河流动力学第一章

郑国渠示意图
从仲山脚下的泾河引水，向东流经泾阳、三原、高 陵、富平和蒲城等县注入洛河，全长 300 余里，历十 年后完工，灌地115万亩。
郑国渠历经各个王朝的建设，先后修建了 白渠、郑白渠、丰利渠、王御使渠、广惠 渠、泾惠渠，至今仍造益当地。
郑国渠在高含沙水流远距离输送、引水降 碱、浑水淤灌等河流动力学方面的关键技 术和基础知识仍为今人所用。
在中小流量时，水流出关口后主流趋左，平顺进入内 江。在内江流量小于350m3/s 时，飞沙堰不溢流，水流 过宝瓶口进入引水渠。当岷江流量为600～800m3/s时， 内江分流比为 56％。在较大洪水时，河心滩过流，主 流趋中，到鱼嘴时偏右，大于50％的水流进入外江下 泄。大量输移的卵石亦在上游微弯河势弯道环流的作 用下进入外江。
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4 大运河
《国语·越语上》说:“广运百里”。韦昭注:“东西 为广,南北为运”。即大运河是以人工开山凿渠， 连通天然水系修建的南北向的运输航道。
京杭大运河，比苏伊士运河长九倍,是世界上里 程最长、工程最大、最古老的运河之一。北起北京(涿 郡)，南到杭州（余杭），经北京、天津两市及河北、 山东、江苏、浙江四省，贯通海河、黄河、淮河、长 江、钱塘江五大水系,全长约1794km，开凿到现在已有 2500多年的历史。
随着历史的发展，古人对水的重要性和危害性有了更 深刻地理解：
“五行始焉，万物之所由生，元气之腠液也”(《水 经注》卷一)。
“水者，地之血气，如筋脉之通流者，故曰，水具财 也。五害之属，水为最大”（《管子·水地》）。将水作 为一种财富，人们已认识到了水资源的价值。
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相关诗歌
《山海经》： "女娲补天"、"精卫填海"、"大禹治水” 《诗经》：《周南》、《秦风》、《魏风》、《卫风》
1954年4月，黄河规划委员会在 苏联专家组的指导下，编制黄河流域 规划；中央决定将三门峡枢纽大坝和 水电站委托苏联设计。
年底，《规划报告》出台，选定 三门峡水利枢纽为黄河综合利用的第 一期重点工程：蓄水位350米，总库 容360亿立方米。
主要任务：
①将黄河上游千年一遇洪水由37000立 方米/秒降为8000立方米/秒；
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今人对水亦有生动的描述：流动、并能推动别人； 经常探求自己前进的方向；遇到障碍能发挥百倍 力量；以自己的清洁洗净他人的污浊，有容清纳 浊的宽大度量；江河湖海能蒸腾为云雾，化为雨 露或凝结为冰雪，不论其变化如何，仍不失其本 性(孙景亮，2002)。
水来自于大气之雨雪，即生于天；用之于大地之 生灵，即用于地；世间万物，均离不开人们对水 的利用和保护。所以水利事业发展的目标应是 “天、地、人、水协调发展”。
3 郑国渠
公元前246年，韩国人郑国肩负着“闲说秦”， “欲罢之”的使命，建议秦始皇修建大型灌溉 渠，西引泾水东注洛水。想凭水利工程消耗秦 国兵力。秦始皇先是同意郑国修渠的游说，后 发觉了阴谋，欲杀之。郑国以“为韩延数岁之 命，为秦建万世之功”（《汉书·沟Leabharlann Baidu志》）辩 解，秦皇以为然。终使“关中为沃野，无凶年， 秦以富强，卒并诸侯”。
京杭大运河
北起北京， 南至杭州， 经北京、天津 两市及河北、 山东、江苏、 浙江四省， 沟通海河、黄 河、淮河、长 江、钱塘江五 大水系
京杭大运河
千百年来，京杭大运河一直是中国重要的南北 水上运输通道，对于国家的统一、经济的繁荣、 文化的融合以及对外开放和国际交往都发挥过 非常重要的作用。
正在施工的南水北调东线工程以江都为起点， 利用京杭大运河作为长江水北送的主要渠道。 横跨长江、黄河、淮河、海河四大水系，为水 资源严重短缺的北方地区提供水源。
②拦蓄上游全部来沙，下泄清水，实现 “黄河清”，使下游河床不再淤高；
③调节黄河水量，初期灌溉2220万亩， 远景灌溉7500万亩。
④装机90万千瓦，年发电量46亿度。
⑤改善下游航运。
水利部长傅作义等参加开工典礼
都江堰位于成都平原西部的岷江上,是全世界迄今为 止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏 大水利工程。
公元前256年秦昭王时，在蜀守李冰父子主持下， 率领当地劳动人民兴修此堰。为修建引水口，他们 以火烧石后浇水，使岩石爆裂，终于在玉垒山凿出 了引水总干渠的咽喉宝瓶口。
由于科学的布局和管理，两千多年来一直发挥着 巨大的效益，现已灌溉约70万公倾，并为成都市等 提供生活、工业和环保用水。古有 “水旱从人，不 知饥馑，沃野千里，世号陆海，谓之天府也” 的美 誉。
悬沙900万吨，推移质200万吨，内江占 26% ， 75％以上从飞沙堰排入外 江，卵石直径达 600 mm 以上。1966.7.28 洪水: 738 m3/s。
飞沙堰
离堆
外江
宝瓶口 玉垒山
金刚堤
鱼嘴
内江
关口 河心滩
都江堰河势图
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都江堰枢纽主要由鱼嘴、金刚堤、飞沙堰和宝瓶口等 组成分流、引水、排沙枢纽。河心滩在低水位时出露， 高水位行洪。鱼嘴位于江心，将干流分为内、外江， 内江河宽130 m，外江河宽96 m。金刚堤不过流，飞沙 堰距鱼嘴约1000 m，长约 260 m，高出河槽约2 m。宝 瓶口距鱼嘴1224 m，底宽12 m，上部宽24 m。
河流动力学
主讲教师：孙雪岚
教材
书 名：河流动力学概论
（清华大学水利工程系列教材）
编 著：邵学军 王兴奎 出版社：清华大学出版社
主要研究内容和任务
河流动力学是研究河流泥沙运动及河床演变规律的 专门学科，研究对象是天然冲积河流。
研究内容:
泥沙运动学：泥沙在水流中的输运过程和挟沙水流的 运动规律;
河床演变学：在水流和泥沙运动的作用下冲积河流形 态的变化规律。
灵渠（引自杨达源《自然地理学》
灵渠枢纽 布置示意图
灵 渠 全 长 37 公 里 ， 由铧嘴、大小天平、 南渠、北渠和陡门 组成。
陡门是世界上最早 的船闸，是灵渠上 又一个中国古代建 筑史上的惊世之作
大、小天平成人字形，是建于湘江上的拦河 滚水坝。大天平长344米，小天平长130米。坝 高2～2.4米，宽17～23米。汛期洪水可从坝面 流入湘江故道，平时可使渠水保持1.5米左右深 度。因其能平衡水位，故称天平。
1953年——第一个五年计划建设的第一年，在 水利部长和黄河水利委员会的要求下，在周恩来具 体负责下，经过与苏联政府商谈，决定将根治黄河 列入苏联援助的156个工程项目。
1954年，国家计委正式成立黄河规划委员会。1 月，以苏联电站部列宁格勒水电设计院副总工程师 柯洛略夫为组长的苏联专家组来华。
2月至6月，中苏专家120余人，行程12000余公 里，进行黄河现场大查勘。苏联专家在查勘中肯定 了三门峡坝址。柯洛略夫说：“任何其它坝址都不 能代替三门峡为下游获得那样大的效益，都不能像 三门峡那样能综合地解决防洪、灌溉、发电等各方 面的问题。
主要任务:
使学生掌握河流泥沙特性及其运动规律方面的有关基本 概念和基本知识，掌握河床演变的基本原理和分析方法， 为从事水流泥沙运动、河床演变等方面的科学研究及生产 设计打下基础。
第一章 河流系统与人类活动
1.1 水文化 1.2 著名水利工程 1.3 河流、流域与地球的各种动态系统 1.4 流域侵蚀与泥沙的输运 1.5 人类活动对流域和河流自然过程的影响
孔子：“夫水，大遍与诸生而无为也，似德；其流 也埤下，裾拘必循其理，似义；其洮洮乎不屈尽， 似道；若有决行之，其应佚若声响，其赴百仞之谷 不惧，似勇；主量必平，似法；盈不求概，似正； 淖约微达，似察；以出以入，以就鲜洁，似善化； 其万折也必东，似志。是故君子见大水必观焉”。
袁宏道《文漪堂记》也极力推崇水作为审美对象的 特长:“天下之物莫文于水。突然而趋，忽然而折， 天回云昏，顷刻不知其几千里。细则为罗毅，旋则 为虎眼，注则为天绅，立则为岳王。矫而为龙，喷 而为雾，吸而为风，怒而为霆，疾徐舒蹙，奔跃万 状。故天下至奇至变者，水也”。
§1.1 水文化
炎黄子孙创造了以水为中心的精神和物质的财富，其 文化现象即为水文化。水文化是人的生存和发展与水 的关系的总和。
生命起源于水，生命演化的每一步都离不开水，人类 对水的依存利用与生俱来。远古的人类择丘陵而居， 即洪荒时期的人们以水为害而避之，水占了主导地位。 鲧（gǔn）筑坝挡水，与女娲“积芦灰以止淫水”的神 话传说具有相似之处，较逃避洪水已有所进步，表现 为人、水之争斗。大禹承父业治水，变堵为疏，导百 川于海，已具有人、水协调的理念。
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三门峡水利枢纽
三门峡水库，黄河上第一个大型水利枢纽 工程，关于它“生死”问题的争论，一直没有停 息过。三门峡水利枢纽是治黄工程体系最重要的 组成部分，担负着黄河下游防洪、防凌的重任， 保护着冀、豫、鲁、皖、苏5省25万平方公里范 围内1．7亿人口的生命财产安全。
该水利枢纽运营50多年来，已经形成了独特 的生态系统和自然环境。
§1.2 著名水利工程
为了更好地利用水利资源，减少水旱灾害，远 古的人们就开始了兴修水利工程。
在水利建设历史的长河中，有很多成功的典范， 如都江堰、灵渠、郑国渠和大运河等；也有大量 失败的经验教训，如鲧的筑坝挡水失败、三门峡 水库运行初期的严重淤积等。本节对古代有重大 影响的水利工程做一简单介绍。
1 都江堰
阻水溢洪滚水坝，关键在“水浸松木千年 在”。秦人将松木纵横交错排叉式的夯实插放在 坝底，其四围再铺以用铸铁件铆住的巨型条石， 形成整体。2000多年来任凭洪水冲刷，大坝巍 然屹立。
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灵渠一些地段滩陡、流急、水浅，航行困 难。为解决这个问题，古人在水流较急或渠 水较浅的地方，设立了陡门，把渠道划分成 若干段，装上闸门，打开两段之间的闸门， 两段的水位就能升、降到同一水平，便于船 只航行。灵渠最多时有陡门36座，因此又有 “陡河”之称。1986年11月，世界大坝委员 会的专家到灵渠考察，称赞“灵渠是世界古 代水利建筑的明珠，陡门是世界船闸之父。”
古代圣贤
孔子 孟子 老子 管子
《老子》对水赋予了人格的属性： “水善，利万物而有静，居众人之所恶，故几
于道矣。居善地，心善渊，予善天，言善信，正善 治，事善能，动善时。夫唯不争，故无尤。”
提出了人的道德修养应具有如水的上善境界。
《论语》“仁者乐山、智者乐水”的论述多少也含 有类似的哲理。
孔子曰：“夫君者舟也，人者水也，水可以载舟， 亦可以覆舟，君以此思危，则可只也”，则更具有 鲜明的哲学内涵。
孔孟思想以尚水之动为主轴，流贯其中，呈现出日 进不懈、自强不息的流动模式。
道家与水
道家主张无为而治，以“无为而无不为”，与水之“以 柔克刚”、“柔中见刚”的社会性情极为相似。
道家以水象征道在流变，比喻柔弱可以战胜刚强， 天下“攻坚强者莫胜于水”。可见，道家思想与水，其实 是一种“无为而无不为”的“以柔克刚”、“柔而隐则于内” 本质的共同展现。
今天所说的大运河开掘于春秋时期，完成于 隋朝，繁荣于唐宋，取直于元代，疏通于明清 （从公元前486年始凿，至公元1293年全线通 航），前后共持续了1779年。
在漫长的岁月里，主要经历三次较大的兴修 过程。到了隋朝，隋炀帝动用几百万人，开凿贯 通了大运河，这为以后国家的经济文化空前繁荣 作出了巨大贡献，隋代开始全线贯通，经唐宋发 展，最终在元代成为沟通五大水系、贯通南北的 交通大动脉。
鱼嘴分流 （引自杨达源《自然地理学》)
2 灵渠
灵渠,又称湘桂运河，也称兴安运河 ,是中国 和世界最古老的人工运河之一。
秦统一六国后，为向岭南用兵，于公元前 219 年 在广 西兴 安县境 内修 建了灵 渠工程 ， 铧 嘴将湘江水三七分流，其中三分水向南流入漓 江，七分水向北汇入湘江，将长江水系的湘江 和珠江水系的漓江连接起来，开通航运，成为 当时南北交通的要道。亦是我国历史上第一个 大型的跨流域调水工程。
易学与水
阴阳五行说：五行即金木水火土，五行相生相克，其中 的水主智，其性聪，其情善，其味咸，其色黑。
河图洛书：“河出图、洛出书”为八卦来源。河图最初 出于龙马背上，而洛书处于神龟壳上。 龙马出于孟河 ，而神龟则出于洛河。
儒家与水
水为孔孟思想中重要的意象及哲学思想表达的隐喻 。
水代表了德，人们应该向水学习，君子应该像水那 样不断流动和永不停息，顺其自然地加强道德修养。