第4 章：悬移质运动
《水文学与水资源》教学大纲
兰州大学地理学基地课程教学大纲《水文学与水资源》教学大纲（实习大纲附后）一、说明（一）课程性质地理科学系地理科学专业（地理学基地班）主干课、专业基础课。
（二）教学目的本课程着重阐述水文科学的基础知识和基本理论，使学生认识水是自然界中最活跃的因子之一，它不但与自然地理各要素有相互联系和相互制约的关系，而且广泛深入地球表层的岩石圈、大气圈和生物圈，积极参与地球上各种物理、化学及生物过程，对地理环境、生态系统产生重大影响。
水又是生命活动的物质基础，是人类赖以生存、发展的最宝贵的自然资源之一。
通过本课程的教学，使学生增强水资源开发利用和保护的一般知识。
通过该课程的学习可为从事地理学学习和研究工作的同学奠定良好的专业知识基础，有助于培养学生系统全面的思维方式和学习、研究方法。
同时，本课程重视水文科学新理论、新技术的探索和应用，并结合具体案例，培养学生从事科学研究和解决实际问题的能力。
（三）教学内容本课程注重反映现代水文科学和水资源学的最新成果，参考地理科学专业已有的教材和相关学科的水文学教材组织和安排教学内容。
主要内容由四部分组成。
第一部分概论，阐述水文科学的性质、研究内容和方法。
第二部分水文循环机理及过程，主要阐述水文循环基本过程、影响因素，各种过程的物理机制和分析计算方法，水量平衡原理以及水文循环的作用、效应等。
第三部分地球表层水的组成及其运动，分别阐述陆地表层水、海洋、地下水的组成、性质和运动变化规律，并阐明亚系统之间和亚系统内的子系统之间相互转化的关系。
第四部分水资源学，讨论水资源利用和水资源价值，重点阐述水资源的评价与规划和水环境保护问题，最后结合本地区的水资源开发利用的实际，探讨了3s技术在水文科学中的应用，以及水文科学的前沿领域。
同时，结合水文科学实践性强的特点，包括了课程实验和课间实习内容，加深对所学知识的理解和掌握。
（四）教学时数（宋体小四加粗）总计72学时，其中讲授54学时，实验、实习18学时。
河流动力学复习整理
（0）河流动力学概念:研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后河道水流、泥沙运动规律和河床演变规律及其应用的学科。
主要研究内容: 水流结构：研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;泥沙运动：研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理; 河床演变：研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程; 河床变形预测：研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法.研究方法: 理论分析, 室内试验,现场观测，数值计算（1）河道水流的基本特性：河道水流的二相特性；河道水流的三维性；河道水流的不恒定性；河道水流的不均匀性河道水流的水流结构：主流，副流，环流二维明渠流速的分布规律：1.直线层，也成粘滞底层，切应力只有粘滞切力，流速按直线分布2.过渡层，粘滞切力与紊动切力同时存在，流动是层流和紊流的过渡区，该层没有统一的流速分布公式，近似按直线层或对数层公式计算3.对数层，切应力主要是紊动切应力，流速按对数分布4外层区.在对数层以上到水面的区间，切力主要是紊动力，流速分布常以缺速公式表示，故也称缺速区。
流速分布要受上部边界影响，与边壁糙率也有一定关系。
河道水流阻力分解图：见ppt1 76页明渠二维流的阻力损失表达方式：见ppt1 77页（3）按运动状态分，泥沙的运动形式有：（床沙），推移质、悬移质泥沙交换现象：推移质泥沙运动特点：间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量少、消耗时均能量 悬移质泥沙运动特点：速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能冲泄质：河流挟带的泥沙中粒径较细的部分，且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙。
床沙质：河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分，且在河床中大量存在的泥沙。
两者主要区别：1.前者是非造床质泥沙，后者是造床质。
2.前者粒径较小，后者粒径较大3.前者在水流中的含量不仅取决于水流条件，还与河段上游流域供沙条件有关。
推移质~悬移质与床沙质~冲泄质命名的区别：前者按运动方式分；后者按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分。
第三章、悬移质运动
定义
床沙质：悬沙中的粗颗粒，本河段大量
存在，经常处于饱和状态，水沙关系灵 敏，造床作用密切。
冲泻质：悬沙中较细，本河段很少，主
要靠上游携带，经常处于不饱和状态， 水沙关系不灵敏，造床作用不密切。
§3—1 床沙质与冲泻质
床沙质和冲泻质中，都可以同时包 含有推移质和悬移质，反之，在推移质 与悬移质中也可以同时包含床沙质和冲 泻质。
dU m dy
dU m l dy
2
εm 为紊动运动粘滞系数（与 ν流体运动 粘滞系数的因次相同），l是紊动混合长度。
一、扩散理论
同样地，当存在含沙量梯度时，由 于紊动扩散作用，也会引起泥沙从高浓 度向低浓度传递（扩散）。在二元恒定 均匀流中，任取一单位水平截面，设该 截面重心处离床面的垂直距离为y时均含 沙量为 S，泥沙沉速为ω，则在重力作用 下单位时间通过该截面下沉的泥沙数量 为g1，则显然有
指数z决定了悬移质含沙量沿水深分 布的均匀程度，z越小，悬移质分布越均 匀；反之，z越大则分布越不均匀。 z是一无因次数，有称为“悬浮指 标”。它反映了重力作用与紊动扩散作 用的相对大小，其中重力作用通过ω来 表示，紊动作用通过kU*表示。
一、扩散理论
z越大，则重力作用相对较强，紊动作 用难以把泥沙扩散到水体表面，悬移质将聚集 在离床面不远处。于是在相对平衡情况下，含 沙量垂线分布就越不均匀；反之，z越小，紊 动作用相对越强，在相对平衡状态下，含沙量 垂线分布就越均匀。由图3-4可见，当z≥5，以 悬移形式运动的泥沙已为数很少。从实用的观 点来说，可将ω/kU* =5作为泥沙是否将进入悬 浮状态的临界判别值。
再如，在水库回水区，由于流速降 低，河床组成变细，就会使原来属于冲 泻质的一部分泥沙转为床沙质，而在坝 下游冲刷地区，床面的细颗粒被冲起， 床沙组成逐渐变粗，也会使原来属于床 沙质的一部分泥沙成为冲泻质，或同一 河段在汛期与枯水期不一样。
推移质运动
水 流 强 度 增 大
一、泥沙的运动形式
推移质与悬移质的区分
（1）运动是否连续 推移质——间歇性 （2）数量 推移质远小于悬移质（只占5%～10%） （3）河床形态变化 推移质——直接作用 悬移质——通移质与悬移质间的相对性
推移质和悬移质不能绝对分开，之间存在交换
二、泥沙的起动 克雷默定性标准
克雷默曾把推移质运动分为四个阶段：
阶段
无泥沙运动 轻微的泥沙运动 中等强度的泥沙运动 普遍的泥沙运动
泥沙状态
床面沙粒完全静止 个别可数的细颗粒泥沙运动 床面各处均有中等大小以下的泥沙在 运动 各种大小的沙粒均已运动，床面外形 急剧改变
缺点：定性不定量，不同的人，甚至是同一人在不同的情况下，判断 的结果差异较大
①个别起动： ②少量起动： ③大量起动： Pc 3 P u 0 u 0 c u 0 c 1 u 0 1.37 u 0 c 0.159
u0 底流速，u0 c 时均起动流速,Pc 起动概率, u 0 均方差 0.37u0 c
缺点：需要知道起动底流速
二、泥沙的起动
二、泥沙的起动
1.研究历史
时间 1753 1914 1936 1950~1960 1970-今 人物 布朗姆斯 (A. Brahms) 福煦海默尔 (P. Forchheimer) 希尔兹(Shields) 莱恩(Lain) 沙玉清等许多学 者 事件 提出泥沙的起动流速UC与泥沙重量的1/6次方 成正比，与当代对泥沙启动条件的认识一致 系统讨论了泥沙级配、分选和粗化等对起动流 速UC的影响 通过量纲分析提出希尔兹起动曲线，至今广泛 为人们引用 将起动拖曳力的概念应用到渠道设计中，使稳 定渠道的设计建立在更为可靠的理论基础上 对均匀沙、非均匀沙、粘土等的起动进行了大 量的研究
土壤侵蚀原理-第4章 风力侵蚀
因，使风沙流中沙粒发生沉降堆积时称风积作用。经风 力搬运、堆积的物质称为风积物。
不同床面上沙粒的跳跃运动差别
4.2.2 风沙蚀积作用与沙丘的运动
❖沙丘移动方向
沙丘的移动是通过沙粒在迎风坡风蚀、背风坡堆 积而实现的。沙丘移动的方向取决于有一定延续时间 的起沙风的风向，移动总方向与大于起沙风的年合成 风向大体相一致，但不完全重合，二者之间有一交角。
4.1 风沙运动
风沙运动是一种贴近地面的气流对沙粒的搬运 现象。 4.1.1 近地层风的性质
大气对流层中贴近地面100m范围内的气层称为 近地层，一切风沙运动都与本层大气的性质及活动 状况有关，因此也是风力侵蚀学研究的重点。
❖层流和紊流(latent and sensible)
层流的空气质点运动轨迹平稳，邻近的空气质 点平衡运动，互不干扰。
紊流的空气质点运动不规则，并且互相干扰， 各气流层层间夹杂了大小不同的涡旋运动。
层流大气是否失去其稳定性取决于流体的惯性 力与粘滞力之间的比例关系(雷诺数大于1400 or wind speed >1m/s)。
❖湍流与地表粗糙度(roughness)
湍流运动是一种叠加在一般流动上的不规则的旋 涡状的混合运动。湍流发生时，通过旋涡运动进行风 的动能的传递和交换。
❖沙丘移动方式
沙丘移动方式取决于风向及其变化，它可分为三种 方式。
其一为前进式，即在单一的风向作用下终年保持向 某一方向移动；
其二为往复前进式，即在两个风向相反而风力大小 不等的情况下往复向前移动；
其三为往复式，即它是风力大小相等而风向相反的 情况下产生的往复移动。
❖沙丘移动速度
沙丘移动速度主要取决于风速和沙丘本身的高度， 沙丘移动速度与其高度成反比，而与输沙量成正比，所 以沙丘移动的速度也就同样和风速的三次方成正比。
第4章 河流泥沙运动规律
黏粒 ＜0.004
粉砂 0.004～0.062
砂粒 0.062～2.0
砾石 2.0～16.0
卵石 16.0～250.0
漂石 ＞250.0
2．按泥沙在河流中的运动状态分类 按照泥沙的运动状态，可将泥沙分为床沙(亦称河床质)、推移质及悬移质 3 大类。床沙 是组成河床表面静止的泥沙。推移质是沿河床床面滚动、滑动或跳跃前进的泥沙，一般粒径 比较粗。它们是由近底水流对床面颗粒在绕流运动过程中所产生的水流作用力推动的结果， 它们的运动范围都在床面附近的区域。推移质运动呈明显的间歇性，往往运动一阵，停止一 阵。运动时为推移质，静止时为床沙，推移质与床沙经常彼此交换。当河床上有一定数量的 推移质向前运动的时候， 河床表面往往形成起伏的沙波。 推移质前进的速度远较水流速度为 小，但它在水流作用下，有一个增速过程，即运动速度由小到大。这种增速过程，要消耗水 流的能量。悬移质是随水流浮游前进的泥沙，一般粒径较小。悬移质运动的速度基本上与水 流运动速度相同，浮游的位置时上时下，较细的泥沙能上升至接近水面，较粗的泥沙有时甚 至回到河床上与床沙发生置换。维持泥沙悬浮的能量，来自水流的紊动动能。在靠近床面附 近，各种泥沙在不断地交换，推移质与床沙之间，悬移质和推移质之间都在交换，很难把它 们截然分开。就同一种粒径的泥沙来说，在某一河段可能是停止不动的床沙，在另一河段可 能作推移质或悬移质运动。在同一断面上亦因流速不同，会出现不同的运动状态，因此泥沙 运动状态除取决于泥沙本身的粒径外还取决于水流条件。 （二）泥沙的几何特性 1．泥沙颗粒的形状和大小 河流泥沙形状极不规则。常见的卵石、砾石，外形比较圆滑，有圆球状的，有椭球状的 也有片状的，但均无尖角和棱线。沙类和粉土类泥沙外形多有尖角和棱线。黏土类泥沙一般 呈扁平状或针状。泥沙颗粒的形状，常用球度系数表示，它是指泥沙颗粒的实际表面积与之 等体积的球体的表面积之比，其表达式如下：
河流泥沙的运动
第四节河流泥沙的运动一、推移质运动推移质的运动来源于床面泥沙的起动。
当床面泥沙起动达到一定程度后，床面会出现起伏不平的沙波，而沙波运动又往往是推移质运动的主要形式。
因此，在介绍推移质运动时，往往需要涉及到河床泥沙的起动、起动流速及沙波运动的相关概念。
1.泥沙的起动流速设想床面为泥沙组成且具有一定厚度，在这种水槽中施放水流，使水流的速度由小到大逐渐增加，直到使床面泥沙(床沙)由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。
泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。
泥沙的起动条件常用起动流速Uc表示，它相当于床面泥沙开始起动时的水流平均流速U。
对于天然沙，其起动流速常由下式计算：U c = 4.66131hd（3-3）式中，d为泥沙粒径；h为水深。
适用范围：d>0.15~0.2mm。
泥沙的起动流速是关系到河床冲刷状态的重要判据，因此，对它的研究具有重要的理论与实践意义。
例如，在研究坝下游河床冲刷时，首先需计算河床泥沙的起动流速。
当河道实际水流流速U超过床沙的起动流速Uc时，就可判定，河床就会被冲刷；反之，河床就不会发生冲刷。
河床在冲刷过程中，水深随之增加，流速降低，当发展到水流条件不足以使床面泥沙继续起动时，冲刷便会自动停止。
再如，组成河床的泥沙粗细不均时，则细的颗粒被水流优先冲走，粗的颗粒留下来逐渐形成一层抗冲覆盖层，冲刷逐渐停止下来。
河床冲刷前的高程与冲刷终止后的高程之差，即为河床的冲刷深度。
下面举例说明泥沙起动流速公式的具体实际应用方法及其意义。
算例：已知某水库下游河段河床沙质组成，河宽B=200m, 过水面积A=500m2，床沙平均粒径d=5.5mm, 问当水库下泄流量Q=500m3/s时,河床会否发生冲刷？可能冲深多少？解：（1）判断河床会否发生冲刷？V = Q/A = 500/500 = 1.0 m/sH = 500/200 = 2.5 m由沙莫夫公式Vc= 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s∵ V > Vc，∴河床会发生冲刷。
推移质运动
2 Re* 2时，Shileds假想曲线成45o 角直线 斜率 = -1 : 0.12 s c 0.12 = c 起动与粒径无关 U* s D U*D
c C Re*0.3
3 Re* 1000时，水平线c为常数 = 0.04 0.06 ，表明起动切应力与粒径成正比
二、泥沙的起动
泥沙受力分析：
水面 使泥沙颗粒运动的力： 水流推移力FD 水流的上举力FL 抗拒运动的力： 泥沙的有效重力W ′
FL FD O W K3D
K2D
水流
u0 K1 D
二、泥沙的起动
泥沙颗粒受力计算：
（1）有效重力W
′
s D 3 6 非 球 体 ： W 3 s D
（3）上举力FL
顶部流 速大 → 压力小 底部流 速小 → 压 力 大 ⇒ 向上 的压力差 ⇒ 上举力
2 u0 2 球 体 ： FL C L D 4 2g 2 u0 非 球 体 ： FL a 2C L D 2g 2
其中，
表示铅直方向的面积系数， CL 表示上举力系数。
二、泥沙的起动
公式推导（垂线平均流速Uc）：
采用指数流速分布公式推导
y Uy U h h
Uy y Uh h m
m
—垂线上某点（y点）的速度（时均值） —该点离开床面的距离 — y=h处即水流表面流速 —水深 —指数(通常取1/7-1/6)
二、泥沙的起动
公式推导（垂线平均流速Uc）：
则垂线平均流速为：
Uh 1 y U U h dy h 0 1 m h
h
m
将 Uh=（1+m）U 代入得：
水文测验学(第四章)
4、输沙率Qs、Qb（kg/s）
Qs Qc s
单位时间内通过河流某一 横断面的悬移质/推移质的 干沙重量，称为悬移质输 沙率Qs/推移质输沙率Qb
5、断沙 CS（kg/m3）
悬移质断面平均含沙量
6、单样含沙量（单沙）
断面上有代表性的垂线或 测点的悬移质含沙量
7、侵蚀模数Ms[t/(km2▪a)
步 骤
（一）垂线平均含沙量的计算
用积深法或垂线混合法取样，经处理直接得到垂线平均含沙量。 用逐点法取样，需用算术平均法或面积包围法计算垂线平均含 沙量。
1、畅流期
取样点的含沙量
一点法 二点法 三点法 五点法
Csm 1Cs0.6
C sm
q s 0.2
0.2
q s 0.8 0.8
缺点：①不能克服泥沙的脉动影响；②取样时，严重干扰天
然水流；③采样器关闭时口门击闭影响水流；④器壁粘沙。
取样测点要求：输沙率测验时，因断面内测沙点较多，脉动
影响相互可以抵消，每个测沙点只需取一个水样。在取单位 水样含沙量时，采用多点一次或一点多次的方法。
普通瓶式采样器由容积为500～ 2000ml的玻璃瓶制成，瓶口加有橡 皮塞，塞上装有进水管和排气管， 调整进水管和排气管出口的高差ΔH， 选用粗细不同进水管和排气管，可 以调整进口流速。
流域内单位面积上每年的 输沙总量
第二节 悬移质泥沙测验 （ Suspended Sediment Test）
二、悬移质泥沙测验仪器及使用
（一）常用采样器
横式采样器属于瞬时采 样器，器身为圆管，容积 500～3000ml，两端有筒盖， 取样时张开两盖，将采样器 下放至测点位置，水样自然 的从筒内流过，操纵开关关 闭桶盖。
水文学(考试重点)
1.水文学是研究地球上水的性质、分布、循环、运动变化规律及其与地理环境、人类社会之间相互关系的科学。
2.研究对象：地球上的水.（1）水本身性质.（2）水与地理环境、人类的联系水文学的特点：一方面，具有自然属性，属于地球科学的范畴；另一方面，又具有社会属性，属于应用科学的范畴。
水文学：地球物理水文学、工程水文学、地理水文学地理水文研究的特点：宏观性：水体运动变化的自然规律、总体演化趋势综合性：与其它自然地理因素间的相互影响研究区域性：各水体的区域差异性水文现象的主要特点（水文现象：水循环过程中，水的存在和运动的各种形态。
）水循环永无止尽，水文现象在空间或时间上存在一定的因果关系。
水文现象在时间上既有周期性又有随机性。
水文现象在地区分布上既存在相似性，又存在特殊性。
水文效应:由于自然或认为因素，使地理环境发生改变，从而引起水循环要素、过程、水文情势发生变化，成为水文效应。
水资源的特性自然属性1,.可再生性2水循环过程具有无限性的特点，水资源具有可再生性。
但这种可更新的水量又是有限的。
3.时空分布的不均匀性4年内与年际变化大；地区分布不均衡社会属性1利用的广泛性和不可代替性2利与害的两重性世界水资源水资源是指全球水量中可为人类生存、发展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。
.最能反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。
区域水资源总量：为当地降水形成的地表水和地下水的总和=地表水资源量+地下水资源量—重复量水循环基本过程：水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。
水循环机理：第一，水循环服从于质量守恒定律；第二，太阳辐射与重力作用，是水循环的基本动力；第三，水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈。
第四，全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。
第五，地球上的水分在交替循环过程中，总是溶解并携带者某些物质一起运动。
(完整word版)河流动力学复习
第一章绪论1、河流动力学是什么样的学科？主要研究什么？答：河流动力学是研究河道水流、泥沙运动、河床演变规律及其应用的学科.主要研究内容包括:①水流结构:研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;②泥沙运动：研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理;③河床演变：研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程。
（由一条河流从表层到底部记忆,水流——泥沙——河床)2、河流动力学的鲜明特点：半经验半理论3、河流动力学的应用？答：①港口选址论证；②航道整治;③排除修建水利枢纽的不利影响第二章水流的紊动1、紊流的特性答：①即使在流量不变的情况下，流场中任意一点的流速和压力也随时间呈不规则的脉动；②紊流具有扩散性2、如何判断紊流的发生?答：通过雷诺数进行判断。
Re<2000左右，属层流；Re在10000~12000时，进入紊流范围3、紊流发生的分类答：①水流很快流过固体边界，边界是静止的，水流是运动的；②两种不同流速的液体相接触，在接触面上的流速梯度也产生漩涡；③水流绕过物体或物体在静水中运动时，在物体背面,水流发生分离而产生漩涡。
5、紊动切应力如何产生？主要内容？答6、流速分布公式实际应用注意问题？答：①天然河道Ks（明渠水流周界上的粗糙突起高度)难以直接测量.采用实测的方法来确定,即测出水槽的流速分布及u*值,再求出Ks；无法实测则查阅书册确定；②流速分布曲线原点对于不同床面不同第三章泥沙特性1、孔隙率?答：孔隙率是泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比 2、比表面积含义答：颗粒表面积与其体积之比 3、双电层现象?粘结水?粘滞水？答：水中(电解质中）离子吸附在泥沙表面和泥沙表面分子离解使泥沙颗粒表面带有负电荷，负电荷将吸引水中正电荷的离子形成吸附层。
吸附层的离子不足以平衡颗粒电荷，继续吸附异号电荷形成扩散层，这就是双电层现象。
粘结水：在泥沙颗粒表面负电荷的作用下，靠近颗粒表面，在吸附层范围内的水分子失去自由活动的能力，整齐、紧密排列，这部分被称为粘结水。
河流动力学知到章节答案智慧树2023年云南农业大学
河流动力学知到章节测试答案智慧树2023年最新云南农业大学绪论单元测试1.河流动力学就是研究河流在____、____和____三者共同作用下的变化规律的学科。
参考答案:null2.泥沙运动研究的是泥沙____、____和____的机理。
参考答案:null3.钱宁先生完成的三部巨著____、____和____奠定了我国泥沙研究在世界上的重要地位。
参考答案:null4.河流动力学主要应用在以下几个方面，____、____、____、____、____。
参考答案:null5.河流动力学的研究方法有____、____、____、____参考答案:null6.（）于1879年提出的拖曳力理论被广泛应用于推移质运动的研究。
参考答案:Duboys7.河床演变的根本原因是（）。
参考答案:输沙不平衡第一章测试1.脉动流速的时均值一定为零。
（）参考答案:对2.脉动流速相对于时均流速较小，所以对于整个紊流场影响不大。
（）参考答案:错3.关于雷诺实验，以下说法正确的是（）。
参考答案:雷诺数越小，粘滞性的稳定作用越小于惯性力的破坏作用;除了外来干扰，内在的不稳定性是促使层流转化为紊流的内因4.水力光滑面就是十分光滑的壁面。
（）参考答案:错5.某一固体边界，在某一雷诺数下是光滑面，而在另一雷诺数下可能是粗糙面。
（）参考答案:对6.从19世纪以来很大一部分紊动理论的研究在于如何把脉动流速转换为时均流速，从而建立____和____之间的关系。
为了建立二者的关系，普朗特假设水团起点和终点的任何平均性质的差别，等于该性质在终点的____，这个自由行程叫做____。
参考答案:null7.影响糙壁流速分布的主要因素有（）。
参考答案:相对粗糙度;床面切应力8.影响光壁流速分布的主要因素有（）。
参考答案:水的密度;粘滞性;床面切应力9.混合长度与____无关，只是____的函数。
参考答案:null10.对于二元均匀流，。
（）参考答案:对第二章测试1.____是河流泥沙的主要来源。
悬移质输沙理论1
横向紊动掺混 dispersion
河流动力学基础
6
明渠输移扩散与紊动 – 梯度型扩散的Fick定律 – 泥沙扩散方程的推导 – 扩散方程解析解和Rouse公式 – 重力理论
流体紊动与输移扩散现象
无沉降的对流输运和扩散过程：
平均流速输移(占优势地位) ＋紊动扩散(平面不占优) ＋分子扩散(可忽略) 模型河道中平流占优的污染物输移
梯度型扩散的Fick定律
热量在铁棍中的传导规律是从热的一端传向冷的一端，热通量的大小 与温度梯度有关：
热
一头冷一头热的铁棍 (温度梯度)
冷
（浓度梯度引起的扩散通量和温度梯度引起的热通量都遵循Fick定律）
按照这种梯度型扩散的原理，物质在溶液中扩散 时，单位时间内通过单位面积的溶解物质总量Dn， 与溶质浓度Svt在该面积的法线方向n上的梯度dSvt/dn 的反号成正比(向浓度减小的方向扩散)：
19
河流动力学基础
明渠输移扩散与紊动 – 梯度型扩散的Fick定律 – 泥沙扩散方程的推导 – 扩散方程解析解和Rouse公式 – 重力理论
悬移质输沙率的理论思路
泥沙起悬后，如果能够在垂向上保持稳定的悬浮浓度分布S(y) ， 那么它将被水流挟带在纵向上运动，其纵向的输运主要依赖于主流的 纵向流速(称为平流输运，advection)。 因此，泥沙的纵向输运，与垂向浓度分布S(y)的存在和维持是不 可分割的。如果求解出泥沙垂向分布，就可以据此计算悬移输沙率。 所以, 悬移输沙率进一步归结为如下理论问题：
Δx Δy
[−ε g
∂ S vt ∂ S vt ∂ (ε g ) Δ x ]Δ y Δ t − ∂x ∂x ∂x
∂ (U t S vt ) + Δ x ]Δ y Δ t ∂x
泥沙课后习题讲解
1.泥沙主要有哪些特性？(1）矿物的物理特性①比重——矿物容重与水容重之比:泥沙的比重一般都在2.60～2.70之间，通常取用2.65。
②硬度——硬度是表示矿物抵抗外界机械作用的能力。
(2)几何特性泥沙的几何特征指泥沙的形状和粒径。
①泥沙的粒径：泥沙颗粒的大小，以颗粒直径来表示，简称粒径，其符号为D(或d)，单位mm。
1）等容粒径：等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。
D=abc/3,或者D=3√abc。
2）筛分粒径（筛径）：沙粒的中轴长度是比较接近等容粒径的，因此筛析法所测的粒径可近似地看成等容粒径。
3）沉降粒径（沉径）②圆度——指颗粒棱和角的尖锐程度。
定义：颗粒最尖锐棱角的曲率半径除以颗粒最大内切圆的半径。
③球度—反映沙粒形状的特征系数，沃德尔(wadell)定义：与颗粒体积的球体直径（等容粒径）和颗粒外接球直径之比。
用Ψ表示。
④比表面积，定义——泥沙颗粒的表面积与其体积之比。
⑤泥沙的群体特性（级配曲线）。
粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。
⑥孔隙率与孔隙比。
孔隙率n：沙样中孔隙的体积与沙样总体积之比：n=V孔隙/V总。
孔隙比e：沙样中孔隙的体积与沙样颗粒体积之比：e=V孔隙/(V总-V孔隙)（3）泥沙的重力特性①密度：密度——颗粒单位体积内所含的质量。
②容重（重度）：容重（重度）——泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值。
③比重：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。
④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，令：γγγ-=saρρρ-=sa常取a=1.65。
⑤干容重单位体积沙样经过100~105℃温度烘干后，其重量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙的干容重。
符号：sγ'单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；⑥浑水容重：单位体积浑水的重量，单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；⑦含沙量：单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占比例，⑧水下休止角（φ）在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的稳定的倾斜面，此面与水平面的交角称为泥沙的水下休止角。
悬移质运动
床沙质在床沙中大量存在， 有充分的机会和床沙交换。
如果上游进入本河段的床沙质数量较少，水流携带床沙质的能力有富余，就 会从床沙中攫取泥沙得到补充，直到达到它所能携带的数量为止，在这个过 程中，河床相应发生冲刷。反之，多余的部分会落淤，河床相应发生淤积。
造床质与非造床质
在不冲不淤相对平衡状态时，床沙质的数量可以由水流及河床组成条件决 定，也就是说床沙质与河床的冲淤变化有密切关系，所以又称为"造床质"
第一项表示重力作用下单位时间通过 单位（水平）面积下沉的泥沙数量
第二项表示由于紊动扩散作用单位时间 通过单位（水平）面积上浮的泥沙数量
两者之和表示单位时间通过垂线上任一 单位水平截面净的向上或向下的沙量
含沙量沿水深的分布
施密特方程
符号含义
y方向上的扩散系数 含沙量瞬时值 沉速
z愈小，紊动作用愈强，重力 作用愈弱，悬移质分布愈均匀
冲泻质泥沙的数量不可能由本河段的水流和床沙组成条件来确定，也就是说细 颗粒泥沙的输沙率与河流的流量间没有明确的关系。同时，由于冲泻质泥沙与 床沙几乎不发生交换，同河床演变的关系也不密切，因此被称为"非造床质"
水流的紊动作用使得悬移质泥沙由含沙浓度较高的下层向含沙浓度较低的上层传送
一方面，紊动扩散作用使泥沙上浮；另一方面，重力促使悬移质泥沙下 沉，因此悬移质含沙率沿水深分布就决定于紊动扩散作用与重力的对比 关系。重力作用占优势，河床淤积；紊动扩散作用占优势，河床冲刷。
泥沙
按运动形式的不同
推移质 悬移质
按其相对于床沙组成的粗细及来源的不同
床沙质（粗） 冲泻质（细）
床沙质与冲泻质中可以同时包含有推移质和悬移质，反 之，推移质和悬移质中也可以同时包含有床沙质和冲泻质
第三章、悬移质运动
g1 S
一、扩散理论
单位时间内因紊动扩散通过该截面 上浮的泥沙数量为g2，则有
dS g 2 y dy
εy 为悬移质扩散系数，与紊动强度有关， 负号表示扩散向含沙量减小的方向进行（递 减，所以 d S 是负值，g2表示扩散的泥沙量应
dy
该是正值，所以方程右边必须加一负号，与 水流流速梯度正好相反）。
dS y S 0 （另外从流 dy
体力学普朗特混合长度概念建立微分方程 式，同样可以得出完全相同的微分方程式）
一、扩散理论
2. 解微分方程（求含沙量沿水深分布的计算式） 解此方程的关键问题是怎样确定悬移质 扩散系数εy和沉速ω，一般ω可视为常数，而 对εy，有三种观点： ① 认为二元均匀流中，从水面到河底的紊动是 均匀分布的，则扩散系数是常数， εy=C。
悬移质和河床质的级配曲线
另外，根据输沙率与流量关系点绘 成图，可以发现当泥沙颗粒较粗时，相
关较好，图形呈直线关系。而当泥沙颗
粒逐渐变细时，点据也就逐渐分散，相
关越来越差，以至很难找出它们之间的
关系。
上一页
悬移质和河床质的级配曲线
③ 悬移质中较细颗粒的泥沙在床沙中很少 或根本没有，这些较细颗粒的泥沙从流 域面上冲刷外移以后，在来到本河段以 前，沿程很少在河槽上停留，基本上都 是一泻千里，保持原来的面目，上游来 的多时通过本河段也多，上游来的少时 通过本河段也少。很少参与造床作用， 称为“冲泻质”。
1 1 kU 1 h ds dy y h y dy s yh y
一、扩散理论
则有
kU h y ln S ln y ln h y ln C y
其中C为积分常数。 给定一条件，设参考点y=a处的含沙 量已知为Sa，则有
第4章 陆地表面水的组成与运动.ppt
3、流量
指单位时间内流经某一过水断面的水量。 （ 流量过程线和流量历时曲线）
水位流量关系曲线 流量过程线的分割
二、河川正常年径流量
1、涵义：把河流的年经流量作为一个随机变量，则 它的总体的均值就是正常年径流量。
（见P114公式3－26）
讨论：a、理论上的稳定性 b、可变性 丰水年多 少水年多 流量变化大
d、洪水的影响因素
（1）天气因素 （2）流域的下垫面因素 （3）流域面积的大小、形状、土壤性质及植被等
2、枯水
a、含义
指地面径流减少，河槽容蓄的水量枯竭，河水主要靠地下水 补给的河川水流。是地面水资源估算的技术指标之一，对水利 规划设计，水文水利及水资源计算起重要作用。
枯水期：枯水经历的时间，即当月平均水量占全年水量的比例 小于5％则属于枯水期。
2、推算方法
a、资料充足（20－30年） b、资料不足：延展系列法
三、径流的年内和年际变化
1、研究意义
a、水工设计 b、航运依据 c、自然地理条件
2、河川径流的年内变化
a、季节划分：
冬季：12月－2月 夏季：6月－8月
春季：3月－5月 秋季：9月－11月
b、影响因素：
（1）气候因素 （2）下垫面因素（调蓄） （3）补给情况 以降水补给为主的河流——雨水的季节分配 以冰雪融水补给为主的河流——热量 以地下水补给为主的河流——切割深度
b、影响枯水径流的因素
（1）流域蓄水量的影响因素 （2）河流的大小及发育程度因素
第四节 河水的运动
动力因素： 重力 地转偏向力 惯性离心力 机械摩擦力
运动方式： 纵向运动 横向运动
一、河水的运动状态
二、河水的纵向运动（洪水波）