河流泥沙动力学 绪论
第三节河流泥沙运动力学的理论与实践
第三节河流泥沙运动力学的理论与实践中国河流，特别是北方河流自古多沙。
多沙河流的水流运动有其特殊性。
这种区别于清水河流的特殊性使多沙河流的治理变得更加复杂。
古代对河流泥沙运动的理论认识起源于春秋战国时期，在两汉取得突出的进步，经过北宋的发展，至明代后期达到高峰。
这些大多处于定性阶段的理论认识在古代世界是领先的，其中一些还在治河实践中得到应用。
一泥沙运动力学的起源与张戎的贡献(一)对泥沙运动的观察水流有清浊之分，古人早有观察和记录。
《诗•小雅•谷风之什》曰：“相彼泉源，载清载浊。
”战国时人解释河水变浊的原因是：“夫水之性清，土者汨之，故不得清。
”②《尔雅•释水》并且具体解释黄河之所以含沙量高的原因是“河出昆仑墟，色白，所渠并千七百一川，色黄。
”晋代学者郭璞(273～324)对黄河之所以黄注解说：“潜流地中，汨漱沙壤，所受渠多，众水溷淆，宜其浊黄。
”即黄河之浊是众支流挟沙汇入所致。
水流含沙是水流的搬运作用。
北宋科学家沈括(1031～1095)曾指出，以黄河为首的华北诸河多浊流，河水挟带的泥沙都是上中游被冲蚀的土壤。
所以他的结论是：“所谓大陆者，皆浊泥所堙耳。
”③并且举例说，舜杀治水失败的鲧于羽山，这个羽山当时是在东海里，现在则在大陆，以为证明，正确地解释了华北平原的成因。
他还认为，浙江温州的雁荡山诸峰挺立，“原其理，当是为谷中大水冲激，沙土尽去，惟巨石岿然挺立耳”。
④那么，泥沙是否能被流水携带，还要看水流的速度与泥沙的粒径和比重。
东汉初年王充(27～97)指出：“湍濑之流，沙石转而大石不移，何者?大石重而沙石轻也。
”⑤而相反的情况则是大哲学家老子所概括的：“浑兮其若浊，孰能浊以止?静之徐清。
”⑥当挟沙水流静止下来的时候，便失去拖曳力和上举力，原来被流水挟带的泥沙随之沉降下来。
在春秋战国时期的水利建设中，已实际应用了水流冲淤的概念。
《考工记．匠人》中说：“凡沟，必因水势；防，必因地势。
善沟者，水漱之；善防者，水淫之。
工程泥沙问题(河流动力学)讲解
利用导流屏制造人工环流，以增加表层引水灾度、减小底 层引水宽度的做法，可有效地减少入渠沙量
其构造复杂，成本高，运用管理不便，在生产实践中未得 到广泛运用
河流动力学
为防止或减少取水口泥沙淤积，可采取下述工程措施
水力拉沙
为避免引水渠淤堵，在关闸停引期间要密切注意引渠的淤积 发展情况，当淤积到一定程度时应及时开闸放水，冲刷淤沙
河流动力学
正面取水
正面取水的设计思路主 要是利用弯道(自然的或 人工的)，将进水闸设置 在弯道凹岸迎流处，使 冲沙闸与水流方向斜交， 形成正面取水、侧面排 沙的格局。由于这类取 水工程主要是利用环流， 故又称弯道取水工程工 程实践表明，正面取水 工程对减少推移质入渠 效果显著
河流动力学
底栏栅取水
河流动力学
河流动力学
试验表明，弯道取水口位置不仅与河宽有关，与 河道几何轴线的曲率半径R也有关，取水口至弯 道起点距离L可按下式计算
式中，k为比例系数．当k＝0.8~1.0时，相当于凹 岸最大水深和最大单宽流量所在之处，引水条件 最佳
河流动力学
调整和稳定取水口附 近的河道
在实际工程中，有时不 一定有合适的弯道可以 利用，要造成在凹岸引 水的条件，须采用系列 整治工程将河段整治为 人工弯道，形成有利于 取水防沙的河势
河流动力学
淤积横断而形态
淤积的横向分布
当水库发生单向淤积时，由于入库水沙条件及边界条件的不同， 形成以下四种较普遍的横向淤积形态，即淤积面呈水平抬高；沿 湿周等厚淤积；淤槽为主和淤滩为主
淤积后的冲刷形态
水库在水位消落期或汛期泄洪排沙时，先期淤积物将受到某种程 度的冲刷，完成库区河床的再造床过程
河流泥沙动力学
河流泥沙动力学
河流泥沙动力学被认为是当今流体地质动力学发展的重要一环，它涉及和研究
物质在河流环境中的运动行为，从而影响河流谷地水文发育和河道演化。
河流泥沙动力学研究包括河流、河床、泥沙运动规律、河床修复、河道演化和河道应急护理等课题，在有序治理河流的工程项目的设计和实施中也扮演着重要角色。
鉴于河流泥沙动力学研究的重要性，国内外高校与高等教育机构重视大力发展
河流泥沙动力学教学及科学研究工作。
他们着力提升河流泥沙动力学课程内容的系统性、区域性以及实践性，开展系列重要的研究和试验工作，其中包括有时流体数值模拟系统构建，河流泥沙供需平衡分析，河床及河口质量评价，河口湖泊缓冲效果等。
此外，高校与高等教育机构还努力构建完善的河流泥沙动力学人才培养体系，
其中对专业人才的培养更是着力点之一。
他们采取多种形式，结合实际背景和用途，引进新的教育理念，构筑专业能力模型，提升学生独立解决实际河流问题的能力，进一步提高社会利用价值。
旨在加强学生对河流泥沙动力学知识和技能的学习，培养他们掌握先进理论及运用知识推进河流环境整治的能力。
河流泥沙动力学的研究和发展日益受到高校与高等教育机构的重视，构筑科学
完善的教学体系和人才培养体系，挥洒物质的活力，构建有序的河流管理机制，充分发挥河流泥沙动力学研究的成果，推进河流水环境改善工作，为人类社会所有受益。
河流动力学及泥沙
河流动力学及泥沙汇报人：日期:•河流动力学概述•河流动力学的基本原理•泥沙的基本性质•河流泥沙运动的基本规律•河流泥沙问题的解决策略与案例分析•河流动力学及泥沙研究的前沿与展望01河流动力学概述河流动力学的定义和研究内容河流动力学的定义河流动力学是研究河流运动规律和物理机制的科学，它涉及到水文学、气象学、地貌学、物理学等多个领域。
研究内容主要包括河流的流速、流量、水位、水深、泥沙输移、河床演变等，以及由这些要素组成的流域水沙循环系统的宏观过程和微观机制。
河流动力学的重要性理论意义实践意义河流动力学的发展历程起源发展现状02河流动力学的基本原理动量方程描述水流中单位时间内动量守恒的原理。
能量方程描述水流中单位时间内能量守恒的原理。
连续方程水流运动的基本方程单位时间内通过某一断面的水量，通常用立方米/秒或加仑/秒为单位表示。
河流水位与流量流量水位流速流态河流的流速与流态阻力水流运动中受到的阻力，包括摩擦阻力、涡旋阻力等。
能量消耗水流运动中能量损失的大小，通常用能量方程计算。
河流的阻力与能量消耗03泥沙的基本性质根据泥沙的组成、搬运方式和沉积特点，可分为无机泥沙、有机泥沙和生物碎屑等。
特性泥沙具有不同的物理、化学和生物特性，如粒径、形状、密度、硬度、耐磨性等，这些特性影响其搬运、沉积和地貌形成的过程。
分类泥沙的分类与特性VS泥沙的搬运与输移搬运方式输移过程泥沙的沉积与地貌形成沉积类型地貌形成04河流泥沙运动的基本规律泥沙颗粒的碰撞与粘附泥沙颗粒的离散与聚集牛顿力学模型泥沙运动的力学模型01阻力与浮力的计算公式02阻力系数与浮力系数的确定03阻力与浮力对泥沙运动的影响泥沙运动的阻力与浮力床面形态的分类与特征水沙平衡的概念及建立床面形态对河流动力学行为的影响010203泥沙运动的床面形态与水沙平衡05河流泥沙问题的解决策略与案例分析03植物防护01河道整治02疏浚与清淤河流治理与泥沙控制的一般方法水库淤积由于入库水流携带的泥沙超过了水库的调节能力，导致水库淤积。
河流动力学1-绪论
绪论●课程的意义：我国河流众多，仅流域面积在1000m2以上的河流就有1500多条，全国正常年径流量达27100亿m3，水能蕴藏量为5.8亿kw；年均输沙量1000万吨以上的有42条，直接入海泥沙总量20亿吨，黄河长江的总输沙量占世界13条大河总量的1/3(其中黄河是世界上泥沙最多的大河，多年平均数沙量达16亿吨，长江宜昌站平均年输沙量5.3亿吨)。
●课程与专业的关系：1、水文水资源专业：河流动力学是水文水资源专业的技术基础课，也是该专业的专业方向之一，它具有双重性。
水文水资源专业是研究地球上水的运动规律及资源评价利用和开发的专业。
地表降水、产流、汇流必然产生地表的侵蚀、产沙、泥沙的输移和堆积。
对地表上水和沙的研究常常相互关联，特别是解决多沙河流的水文测验、水文预报和水力计算等问题，更需要河流动力学的基本知识。
2、港航专业及水利水电专业：河流动力学是该专业重要的技术基础课，是研究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的变化和发展的一门科学，是人类同江河作斗争的过程中诞生与成长起来的，与水利工程、港航工程建设的关系十分密切。
如：港址选择，除考虑国民经济建设需要及陆域条件外，还需弄清河道的冲淤变化情况，尽可能选择冲淤变化不大或冲淤变化朝着有利于港口建设方向发展的地方建港；在河流渠化或运河工程中必须重视泥沙及河床演变问题，例如壅水渠区泥沙淤积问题，坝下游河床冲刷问题和船闸引航道冲淤问题等。
●本章知识要点：1、课程内容及与本专业的关系2、研究对象及学科发展概括3、课程概貌、研究方法及学习特点●泥沙问题在生产实践中的重要性：1、防洪问题：洪水的泛滥成灾与上游来沙多少有关：（1）大量泥沙淤积，抬高河床，行洪能力降低。
如：黄河（2）宽浅河道，主流迁徙无常，严重降低对洪水的抵御能力。
如：黄河中下游龙门—潼关河段具有“揭河底”现象。
2、水库泥沙淤积和枢纽上下游河床演变（1）库容减小，影响水库正常调度使用，降低兴利指标。
河流动力学复习
河流动力学复习第一章绪论考核内容为学科的发展概况、课程的内容及学习任务。
1、了解河流动力学发展的历史；认识水流～泥沙～水电工程可持续发展间的相互关系。
2、了解水流运动与泥沙运动的重要性；3、理解课程的任务与特点；4、了解课程的主要内容。
考核知识点：1、河流动力学的任务2、水流～泥沙～水电工程可持续发展间的相互关系3、河流动力学的研究方法及特点第二章河流动力学基本概念考核内容为河流动力学基本概念1. 河道水流的基本特性:二相性、非恒定性、三维性、非均匀性2. 水沙运动的不平衡性3. 河道水流的水流结构及阻力损失考核知识点：1、河道水流的基本特性2、河道水流的水流结构及阻力损失第三章泥沙特性考核内容为泥沙的分类、泥沙的来源、泥沙的几何特性及泥沙的重力特性。
1. 泥沙的分类2. 泥沙几何特性：粒径，级配曲线，特征值3. 泥沙的重力特性：含沙量、浑水容重考核知识点： 1、泥沙的分类2、泥沙的几何特性及重力特性。
第四章泥沙的沉速考核内容为泥沙沉速的定义、沉降过程中的三种状态、沉速公式、影响沉速的主要因素、泥沙沉速的测定。
考核知识点：1、泥沙沉速的定义、沉速公式2、影响沉速的主要因素、泥沙沉速的测定。
第五章泥沙的起动考核内容为泥沙起动的物理机理，泥沙起动的物理现象及受力分析。
考核知识点：1、均匀沙起动条件：力的表达式，散体及粘性泥沙的统一起动流速公式，2、散体泥沙的起动拖曳力公式，止动与扬动流速。
第六章沙波运动与动床阻力考核内容为沙波运动规律与动床阻力计算。
1. 沙波形态与运动状态，沙坡的发展过程及形成机理，床面形态判别标准，沙波尺度及其运行速度,推求推移质输沙率，沙波运动对河流的影响。
2. 动床阻力：河床与河岸阻力划分，沙粒与沙波阻力的划分，动床阻力的计算。
考核知识点：1. 沙坡的发展过程及形成机理，床面形态判别标准，沙波运动对河流的影响。
2. 动床阻力的计算。
第七章推移质输沙率考核内容为推移质输沙率计算方法。
河流泥沙运动学基本理论综述
河流泥沙运动学基本理论综述【摘要】河流泥沙研究主要是研究河流中的泥沙运动规律及特点、泥沙运动基本理论等，进而解决水利工程中对应的河流泥沙问题。
河流泥沙动力学基本理论包括：泥沙的沉降特性、泥沙的起动特性、悬移质运动规律、推移质运动规律、水流挟沙力、非平衡输沙、泥沙运动统计理论、异重流运动理论、波流作用下的泥沙运动理论等[1]。
本文主要对河流泥沙运动学基本理论进行简要综述。
【关键词】河流泥沙运动学；基本理论河流泥沙学科是一门综合性的基础技术学科，研究泥沙在水体中的输移、悬浮、冲刷、淤积的规律，是水力学科的基础理论之一，包括了泥沙运动力学、河床演变与整治、工程泥沙、航道与港口治理、水土流失与治理等多方面的内容，涉及水文学、水力学、地理学、以及环境与生态学、沉积学等多个学科[1]。
通过对于河流动力学课程的学习和一系列论文的翻阅，现将河流泥沙运动学基本理论的相应进展做以综述，由于能力和资料的有限，望老师批评指正。
1.河流泥沙研究的发展历程我国河流泥沙研究的历史可追溯至修建都江堰工程时期，李冰父子通过引用鱼嘴分水堤，飞沙堰溢洪道，宝瓶口进水口三大部分和百丈堤、人字堤等附属工程，科学地解决了岷江的泥沙等问题，消除了水患。
今年来，我国的钱宁等老一代科学家通过其不断努力，逐步完善了理论研究体系，形成了一系列系统的学科，且成功的将这些理论运用到实际工程当中，解决了诸如三峡，小浪底等水利工程的泥沙问题2.我国河流泥沙研究成果我国是世界上河流最多的国家之一，有许多源远流长的大江大河。
其中流域面积超过1000平方千米的的河流就有1500多条。
我国的水资源具有四大特点：水多、水少、水脏、水混。
其中水混即河流中携带大量泥沙，导致了水土流失严重、河床抬高等一系列严重的问题，以黄河最为严重，这些问题给我过的水利水电工程建设、河道防洪和沿河道人民的日常生活都带来了严重的影响。
由于突出的泥沙问题和资源，我国的泥沙学科发展迅速，取得了巨大成就，研究在世界上也有着极高的地位。
(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。
浅谈河流动力学在河流泥沙研究中的应用及发展
的先进性， 河 流 动 力 学 是在 河 流 运 动 规 律 的研 究 基 础 上 提 出 的 。河 流 是 人
行， 同时， 码头 、 取水 口、 支流河 口等被淤浅甚至被淤塞 。在大坝下游 ， 由于 水库的调节作用 ， 增加 了枯水流量， 提高了枯 水航深， 这是有利的一面 。但 也存在很多不利的方面 ， 例 如上流进入水 库的是浑水 ， 当泥沙 大量沉积于 水库 后变 成 了清 水 。 水 库 下 泄 清 水将 冲 刷 河 床 。 葛 洲坝 枢 纽建 成 以来 。 坝 下 较长河段都发生冲刷， 河床下切， 水位下降。而一些大中型水库、 水 电站 多 担 负调峰任务下泄流量时增 时减， 使下游水深 也时大时小 ， 对水文 、 水利、
河流动力学 是一种新的研究方 式， 其采用 的动态 研究的理论 ， 可 以针
对河流的运动特点， 对河 流 泥沙 的运 动 情 况 以及 河 床 的变 形 情 况 进 行 分 析
会带来不利 的影响 ， 像修建长江三峡水利枢 纽， 在大坝上游很长的水库 区， 使 库 区 回 水 变 动 段。 的下游 内的险滩全部被淹 没， 航深增加 ， 航 行 条 件 得 到
改 善 。但 是 ， 在 回水 变 动 区 内泥 沙 会 大量 淤 积 ， 使枯水动规律 ， 具有客观性 的特 点， 有着 良好的应 用前景。 １河 流 动 力 学 的确 立 河流动力学 是一门新兴 的学科 ， 其是社会不断发 展的产物 ， 有 着较强
河流动力学第二章
1 3
沉降粒径(fall
diameter)：
即中轴长度b接近(实测结果为略大于)三轴的几何平均值。 如果把颗粒视为椭球体, 则其体积为：
V
对于粒径小于0.1mm的细砂，由于各种原因难以 用筛析法确定其粒径，而必须用水析法测量颗粒在静 水中的沉速，然后按照球体粒径与沉速的关系式, 求 出与泥沙颗粒密度相同、沉速相等的球体直径, 作为 泥沙颗粒的沉降粒径。颗粒沉速及由沉速反算沉降粒 径的计算方法将在后面讨论。
2014/12/22
第二章 泥沙颗粒的基本特性 河 流 动 力 学 概 论
2.1 风化过程
风化、土壤
2.2 单个颗粒的特性
泥沙颗粒的粒径、形状、密度、容重和比重
2.3 颗粒的群体特性
粒径分布和级配曲线、粒径分布的特征值、颗粒的空间排列与干 容重、泥沙的水下休止角、细颗粒泥沙的物理化学性质
2.4 泥沙颗粒的沉速
5
2014/12/22
筛分粒径(sieve diameter):
筛分粒径(sieve diameter):
设颗粒最后停留在孔径为D1的筛网上，此前 通过了孔径为D2的筛网，则可以确定颗粒的粒径 范围为
D1 D D2
可用算术平均、几何平均等给出筛分粒径。 泥 沙 分 样 筛 如按算术平均则 如按几何平均则
气候、岩石成分、结构构造、植被、地形和时间
物理风化作用：
地表岩石发生机械破碎而不改变其化学作用，也不形成 新矿物的作用。在风化作用的初期，以物理风化作用为主。
化学风化作用：
岩石发生化学成分改变和分解的作用。是在物理风化作 用的基础上进一步发生的,包括溶解、水解、碳酸盐化等。
1
2014/12/22
河流动力学课程报告专题一泥沙的特性
《河流动力学》课程报告专题一：泥沙的特性一、概述泥沙运动的基本规律和河道的演变基本规律是河流动力学这一学科的主要部分。
因此研究泥沙的特性，并对影响泥沙运动特性直接相关的因素进行概念定义、参数化和尺度化等工作，显得十分重要。
以此为基础可以更有效集中的来分析其中的规律性。
当然这其中也应该考虑到泥沙运动本身的复杂性，孤立因素的考虑必须与整体实际分析相结合，本部分概念的介绍以及相关参数的确定过程体现了这一理念。
本部分主要涉及泥沙的粒径、密实重率、干容重和水力粗度这几个概念。
二、主要知识要点1.泥沙粒径的确定方法、特征值及其意义泥沙的粒径是用以量度泥沙颗粒的大小的。
由于泥沙颗粒本身形状不规则，大小不等，所以需要用等容粒径（或球状粒径）来表示泥沙颗粒的大小。
等容粒径即是容积与泥沙相等的球体的直径，可测出容积后用相关数学公式进行换算。
不过测容积本身比较复杂，实际工作中常用筛分析法、比重法等来确定泥沙的粒径。
并用粒配曲线来更清晰地表明泥沙各大小颗粒的组成情况，可以清楚地判断其粒配是否均匀。
根据粒配曲线，可以采用粒径的某种特征值来表达沙样粒径的相对大小，常用的有两个，一个是中值粒径（粒配曲线中与纵坐标50%相应的粒径），一个是平均粒径（分组并加权平均计算的方法得出）。
粒径大小是泥沙的一个重要特性。
粗粒泥沙没有粘粒，细沙则具有粘性，因此粒径不同会表现出不同的运动状态；较细的泥沙有较大的空隙率和较小的干容重，泥沙多半是棱角峥嵘的。
应注意问题：（1）粒径分析应该细致进行，保证结果的精度，以建立可靠的粒径资料。
（2）天然河道往往上有泥沙粗下游细，不能把泥沙的沿程磨损作为主要因素去解释这一现象，主要原因可归结到不同的水流情况。
2. 泥沙的密实重率、干容重以及影响干容重的因素泥沙的密实重率，是泥沙各个颗粒实有的重量与泥沙各个颗粒实有的体积的壁纸，一般说来变化不大，常取γs=2650kg/m3泥沙的干容重γ'是沙样烘干后的重量与原状沙样的整个体积（包括泥沙颗粒实体和空隙）的比值。
第一章 河流动力学-绪论
三峡坝前淤积物的密实、沉陷现象
各种事实表明，在现代的工业化条件下： 1.人为活动把森林生态地区变成荒漠，人们也有能力把已经被毁坏的
森林生态在适宜的自然条件下重新恢复。但自然条件是个必要条件， 而不是充分条件；自然条件适宜时，森林生态也难以自动恢复。如果 没有适宜的自然条件，则人们更是难以在缺乏适宜条件的地区培育“ 人造森林生态”，就是说：能“还林”，不一定能“造林”。 2.森林覆盖面积重新恢复后，并不一定立即减少水土流失，区域森林
随计算机技术发展与提高，借助数学模型 研究大范围、长周期的河流影响和变化。如： 三峡水库修建后对上、下游及河口地区的影响。
概念性强 经验公式多 推导繁琐 统计图表较多
预习和复习 重视基本概念和基本原理 对于书中的公式不要求背，但应
弄清其物理意义和影响因素 注意公式的建立条件和适用范围
3.在高原山地修建道路工程、城镇化等活动能够大规模地直接产沙， 甚至抵消生态恢复措施的减沙效果。
我国的流域和河流泥沙问题无法在短期内解决;
从我国以往的大型工程经验来看, 冲积河流的泥沙 问题很可能成为那块“最短的木板”;
为了能够作出符合自然规律的正确工程决策，必须 详细地研究河流泥沙运动的规律。
水流结构：水流内部运动特征，运动要素的空间 分布
泥沙运动：冲刷，搬运和堆积
河床演变：河床形态，河床变形预测
xe
绪论
学习河流动力学的两点认识
天然河流总是处在不断变化和发展过程中
哲人说：一个人两次不能踏入同一条河流； 俗话说：三十河东，三十年河西(弯道、游荡型河道) ； 冲积河流弯道的发展规律。
资料。水利测量新技术：激光流速仪、超声波流速 仪的流场量测。 二、实体模型（20世纪初）
河流动力学：绪论13
河流动力学的发展简史
河流动力学的发展与人类生产与科技发展存在密切关系 古代：散见于当时兴修的水利工程及著作中
➢ 都江堰：利用河势分水分沙 ➢ 郑国渠：西引泾水中的含沙水流灌溉关中平原 ➢ 汉代贾让：宽河行洪为主的治黄三策
近代：逐渐发展为一门独立学科
➢ Guglielmini被认为是西方现代河流动力学的创始人 ➢ Dubuat（1734~1809），《水力学原理》，泥沙起动流速，沙波、
港口航道泥沙问题
➢ 港口选址，泥沙是一个重要考虑因素 ➢ 航道内泥沙淤积会影响航运
河道泥沙淤积问题
➢ 对于多沙河流，河道内泥沙淤积、床面高程抬高是主 要问题
➢ 据1985年资料统计，黄河输送到下游泥沙达16亿吨， 其中14亿吨进入大海
研究方法
理论研究
➢ 包括泥沙运动力学基本理论和河流演变原理研究 ➢ 研究对象物理机理相当复杂，一方面表现出力学作用
绪论
研究内容
河流定义
➢ 是在自然因素及人类影响下水流与河床以泥沙为中介 相互作用的产物，有其自身的发展变化客观规律
➢ 主要研究水流、泥沙、河床边界三者共同作用下的变 化规律的学科
➢ 主要包括：
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、搬运和堆积机理 河床演变：研究流域水系的形成和发展、河流系统、河流分类
学习要求
➢ 多和实际工程联系 ➢ 课后看相关文献 ➢ 多讨论
贾让治河三策见 /iNews/Index /Catalog107/3761.aspx
郑国渠介绍 /link?url=mu3xII3svW Eu0Apgf1tC4cCYe00CmvsTmJG78km61ypc 3r4L2gxs9atyML2_Isjb
河流动力学与泥沙运移的关联研究
河流动力学与泥沙运移的关联研究河流是地球上最重要的水域系统之一，它们承载着水资源、运输能源和运输商品的重要职责。
在河流运动中，水流动力学和底部泥沙运移是密不可分的。
水流的速度、深度和流向以及泥沙的粒径、密度和形状等因素会直接影响河流的动力学特性和泥沙运移过程。
因此，研究河流动力学与泥沙运移的关联关系具有重要意义。
首先，了解河道的几何形状对河流动力学的影响是十分重要的。
河道的几何形状会影响水流的速度和方向，从而对底部泥沙的输移产生影响。
研究表明，宽阔的浅水河道更容易发生泥沙运移，而窄深的河道则可能导致泥沙淤积。
此外，河道的弯曲程度和横截面形状也会对水流动力学和泥沙运移过程产生影响。
其次，水流速度对底部泥沙的运移至关重要。
水流速度越大，对底部泥沙的作用力就越强，泥沙的运移速度也就越快。
因此，了解水流速度的分布规律和变化对预测泥沙运移过程至关重要。
研究发现，在河道的不同部位，水流速度可能存在明显的差异，这会导致泥沙在河道中的不均匀分布。
此外，泥沙的粒径、密度和形状对其在水流中运移的方式也会产生重要影响。
粒径较小的细沙颗粒更容易被水流携带，而粒径较大的粗沙和砾石则在水流中更难移动。
此外，泥沙的密度也会影响其在水流中的沉降速度。
研究发现，在河道中，泥沙颗粒之间可能存在着不同的互相作用力，这也会影响泥沙的运移过程。
最后，气候和人类活动等因素也对河流动力学和泥沙运移过程产生影响。
气候变化可能导致河道水文条件的变化，从而影响水流速度和泥沙运移过程。
人类活动如土地利用变化、水库建设和河岸开发等也会对河流动力学和泥沙运移产生重要影响。
因此，在研究河流动力学与泥沙运移的关联时，必须充分考虑这些外部因素的影响。
让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，涉及到多个方面，包括河道的几何形状、水流速度、泥沙特性以及气候和人类活动等因素。
只有全面深入地研究这些因素之间的相互作用关系，才能更好地理解河流运动的规律和泥沙运移的过程。
河流泥沙动力学 绪论
清华大学泥 沙实验室
11
河流泥沙动力学
河 流 泥 沙 动 力 学
1
河流泥沙动力学
本课程特点： 本课程特点：知识点相对分散，公式较多
对于众多经验和半经验公式，不要求背诵，在 了解公式推导过程后，注意力放在弄清其物理概念， 分析影响因素，注意其建立条件和适用范围等方面， 并通过一定的作业来帮助了解掌握课程内容。 在学习过程中要注意上述特点。
因此，在设计水利枢纽时， 因此，在设计水利枢纽时，应充分认识和考虑到这种冲 刷的危害。 刷的危害。
8
河流泥沙动力学
与泥沙有关的工程问题
综上， 综上，由于河流中的泥沙在水利工程建设中引起了一系列 的特殊矛盾， 的特殊矛盾，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。 演变规律进行研究。
黄河三门峡水库—— 黄河三门峡水库
1958年 1958年 截流 1960.9 大坝基本建成
15亿 1962.3 泥沙淤积量达15亿吨
1964年 44亿 1964年 淤积量已达44亿吨，且淤积末端不断向上游延伸 此后被迫放弃蓄水，将已安装好的第一台机组拆迁，进行改建， 此后被迫放弃蓄水，将已安装好的第一台机组拆迁，进行改建，延 长工期10年
《河流泥沙动力学》，中国水利水电出版社，1998.5 河流泥沙动力学》，中国水利水电出版社， 》，中国水利水电出版社 参考书 《泥沙运动力学》，科学出版社，2003.8 泥沙运动力学》，科学出版社， 》，科学出版社 《河流动力学》，武汉大学出版社，2007.4 河流动力学》，武汉大学出版社， 》，武汉大学出版社 《河流动力学基础》，中国水利水电出版社，2002.10 河流动力学基础》，中国水利水电出版社， 》，中国水利水电出版社
河流动力学C2
1、表述颗粒大小的各种测量
所测量的物理量 测量方法
定义（名称）
卵石、砾石
目测、量规 长、宽、高度
颗粒投影
千分尺
投影直径
小颗粒横切面 横切面的Amin
重量
放大图像后同上 薄片直径
筛析法
筛分粒径
天平
与颗粒ρ、G等的 球体直径
体积
体积计
二、含沙水体的流型
1、概念： 均质悬液处于剪切流动时，不同流层的
流速不同，不同流层间的剪切力作用使流体 微团产生变形，称为流变。其剪切变形率与 切应力的关系称为流变特性。
不同流变的类型称为流型。
2、基本分类 牛顿流体、理想塑性体、胡克型物体。
含沙水体的流型
流体类型
剪切应力的变化
牛顿流体
宾汉流体
流型
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。
⑴ 此现象随含盐度↑而↑，但变化缓慢， 若在高含沙浓度时变化不明显。
§2-3 泥沙颗粒的沉速
⑵ 影响絮凝的因素：
① 盐度、水温—影响排斥力； ② 含沙浓度、紊动—增加碰撞几率，利于絮 凝，使ω↑，但反过来紊动易破坏已有絮团。 ⑶ “上清下浑”：（实验室）
当细颗粒浓度较低时，絮团互不相连，单 个絮团ω＞细颗粒个体ω；当S↑时，絮团相 连→絮网结构，其ω大幅↓，形成一个整体缓 慢下沉，在水体顶部呈现一个不断下降的清、 浑水交界面。
河流泥沙动力学
输沙率。
B
n
Gb
0
g dz bi
i 1
gbibi
由于天然河流水流条件沿河宽方向变化较大，因 此工程上常用单宽推移质输沙率来表征推移质输沙 强度。
10
2014/4/12
推移质输沙率的研究方法
从沙波运动角度考虑进行推导 以实验资料为基础的Meyer-Peter公式 以物理概念和力学分析为基础的Bagnold公式 以概率论和力学结合进行统计学分析的Einstein公式 以其他方法，如资料配线等方法为基础的 Engelund公式、 Yalin公式和 Achers White公式等
研究地点：瑞士联邦理工学院，中文也译作苏黎世联邦高等工业大学 (Eidgenossische Technische Hochschule Zürich，简称ETH)。小 爱因斯坦在此做研究生时(1930)，E.Meyer-Peter是他的导师。
推移质输沙率的研究方法
均匀推移质运动的预测方法—Meyer-Peter公式
河流泥沙的观测
悬移质泥沙的测量 推移质泥沙的测量 床沙的测量
2014/4/12
河流泥沙的观测
——悬移质泥沙的测量
泥沙测验的设备称为采样器
悬移质采样器
瞬时式采样器（我国使用较多） 积时式采样器
1
2014/4/12
河流泥沙的观测
仪器及测量方法
——悬移质泥沙的测量
1.用撑爪开盖 2.测筒入水 3.快速关闭盖筒 4.装置提出水面 5.筒中水即为悬移质水样 6.实验室水样分析
Manning系数) ；K’b=26/D901/6 ，如需要考虑边壁的影响时，可
取Qb=BhbU, Q=BhU
书上P123
Meyer-Peter公式另一种写法可看成起动条件：
- 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)。
《河流泥沙动力学》，中国水利水电出版社，1998.5 河流泥沙动力学》，中国水利水电出版社， 》，中国水利水电出版社 参考书 《泥沙运动力学》，科学出版社，2003.8 泥沙运动力学》，科学出版社， 》，科学出版社 《河流动力学》，武汉大学出版社，2007.4 河流动力学》，武汉大学出版社， 》，武汉大学出版社 《河流动力学基础》，中国水利水电出版社，2002.10 河流动力学基础》，中国水利水电出版社， 》，中国水利水电出版社
黄河三门峡水库—— 黄河三门峡水库
1958年 1958年 截流 1960.9 大坝基本建成
15亿 1962.3 泥沙淤积量达15亿吨
1964年 44亿 1964年 淤积量已达44亿吨，且淤积末端不断向上游延伸 此后被迫放弃蓄水，将已安装好的第一台机组拆迁，进行改建， 此后被迫放弃蓄水，将已安装好的第一台机组拆迁，进行改建，延 长工期10年
26次 较大的改道就有26次。
平均不足 2年就有一次 年就有一次
6
河流泥沙动力学
与泥沙有关的工程问题
2、水库泥沙淤积问题
蓄水同时拦蓄泥沙，减小库容，影响水库正常调度运用， 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、 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， 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。 影响发电机寿命。
河 流 泥 沙 动 力 学
1
河流泥沙动力学
本课程特点： 本课程特点：知识点相对分散，公式较多
对于众多经验和半经验公式，不要求背诵，在 了解公式推导过程后，注意力放在弄清其物理概念， 分析影响因素，注意其建立条件和适用范围等方面， 并通过一定的作业来帮助了解掌握课程内容。 在学习过程中要注意上述特点。
清华大学泥 沙实验室
11
河流泥沙动力学
河床日益抬高，行洪能力降低， 河床日益抬高，行洪能力降低，一遇非常洪水就可能漫堤溃决 河深宽浅，主流迁徙无常， 河深宽浅，主流迁徙无常，严重降低对洪水的抵御能力
黄河下游，由于含沙量非常之大， 二级悬河” 特别是黄河下游，由于含沙量非常之大，导致“二级悬河”
和“小水大灾”的出现，建国前的2500多年中，就决口泛滥1593次， 小水大灾” 2500多年 1593次
4
河流泥沙动力学
引论
1、与泥沙有关的工程问题 防洪问题 水库泥沙淤积问题 水利枢纽下游的河床变形问题 2、河流泥沙动力学的研究对象 泥沙运动的基本规律 3、河流泥沙动力学的研究现状
5
河流泥沙动力学
与泥沙有关的工程问题
1、防洪问题 洪水的泛滥成灾多半与上游来沙过多并在河床上 大量堆积有关： 大量堆积有关：
因此，在设计水利枢纽时， 因此，在设计水利枢纽时，应充分认识和考虑到这种冲 刷的危害。 刷的危害。
8
河流泥沙动力学
与泥沙有关的工程问题
综上， 综上，由于河流中的泥沙在水利工程建设中引起了一系列 的特殊矛盾， 的特殊矛盾，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。 演变规律进行研究。
2
河流泥沙动力学
教学及考核方式
• 课堂讲授 • 考试成绩＝卷面成绩70%＋平时成 考试成绩＝卷面成绩70% 70%＋ 出勤情况＋作业完成情况） 绩（出勤情况＋作业完成情况）30%
3
河流泥沙动力学
教材
《河流动力学概论》，清华大学出版社，2005.8 河流动力学概论》，清华大学出版社， 》，清华大学出版社
河系提供了液态载体来 大量的泥沙输运到海洋 之中， 之中，从而造就了巨大 的河口三角洲体系。 的河口三角洲体系
9
河流泥沙动力学
河流泥沙动力学的研究对象
10
河流泥沙动力学
河流泥沙动力学的研究现状
河道的演变过程涉及到的变量很多， 河道的演变过程涉及到的变量很多，而可以应用的力学和数 学定律及条件却不够(泥沙问题无法用牛顿力学解决) 学定律及条件却不够(泥沙问题无法用牛顿力学解决)，许多问题 还不能进行精确的分析运算，常常需要依赖于室内水槽试验、 还不能进行精确的分析运算，常常需要依赖于室内水槽试验、实 测资料归纳法、简化假定法(如各种极值假定) 测资料归纳法、简化假定法(如各种极值假定)
7
河流泥沙动力学
与泥沙有关的工程问题
3、水利枢纽下游的河床变形 河道上游修建水利枢纽后， 河道上游修建水利枢纽后，泄水将使下游河床发生两种冲 刷： 局部高强度冲刷，将直接危及枢纽本身的安全； 较短河床上的局部高强度冲刷，将直接危及枢纽本身的安全；
较长河段上的一般冲刷，将使河床和水位在较长距离内降低， 一般冲刷，将使河床和水位在较长距离内降低， 引起护岸工程和桥梁附近的基础遭受破坏。 引起护岸工程和桥梁附近的基础遭受破坏。