外实测和试验室资料表明，实测的悬浮指 数Z和理论值之间不甚一致，一般都小于理论值，即实 测的悬浮质沿垂线的分布要比理论计算的结果更为均匀。
§5.2 悬移质含沙量的垂线分布
泥沙的重力沉降使得含沙水流中沿垂线形成上清下浑的 浓度分布。
紊流中沿水深不同高度处各层水体之间存在水团的紊动 交换，其结果是形成一个向上运动的泥沙通量qs1。
另一方面，由于泥沙比水重，往下沉降形成一个向下运 动的泥沙净通量qs2。
如果悬移质含沙量沿垂线出现稳定的时均泥沙浓度分布， 说明qs1与qs2达到了动平衡状态，即悬移质含沙量沿垂线分布 达到平衡状态。
Einstein认为，Ｚ=5 可作为给定的 水流和泥沙条件下，泥沙是否进入悬 浮状态的临界判别值。
Einstein还提出，在有床面形态时， 上面推导过程中的剪切流速U* 都应代
之以沙粒阻力对应的剪切流速 U *。
Rouse公式的缺陷
Sv Sva
h y
河流动力学第六章
河床演变的分类
（1）在空间上，河道主要的演变形式有： 纵向变形：河道沿水流流程在纵深方向发生的变化，
即河床在纵剖面上发生的冲淤变化。
河床演变学的研究方法
河床
泥 沙 运 动
要动力过程是：沉积。
§6.1.1 山区河流的一般特性
1、山区河流的形成和发展
作用力：
内动力作用：地壳构造运动 外动力作用：水流侵蚀作用为主，包括水流堆积
作用、风化作用等。
水流的塑造：
纵向切割 横向拓宽
2
2014/12/22
2、河床形态
发育过程中一般以下切为主，河谷断面多呈现V字或U字 形。 V字形河谷较年轻，U字形河谷较成熟。宽深比较小。 山区河流的谷坡往往表现为阶梯状，由一级一级顶部平坦 的平台和它们之间的斜坡构成，平台称之为阶地面，斜坡称 为阶地前坡。最下面的阶地称为一级阶地，其前坡与当前河 谷的谷底相连，越往上形成的年代越久远。阶地是河流下切 的产物。
水流结构
横向变形：河床在与水流流向垂直的方向发生的变化，
即河道在横剖面上发生的冲淤变化。
用力学的方法（河流泥沙动力学）研究难以行的通。
原因： 现有的河流泥沙动力学知识还不够完善。 河床演变学是介于河流泥沙动力学和河流地貌学之间的边缘 学科。 河床演变虽然受力学规律约束，但决定这一现象的边界 条件，包括进口水沙条件、出口侵蚀点条件以及河槽周界条 件，除与流域水文气象条件相关以外，还与河谷地貌有关。
河床演变学的研究目标
河床演变是具有不恒定的进出口水流条件及复 杂可动边界的水沙两相流运动的一种体现形式。 针对河床微观变形的同时，研究目标还指向不计 细节的宏观变形，以及不考虑变化过程的终极状态 和某种平均情况。
第四章河流体系
网状河道（Anastomosing Stream）： 分布于下游河
道，河道窄，呈网状，沉积物呈悬浮负载搬运，又呈“悬 浮负载型河道”。
河 道 类 型
河道类型
辫状河
• 河道砂坝发育，宽、浅、急 • 砂质辫状河、砾石质辫状河
滨岸平原三角 洲（悬移质）
盆内 水体
冲积扇—河流体系与盆内水体关系
1、沉积物特征
沉积物较粗，分选、磨圆较差，以砾石和粗沙为主；砾 石发育块状、槽状和面状交错层理，砾石呈叠瓦状排列， 向上游方向倾斜；沙质发育槽状、面状、波状交错层理和 平行层理，局部发育冲刷—充填构造。
2、河道沙坝（Channel Bars） 纵向沙坝（Longitudinal bars）： 平行水流方向展布，呈 长条形，主要分布于砾石质辫状河道中，沙坝主要由平行 层理、底角度板状交错层理砂砾岩构成。 横向沙坝（Transverse bar）： 垂直水流方向，呈舌状， 通常发育在沙质辫状河道中，沙坝内发育高角度板状交错 层理砂砾岩。 斜向沙坝（Diagonal bar）： 与水流方向斜交，断面呈三 角形，沙坝内发育平行层理、底角度板状交错层理砾岩。
辫 状 河
露出水面的砂丘
曲 流 河 道
第二节 辫状河（Braided Stream）
一、沉积作用（Process）
由于辫状河道侧向迁移频繁，河道内水流也不稳定，因 此，很难研究辫状河道的水流样式。这里，为了便于研究 辫状河道的沉积作用，简单地把辫状河道的水动力环境划 分为短期的洪泛期（flooding period）和长时间的低流 量期（period of low discharge）。
河流专题流域综合开发
湖
湿
泊
地
水
萎
破
污
缩
坏
染
湖泊面积 萎缩
能力迁移 流域是一个相对独立的自然地理系统，它以水系为纽带，将系统内各自然地理要素连结成-个不
可分割的整体。随着人类活动的加剧，流域已成为区域人地关系十分敏感而复杂的地理单元。图1是江南丘 陵某时期某流域局部地形图，图2是10年后该地区土地利用状况图，图3是该地区的月平均气温变化曲线和降 水量柱状图。读图完成下列问题。
河流的开发 利用方式
流域开发方向
流域的综合开发 (扬
扬
长避短)
长
避
短
因地制宜
第
第
第
环
自
一 产 业
二 产 业
三 产 业
治 理
境 污 染
防 治
然 灾 害
的
的
发电 旅游 航运 灌溉 防洪 养殖 水质保护 水污染
治理
地理位置 自然资源 地形 气候 水文 土壤 生物
农业 自然条件
不合理的自然和社会 经济条件
水污染 治理
植
水
湿
被
土
地
水
破
流
破
污
坏
失
坏
染
第
第
第
环
自
一 产 业
二 产 业
三 产 业
治 理
境 污 染
防 治
然 灾 害
的
的
地理位置 自然资源 地形 气候 水文 土壤 生物
农业 自然条件
不合理的自然和社会 经济条件
工业
第三产业
宏观
社会经济 条件
微观
流域开发条件 评价
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
河流纵剖面形态的演变
下凹度概念 纵剖面的动力 学成因分析
数值计算 能量极值假说推 导河流纵剖面
Leopold & Wolman G. Parker 钱宁(游荡指标)
纵剖面的数学表达
纵剖面的调整实例
河道均衡状态 流域尺度上 的影响因素 时间尺度与 关键变量
Strahler 天 然 河流分级法 不同流域的 泥沙输移比
均衡状态所对应的造床流量 均衡冲积河道 的形成过程 造床流量：历时 较长的中等流量
对河道形成起 主导作用 造床流量的 计算方法 重现期法 地貌功法(最大 (频率法) 输沙流量法)
LangbeinSchumm 定律
不同河型河道的演变规律 单 流 路 河 道 多 流 路 河 道 弯道水流运动理论; 弯道泥沙输移特点; 蜿蜒河道演变规律; 浅滩深潭水流特性 稳定分汊河道演变特点与 其边界物质组成的关系； 游荡分汊河道演变特点与 其水流及泥沙输运的关系； 根据水流及泥沙 因子判别河型 河型判别图 水流及泥沙因 子变化时，判 别河型的转化 方向 尖点突变 理论 不同河型的相互转化规律
继续 风化 土壤 个体性质
电化学性质 分布参数
群体性质
泥沙分类 悬移质 推移质
运 动 形 式
§7.2 节 河型成因
粘粒双电层的形 成及絮凝过程
形状
形状参数
层流区
非牛顿体及流型 床沙质 群体沉速公式
群体性质 流域模型 来 源
土壤的关键成份
分区推导公式 静水沉速
运动特性 个体性质
紊流区 过渡区
冲泻质
重力理论
积分 根据实测资料率定
理论模式 经 验 模 式 Einstein 模式 ( 推 移 +悬 移 质公式)
张瑞瑾悬移质输 沙率计算模式 Einstein 悬 移 质 输沙率计算模式
Rouse 方 程
(垂向浓度分布) 结合流速分布 公式积分
Einstein 的悬 移输沙率只包 含床沙质
河道演变的基本原理
Qs×D50∝Q×J
均衡状态的 判别准则
水系发育与 河道级别
黄河上游人为 活动对有效输 沙流量的影响
下游输沙流量减少，河道萎缩
实例 分析
平滩流量法
形态稳定 输沙平衡
输运给定泥沙的耗能最小
河相关系 --- 均衡状态下，流量与河道断面几何尺寸的定量关系
沿程河相关系 同一频率流量下沿程各断面 的河宽,水深,流速 均衡理论
各区统一公式
动床形态及水流阻力计算
判别参数 Fr 数
水流运动 判别数
水流能态 低 临界
床面形态
适用定床情况
阻力计算
适用动床情况
Einstein 方法 Engelund 方法
定床动床通用
李昌华、刘 建民方法
Shields 数 颗粒 Reynolds 数
泥沙运动判别数
Shields 曲线判据
Einstein 公式 姜国干公式
高
Garde 曲线判据
分别计算河岸 与河底阻力系 数后合成总阻 力系数
区分沙粒阻力 与沙波阻力， 然 后合成总阻力， 忽略河岸阻力
用经验方法直 接获取总阻力 系数，包含所 有阻力成份
均匀推移质输沙率计算模式
对数型 起动流 速公式 Meyer-Peter 纯经验模式 Bagnold 力学模式 EngelundHansen 模式 Einstein 随机理论
Shields 起动曲线
沙莫夫起动流速公式
Rouse 数
悬移质输沙率计算
三维泥沙扩散方程
二维恒定条件下化简求解 指 数 Z 积分 关于泥沙扩散系数的假定
挟沙力计算（推＋悬）
张瑞瑾模式 (忽略推移质) Engelund 模式 (忽略悬移质) Ackers-White 模式 (不适用于细粉沙)
给定某一水流 条件, 求床沙 质的输运能力
地球动态系统之水文系统 的一部分
流域侵蚀
自然过程
水蚀,风蚀,重力侵蚀
人类影响
流域土地利用的影响
地表侵蚀
能量 原理
加速侵蚀、荒漠化、流域径流过程变化等 泄洪排沙不畅, 水库淤积、河道萎缩等
河川枢纽工程的影响
河道演变达 到自然均衡
自然均衡被破坏
河道演变的最 小能耗趋势
泥沙颗粒性质
物理性质 大小 泥沙颗粒
Regime theory 互相 导出
断面河相关系 同一断面处，不同频率流 量下的河宽,水深,流速
河相关系的理论推导 水流泥沙方程 河道变形假定 河宽模型
水力几何关系
Hydraulic geometry
连续方程 运动方程 挟沙力方程
＋
临界启动假说 最小活动性假说 各种极值假说
Q 是特征流 量，如平滩 流量、年均 流量等
沿程河相关系 B=aQb , h=cQf , U=kQm
冲积河流的河型
河型分类
单流路
§5.4 节 水流挟沙力计算
按平面形 态分类 按水沙运 动分类
多流路
最大输沙效率
单位河长功率最小
单位时间河流功率最小
最小方差假说
Schumm 河型分类图
河流自我调整 与河型成因
河型成因分析的 极值条件假说
河流平面形态的演变