天然河道水流紊动特性分析
河流水流动力学的观测与分析
河流水流动力学的观测与分析引言河流是地球表面最重要的水文系统之一，其水流动力学是水资源管理、环境保护以及自然灾害预防等领域的重要研究内容。
准确观测和深入分析河流水流动力学，对于提高水资源的开发利用效率、改善环境质量、保护河流生态系统具有重要意义。
本文将介绍河流水流动力学观测的基本原理和常用方法，并重点关注河流水流动力学分析的关键要素。
我们将介绍水流速度观测、水位观测、流量观测以及底床变动观测等内容，并结合实际案例阐述分析方法与数据利用。
水流速度观测水流速度是河流水流动力学的重要参数之一，准确测量水流速度能够帮助我们了解河流的运动规律以及底床状况。
常用的水流速度观测方法包括浮标法、浮游生物法、溶液探测仪法等。
其中，浮标法是最常用的方法之一，通过在水面放置浮标并跟踪其运动轨迹，可以计算得到水流速度。
水位观测水位是河流水流动力学中的重要参数之一，观测河流水位能够帮助我们了解河流的水量变化以及波动情况。
常用的水位观测方法包括使用水位计、压阻水位计、声纳水位计等。
这些方法各有特点和适用范围，需要根据具体情况选择合适的观测设备。
流量观测流量是河流水流动力学中最为关键的参数之一，准确测量河流的流量可以帮助我们了解河流的水量供给情况、水资源管理以及洪水预警等重要问题。
常用的流量观测方法包括流速-流量曲线法、激光测距仪法、船只测流法等。
我们将详细介绍这些方法的原理和操作步骤，并提供实际案例进行分析说明。
底床变动观测河床的变动对于河流的水力特性和生态环境都具有重要影响，因此观测河床变动是水流动力学研究中的重要内容之一。
常用的底床变动观测方法包括水准测量法、地面控制点法、测量声纳测深法等。
我们将介绍这些方法的原理和应用范围，并通过对实际观测数据的分析来揭示河床变动对河流水流动力学的影响。
河流水流动力学的分析方法河流水流动力学的数据观测得到之后，需要进行深入的分析才能发现其中的规律和内在联系。
在本节中，我们将介绍一些常用的河流水流动力学分析方法，包括统计分析、数学模型以及人工智能技术的应用。
第二章 水流的紊动
普朗特混合长度理论
当同时进入中间流层的来自上面的微团在左、来自下面的微团在右时，它 们将以 2vx 的相对速度相互碰撞，受撞的微团向侧面散开。
当同时进入中间流层的来自上面的微团在右、来自下面的微团在左时，它 们将以 2vx 的相对速度分开，周围的流体将补充进来。
普朗特混合长度理论
用于底壁的切应力 0 hJ
根据理论与实测资料分析得到紊流切应力沿水深按
直线分布：
y
τ
γ(h
y)J
τ0 (1
) h
水力梯度,比降 坡度
z /h
紊动切应力的垂向分布
德国学者L.Prandtl在1925年提出的半经验紊流理 论。至今仍得到广泛的应用。在二元紊流中,由于垂 向脉动流速v′的作用,相邻各层间的流团相互掺混, 参与掺混的流团各自带有原前进方向的动量,随着相 互质量交换产生动量交换,并由此产生紊动，流团在 掺混过程中有一个平均自由行程L。
摩阻流速U*：
U*
ghJ
0
摩阻流速U*反映了水流的紊动情况，广泛应用在泥沙研究 中。
τ0是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床面剪切力。
0 hJ U*2
（1）对数型流速分布公式，普朗特 （Th.von.Karman-L.prandtl）公式
umax u 1 ln h
8.5
1938年，keulegan(坎莱根)提出如下的对数型断面平 均流速公式：
U 5.5 5.75 lg( RU* )
U*
（水力光滑区） （2-19）
U 8.5 5.75 lg( R )
（水力粗糙区） （2-18）
U*
ks
河道水流和泥沙的一般特性
河流动力学
细颗粒泥沙的物理化学特性
河流动力学
电化学性质
1、比表面积 ：泥沙颗粒表面积与其体积之比
4D2/4 6 D3/6 D
（颗粒越细，该值越大） •比表面积的意义：反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对
大小， 越大，物化作用就越大
河流动力学
电化学性质
2、双电层及吸附水膜的特性 （1）细泥沙颗粒在含有电解质的水中， 颗粒周围会形成双电层、吸附水膜。 • 细泥沙颗粒表面带有负电荷，吸引反 离子，形成吸附层（固定层）＋扩散层 • 细泥沙颗粒表面带有负电荷，同时也吸引水 分子形成粘结水＋粘滞水＝束缚水
河流动力学
泥沙的矿物成分与分类
泥沙的矿物成分
既然泥沙来源于岩石风化，则风化岩石的矿 物成分决定泥沙的矿物成分；不同的风化方 式对岩石矿物成分的影响程度不同，因此风 化方式也影响泥沙的矿物成分
物理风化、化学风化以及生物过程
矿物的物理性质
比重或密度：2.65 硬度：≧5，水轮机过流部件硬度一般≦5
河流动力学
泥沙的沉阵速度
沉降形式
泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度，称为泥沙的 沉降速度，简称沉速
反映着泥沙在与水流相互作用时对运动的抗拒能力。 组成河床的泥沙沉速越大，则泥沙参与运动的倾向越 小
泥沙重度＞水的重度，在水中的泥沙颗粒将受重力作 用而下沉。→→初始速度为零，抗拒下沉的阻力也为 零，有效重力起作用，泥沙颗粒的下沉具有加速度。 →→随着下沉速度的增大，阻力增大，终于使下沉速 度达到某一极限值。→→此时，泥沙所受的有效重力 和阻力恰恰相等，泥沙颗粒的继续下沉便以等速方式 进行
河流动力学
弯道环流图
图中，a为平面，b为 横剖面
河流动力学
有植被的河道水流紊动特性模型试验研究
水流紊动强 度沿 程递减 ； 滩槽 交 界区的水流紊 动强度 滑程小 断增大 ； 主槽 的水流紊动 强度主 要与床 而糙 率有
关 ， 地 植 被 影 响 了滩 地 水 流 的归 槽 时 间 ， 主 槽 水 流 流 速 沿 程 增 大 ． 滩 使
关 键 词 ：水流紊动强度 ； 被；濉地 ； 植 复式 断面河道 ； 型试 验 模
（ 海 大 学 环境 科 学 与 工程 学 院 ，江苏 南 京 河 ２ ０９ ） １０ ８
摘要 ： 通过物理模 型试验 ， 研究 Ⅲ ， 有植被的河道水流紊动特性． 试验结 果表 明， 在复式 断面河 道滩地 种植柔性
槽 被 后 ， 地 糙 率 增 大 ， 流 紊 动 更 为 剧 烈 ， 道 水 流 紊 动 强 度 峰值 由原 先 的 滩 槽 交 界 区 转 移 到 滩 地 区． 地 的 滩 水 河 滩
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｔｈ ｔ ｒ ｌｎ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆｆｏ ｔａ ｔ ｅ ｕ ｂｕ ｅ ｔ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓ ｏ ｗ ｉ ｖ ｇ ｔｔ ｄ ｈａ ｎ ｌ ｒ ｓｕｄｅ ｉ ｐ ｙ ｉａ ｍｏ ｅ ｅ ｔ． Ｔｅ ｔ ｌ ｎ ｅ ｅ ａｅ ｃ ｎ ｅ ｓ ａ ｅ ｔ ｉｄ ｎ ｈ ｓｃ ｌ ｄ ｌｔ ｓｓ ｓ ｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｈｅ ｒ ｕ ｈ ｅ ｓｏ ｏ ｄ ｌｉ ｎ ｕ ｂ ｌｎ ｅ ｏ ｏ ｉ ｃ ｅ ｓ ａｔｒ ｆ ｘｂ ｅ ｖ ｇ ｔｔｏ ｓ ｐ ａ ｔｄ ｉ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｏ ｇ ｎ ｓ ｆｆ ｏ ｐ ａｎ ａ ｄ ｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ｆｆ ｗ ｎ ｒ ａ ｅ ｆｅ ｅ ｉｌ ｅ ｅａ ｉｎ ｉ ｌ ｎｅ ｎ ｌ ｌ ｌ ｔ ｅ ｆｏ ｄ ｌ ｉ ｆ ｔ ｅ ｗａｅ ｗａ ｔ ａ ｃ ｍｐ ｕ ｄ ｓ ｃｉｎ， ａ ｄ ｈ ｔｔ ｂ ｌｎ ｅ ｉ ｔ ｎ ｉ ｅ ｋ ｓ ｔａ ｆ ｒｅ ｏ ｈ ｈ ｏ ｐ ａｎ ｏ ｈ ｔ ｒ ｙ ｗｉ ｌ ｈ ｏ ｏ ｎ ｅ ｔｏ ｎ ｔ ａ ｕｒ ｕ ｅ ｃ ｎｅ ｓｔ ｐ ａ ｉ ｒｎｓｅ ｒ ｄ ｔ ｔ ｅ ｙ ｌ ｄ ｌ ｉ ｒ ｍ ｈ ｉ ｔｒｅ ｔｏ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｆ ｏ ｐ ａｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｍ ｉ ｈ ｎｎ １ ｆ ｏ ｐ ａｎ ｆｏ ｔ ｅ ｎｅ ｓ ｃｉ ｎ ｂ ｔ ｅ ｈ ｏ ｄ ｌｉ ｎ ｈ ａｎ ｃ ａ ｅ ． Ｔｕ ｂ ｌｎ ｅ ｉ ｔｎ ｉｙ ｏ ｏ ｉ ｈ ｏ ｌ ｒ ｕ ｅ ｃ ｎｅ ｓｔ ｆｆ ｗ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｏ ｐ ａｎ ｄ ｃ ｅ ｓ ｓ ｇ ａ ａｌ ｌ ｎ ｈ ｉｅ ｉ ｔ ａ ｎ ｔ ｅ ｉ ｔｒｅ ｔ ｅ ｉｎ ｅｗｅ ｎ ｈ ｏ ｐ ａｎ ｎ ｈ ｆｏ ｄ ｌ ｉ ｅ ｒ ａ ｅ ｒｄｕ ｌｙ ａ ｏ ｇ ｔｅ ｒｖ ｒｗｈ ｌ ｈ ｔｉ ｈ ｎ ｅ ｓ ｃｉ ｎ ｒ ｇ ｏ ｂ ｔ ｅ ｔ ｅ ｆｏ ｄ ｌｉ ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｏ ｌ ｍａ ｎ ｃ ａ ｎ ｌｉ ｃ ｅ ｓ ｓ Ｔｕ ｂ ｌｎｃ ｎｅ ｓｔ ｎ ｔｅ ｍａ ｎ ｃ ａ ｎ ｌｉ ｓｏ ｉｔｄ ｗｉ ｈ ｏ ｇ ｎ ｓ ｆｂ ｄ ｓ ｒａ ｅ． ｉ ｈ ｎ ｅ ｎ ｒ ａ ｅ ． ｒ ｕ ｅ ｅ ｉ ｔｎ ｉ ｉ ｈ ｉ ｈ ｎ ｅ ｓａ ｓ ｃａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｕ ｈ ｅ ｓ ｏ ｅ ｕ ｆｃ ｙ ｈ Ｖｅ ｅａ ｉｎ ｎ ｔ ｅ ｆｏ ｄ ａｎ ｆｅ ｔ ｈ ｔ ｅ ｏ ｎ ｉｔ ｈ ａｎ ｈ ｎ ｅ ｆｔ ｅ ｆｏ ｄ ｌ ｉ ｆ ｗ ａ ｄ ａ ｏ ｓ ｈ ｇ ｔ ｔ ｓ ｉ ｈ ｏ ｐｌｉ ａｆｃ ｔｅ ｉ ｃ ｍｉ ｇ ｎ ｏ ｔ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｎ ｌｏ ｈ ｏ ｐ ａ ｎ ｌ ｏ ｌ ｍ ｌ ｏ ｎ ｒｕ ｅ ｔｅ ｉ ｃ ｅ ｓ ｆｆｏ ｖ ｌｃ ｔ ｎ ｔ ｅ ｍａ ｎ ｃ ａ ｎ ｌａｏ ｇ ｔ ｅ ｒｖ ｒ ｎ ｒ ａ ｅ ｏ ｗ ｅｏ ｉ ｉ ｈ ｉ ｈ ｎ ｅ ｌ ｎ ｈ ｉｅ ． ｌ ｙ
第3章 河道水流运动基本规律
四、河道水流的环流结构
环流结构是河道水力学中一个颇为重要的问题。 前面已经提到， 河道水流除了主流以外， 还有次生流。具有复归性的次生流被称之为环流。主流一般以纵向为主。环流则否然，它因 产生的原因不同，具有不同的轴向。因此输沙的方向，也不限于纵向。可以这样地说，河流 中的横向输沙主要是有关的环流造成的， 而不是主流或纵向水流造成的。 河道水流的输沙自 然是纵横两向彼此联系的。因此，一个河段的冲淤状况，除了受主流的影响之外，还受环流 的影响。环流就其生成原因而言，可以区别为以下几种。 1．因离心惯性力而产生的弯道横向环流 水流通过弯道时，在弯道离心力的作用下，水流中出现离心惯性力。离心惯性力的方向 是从凸岸指向凹岸，结果使凹岸水面高于凸岸水面，形成横向水面比降。 为了计算横向水面比降的大小，在弯段水 流中曲率半径为 R 的流线上，取一个长、宽各 为一个单位的微小水柱，如图 3-1 所示，分析 水柱受力情况。为了简化起见，只考虑二维恒 定环流。这样，水柱的上下游垂直面中的内摩 阻力可以不计。在这种情况下，水柱在横向受 的力有：离心力 F，两侧动水压力差
[8]
其中 m 为指数流速分布公式中的指数；C 0 为无量纲谢才系数，C0 C / g ， （这里的 C 为 谢才系数），与对数流速分布公式中的摩阻流速有下列关系； v v / C 0 ，其中 v 为垂线平 均流速。只要已知 C 0 与 m 之间的关系，便可实现式(3-2)及式(3-5)之间的转换。
83
侧或一侧，有平均单宽流量较小的、近岸的边流带。主流线及主流带对河段的流态及发展趋 势有决定性的作用，是河流水力学分析主要研究对象之一。 除主流线之外， 还可取最大单宽动量线(亦称动力轴线)或最大单宽动能线来表示河道水 流的轴线。 主流线、 最大单宽动量线及最大单宽动能线在河段正流中的位置相近而不一定重 合。在很多情况下，可任取三者之一作为河道水流的轴线，差别不是很大。但在研究某些特 殊问题时，则三者的代表性会有明显不同。如研究堤防受水流顶冲强度，则以采用最大单宽 动量线为宜。 此外，沿河床各横断面中高程最低点的平面平顺连接线，称为深弘线。某些河段的深弘 线位置，可能在同一时段与主流相近或相重合，但也可能相差很远。 在河道水流中，与正流相对应的，有副流或次生流。所谓副流或次生流就是从属于正流 的水流，不能单独存在。这种副流或次生流，有的具有复归性，或者基本上与正流脱离，在 一个区域内呈循环式的封闭流动； 或者与正流或其他副流结合在一起， 呈螺旋式的非封闭的
CH1河道水流、泥沙特性
紊动切应力
一、紊动切应力概念 由于涡漩混掺引起质点动量交换而产生脉动流
速及相应紊动切应力，也称附加切应力。
表达形式1：
式中，ux’uy’是指空间某点瞬时ux’和uy’在某时段的时均值。 ux= ux+ ux’； uy= uy+ uy’； 式中， ux为瞬时值，ux为时均值， ux’为X方向的脉动流速
摩阻流速U*：
τ U*= gRJ =
0ρ
摩阻流速U*反映了水流的紊动情况，广泛应用在泥沙研究 中。 U*与脉动强度的数值大小相当。
τ0是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床面剪切力。
τ0=γhJ=ρU*2
常用计算的推导
Ks和糙率n的计算： 例：先测得河流水深h,再测水流垂线上两点流速，如：从 水面测得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分布公式：
营力种类主要有水力、风力、
重力、水力和重力的综合作用
土
力、温度(由冻融作用而产生的 壤
侵
作用力)作用力、冰川作用力、 蚀
化学作用力等，因此土壤侵蚀
类 型
类型就有水力侵蚀、风力侵蚀、
重力侵蚀、冻融侵蚀、冰川侵
蚀、混合侵蚀、化学侵蚀和生
物侵蚀等类型。
水力侵蚀类型 风力侵蚀类型 重力侵蚀类型 冻融侵蚀类型 冰川侵蚀类型 混合侵蚀类型 化学侵蚀类型 生物侵蚀类型
表达形式2：
紊动切应力
影响εm的几个量在量测和确定上都存在不少困
难，在实际计算中，通常由切应力和时均流速
分布反推εm值。
紊动切应力表达式 在恒定二元均匀明流，水深为h，水力坡度为J，
作用于底壁的切应力为：τ0=rhJ；
天然河流流动特性以及人为规避发展方法
天然河流流动特性以及人为规避发展方法天然河流是地球上最为常见的地貌特征之一。
它们是水资源和生态系统的重要组成部分，同时也是人类活动的重要影响对象。
了解天然河流的流动特性以及采取合适的人为规避发展方法，对于保护河流生态系统的平衡和确保人类可持续发展至关重要。
天然河流的流动特性受到多个因素的影响。
首先，地形起伏是决定河流水动力学的重要因素之一。
陡峭的河流段通常水流湍急，冲刷作用强烈，形成峡谷和瀑布。
而较为平缓的河流段则水流缓慢，携带的泥沙颗粒数量较多。
其次，流量是河流流动特性的重要指标。
流量大小直接影响着河流的水位和流速，进而决定着河床形态和河岸稳定性。
降雨量、地下水和冰川融水是影响流量的主要因素。
此外，床质物质也会对河流的流动特性产生重要影响。
河流携带的泥沙颗粒在长时间的冲刷和沉积作用下，形成多样化的床质分布，进而影响河床形态和水动力学特征。
人类的活动对天然河流的发展产生了重要的影响。
过度的水资源开发和利用、城市化进程以及大规模工程建设等都对河流的生态系统造成了破坏。
人为规避发展方法成为了保护河流流动特性和生态系统平衡的必要手段之一。
首先，加强水资源管理是必要的。
合理规划和利用水资源，确保水量的充足和高质量，有助于维持河流流量的稳定。
其次，推进生态修复和保护工作是重要的。
通过河岸防护、湿地恢复和水生态环境的治理，可以减少人类活动对河流的影响，保护河流的自然特性和生态系统的完整性。
此外，制定和执行合理的土地利用政策也是必要的。
合理规划城市化进程，避免不当的水库建设和过度的土地开发，可以减轻河流的冲刷和沉积作用，保持河流的自然流动特性。
在人工干预的影响下，一些人工河流的出现也成为了规避发展的一种选择。
人工河流的设计和建造，可以通过引导水流、调节流量和改变床质等手段，优化河流的水动力学特性。
这些人工河流的建设与河道修复、城市景观建设等相结合，不仅可以保护河流的基本水动力学特性，还可以促进城市发展和提升居民的生活质量。
水利工程中的水力特性分析
水利工程中的水力特性分析水利工程是利用水资源进行管理和开发的工程，而水力特性分析是水利工程设计和运营中非常重要的一项工作。
水力特性分析主要研究水在水利工程中的流动特性、水力行为及其对工程的影响。
本文将探讨水力特性分析在水利工程中的应用，以及相关的理论和方法。
水力特性分析涉及到许多重要的概念和原理，其中最基本的是流态分类。
根据流态的不同，水流可以分为层流和紊流。
层流是指流速较低、流线平行且变化平缓的流动方式，而紊流则是流速较高、流线交错且变化剧烈的流动方式。
了解水流的流态有助于我们更好地预测水力行为，进行工程设计和管理。
在水力特性分析中，流速是一个重要的参数。
流速的大小取决于多个因素，包括地形、水流的压力差和阻力等。
流速的测量可以通过不同的方法来实现，例如使用浮标法、激光测距仪或流速计等。
通过测量流速，我们可以获得水在水利工程中的运动速度，从而帮助我们评估和优化工程的设计。
除了流速之外，流量也是水力特性分析中的关键参数。
流量是单位时间内通过某一横截面的水量。
正确计算和估算流量对于确保水利工程的正常运行至关重要。
我们可以使用流速和横截面积的乘积来计算流量。
对于复杂的水利工程，我们可能需要考虑非均匀流速和非均匀横截面积的情况，这时候我们可以使用积分的方法来进行计算。
水力特性分析不仅仅涉及流速和流量，还包括了水流的水压、水位和水力力学等方面的分析。
水压是水流对单位面积内物体施加的压力。
水位是水面的高度，可以用来评估水流的深度和变化情况。
水力力学是研究水流行为与水利工程设计和运营相关的一门学科。
通过分析水压、水位和水力力学等参数，我们可以更好地了解水流的特性和行为，从而优化工程设计。
在实际的水利工程中，水力特性分析可以帮助工程师和管理人员解决许多问题。
例如，在发电站设计中，水力特性分析可以帮助确定水轮机的适应性和发电效率。
在水闸设计和运营中，水力特性分析可以帮助确定闸门的尺寸和操作方式，以实现精确的水位控制。
桥梁设计中的河流水动力特性研究
桥梁设计中的河流水动力特性研究桥梁设计一直是工程领域中至关重要的一个方面。
作为城市基础设施的重要组成部分，桥梁既要保障交通运输的畅通无阻，同时还要考虑其在自然环境中的适应性和稳定性。
河流水动力特性是桥梁设计中一个十分重要且复杂的问题，其研究对于桥梁结构的合理设计和有效运营起着至关重要的作用。
一、水流对桥梁结构的影响河流水动力特性包括水流速度、水深、水流方向等因素，这些因素将直接影响桥梁结构的设计和抗洪性能。
流速快慢将导致桥墩的承受力不同，而水深则会影响桥梁的受力情况。
因此，在进行桥梁设计时，必须充分考虑河流水动力特性的影响，合理确定桥墩形状和材料选用，以确保桥梁的稳定和安全。
二、水下结构设计除了考虑水流对桥梁上部结构的影响外，还必须注意水下结构的设计。
水下结构的合理设计将影响桥梁的整体稳定性和使用寿命。
在处理桥墩和桥基设计时，必须充分考虑河床的地质情况和水力特性，确保桥梁的水下部分能够承受水流冲刷和水力作用的影响，避免桥基侵蚀或倾斜导致桥梁倒塌的问题。
三、防洪考虑桥梁在河流中的设计必须考虑到防洪的因素。
河流水动力特性研究中，包括考虑洪水流速、流量等参数，以确定桥梁在洪水情况下的承载能力和稳定性。
合理的防洪设计将有效降低桥梁在洪水情况下的风险，保障桥梁和交通运输的整体安全。
四、水力模拟技术为了更好地研究河流水动力特性对桥梁的影响，现代技术下，水力模拟技术成为了不可或缺的手段。
通过数值模拟和物理模型试验，可以模拟不同流速下水流对桥梁结构的冲击情况，为桥梁设计提供科学依据。
同时，水力模拟技术还可以帮助工程师们更准确地预测河流水动力特性的变化，为桥梁的设计和建设提供参考。
总结在桥梁设计中，河流水动力特性研究是一个复杂而重要的课题。
只有充分考虑水流对桥梁结构的影响，合理设计桥梁的上部和下部结构，才能确保桥梁在河流环境下的稳定运行。
通过水力模拟技术的应用，可以更好地理解和分析河流水动力特性，为桥梁设计提供科学依据，推动桥梁工程的发展和进步。
水流紊动性和指定性指标
水流紊动性和指定性指标
水流垂向紊动性是水体运动的重要水力学属性。
为了更好地合理使用和保护水环境，准确预报河流、湖泊和水库的水环境质量，需要对水流紊动特性进行深入的研究，以便能够深入了解水体中污染物的迁移和扩散，准确计算水环境容量及污染物允许量。
特别地，蓄水后水库支流一旦形成较封闭的支流库湾，容易造成水体富营养化和水华暴发。
对于水华暴发的条件，目前普遍取得共识的是:充足的营养盐(氮、磷、硅等)、缓慢的水流流态和适宜的气候条件(水温、光照等)。
近些年，国内外相关研究表明，水动力条件及水文情势的变化对水华暴发具有决定性影响，其中水流的属性中除流速、流量外，垂向紊动强弱也是水华发生的一个关键因素，较强的垂向紊动有利于水华的消失，因此，垂向紊动测量对水库库湾水华暴发的预警具有十分重要的意义。
目前对水流垂向紊动特性的测量和分析主要手段是数值模拟方法，缺少一类能开展实际现场原型观测的水流垂向紊动指标的装置和方法。
已有文献公开了水体流动观测的技术方案，《一种利用气泡测量河渠流速的方法及装置》公开了一种利用气泡测量河渠流速的方法及装置，《流体内部全流场三维可视流向、流速测量装置》公开了一种流体内全流场三维可视流向、流速测量装置。
但需指出，这些已有技术虽然能够部分实现流速值和流场分布的测量，但均不具备原型观测水流垂向紊动特性及其具体数值的能力。
河流流域动态变化研究与管理
河流流域动态变化研究与管理河流流域是一个复杂的自然地理系统，它涵盖了河道、河滨、土地、生态系统、人类社会经济系统等多个方面。
近年来，随着气候变化、人类活动和城市化的加速发展，河流流域的动态变化已经成为了一个大家都关心的问题。
1. 河流流域动态变化的原因河流流域的动态变化是由多种原因引起的。
气候变化是其中最重要的原因之一。
气候变化会直接影响到流域的水循环。
例如，全球升温使得极端天气越来越频繁，这会导致洪水和干旱等自然灾害的发生频率增加。
人类活动也是河流流域动态变化的重要原因之一。
随着城市化、工业化和农业的不断发展，人类对土地的利用方式也在不断发生变化，这会导致河流流域的自然生态系统遭受严重破坏，同时也会影响到河流的水质和水量。
2. 河流流域动态变化的影响河流流域的动态变化会对社会经济、人类健康和自然环境造成严重的影响。
首先，河流流域的动态变化可能导致洪水、干旱和地质灾害等自然灾害的发生，这对居民的生命和财产安全构成了威胁。
其次，河流的水质和水量也会对人类健康产生严重影响。
随着水污染和饮用水安全问题的日益突出，人们对河流的水质和水量提出了更高的要求。
最后，河流流域的健康与生态系统的稳定性息息相关。
河流流域提供了丰富的自然资源和生物多样性。
随着人类活动的不断增加，这些资源和生态系统的稳定性遭受威胁，影响到了生态系统的运作和可持续性。
3. 河流流域动态变化的研究与管理为了控制河流流域的动态变化，并推动其可持续发展，需要进行科学理论探索、管理策略制定和技术应用。
首先，需要通过多学科综合研究，对河流流域的生态系统、社会经济系统、地质学、气象学等方面进行全面深入的了解，以便更加科学合理地制定河流流域的管理策略。
其次，需要强化河流流域的管理体制和机制，加强跨部门、行业和地区之间的合作和协调，为管理工作提供有力支持。
同时，还需要大力推进技术研发，利用现代科技手段，对河流流域进行多样化、精细化综合管理，实现河流流域的可持续发展。
天然河道水流紊动特性分析
天然河道水流紊动特性分析
卢金友;徐海涛;姚仕明
【期刊名称】《水利学报》
【年(卷),期】2005(036)009
【摘要】本文采用超声多普勒三向流速仪对不同流量级的条件下长江干流黄陵庙水文观测断面不同垂线的脉动流速进行了观测.根据现场观测资料,对水流的紊动周期、频率、概率密度函数等进行了定量的数学描述,并对时均流速、紊动强度、雷诺应力等沿垂线的分布规律进行了分析计算.结果表明,脉动流速的概率分布在充分发展的自由紊流区近似为正态分布,在近壁强剪切紊流区为偏态分布;各垂线紊动强度在相对水深大于0.4的范围内比较均匀,在接近河底处升高,达到最大值后迅速减小,至河底为零.
【总页数】6页(P1029-1034)
【作者】卢金友;徐海涛;姚仕明
【作者单位】长江科学院,河流研究所,湖北,武汉,430010;长江科学院,河流研究所,湖北,武汉,430010;长江科学院,河流研究所,湖北,武汉,430010
【正文语种】中文
【中图分类】TV143
【相关文献】
1.复式交汇河道水流紊动特性分析 [J], 吴迪;孙可明;郭维东
2.含植物河道水流紊动特性研究 [J], 宋为威;周济人;奚斌
3.植被群河道水流紊动特性研究 [J], 米云彤;王丹;蔡暾;杨克君
4.宽窄相间河道水流紊动特性试验研究 [J], 王文娥;廖伟;漆力健
5.天然感潮河道水流紊动特性分析 [J], 卢金友;徐海涛;姚仕明
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第1章河道水流的特性
§1-2 河道水流的运动结构
一、河道水流的基本特性 河道水流是在河谷地质、地貌与水文条件的作用下而构 成它的特性的，人为因素也可能给予程度不同的影响。这 种基本特性可以概括为以下几点。 （1）河道水流的二相特性
Hack发现河流某一控制点以上的干流长度与该点 以上流域面积之存在如下关系：
L =1.27F0.6
流域几何特征 表示流域整体外形特征的还有：
形态要素：
流域圆度： 流域狭长度： 流域对称指标：
R f Au / L
2 f
Ac—与流域具有同 一周长的圆面积
Rc Au / Ac
Re Dc / L f
紊源除了普通意义的粗糙边璧外还包括河势河相成型淤积体河底或河岸的7513一河床床面水流阻力的分解冲积河流阻沿程阻力河底的床面阻力沙粒阻力沙波阻力河岸边壁阻力局部阻力源于河流平面形态特征阻力如主流线的摆动河弯河谷的突然扩宽等源于个别特大粗糙的阻力如孤石小7613河道水流中的阻力损失二明渠二维水流的阻力损失表达方式对于恒定均匀的明渠流动可以用水流的能坡断面平均流速水力半径和反映边壁粗糙状况的阻力系数这四个物理量建立水流的断面平均流速公式也可以称为阻力方程
（3）紊流理论发展
1883年，O.雷诺发表了他观测层流及紊流流态的文章，并于1894年推导
出索流时均流动的基本方程——雷诺方程式。
20世纪20年代以来，发展了各种半经验理论和各种紊流模型，从而对紊 流问题可进行定量的分析。
从30年代起，紊流统计理论，特别是G.I.泰勒的均匀各向同性紊流理论
得到了发展； 40年代苏联的A.H.科尔莫戈罗夫提出了局部各向同性紊流理论。
河道水流的基本特性
河道水流的基本特性河道水流居高向下、向低处流，走比降大、畅通无阻的路，也就是走直路、近路，总是沿着阻力最小的方向流动，这是河道水流的最基本机理。
一、“水行性曲”剖析“水行性曲”常常被当作对游荡性河流进行弯曲治理的依据之一。
严格的讲，“性曲”只是“水行”的规律，是水体受软硬不均、不均衡的边界条件约束而造成的，并不是水体自身的特性。
水体自身的特性应是在不受边界条件约束或在均衡的边界条件下的状态，无风时的大气边界可视为是均衡的，水体在这样的边界下的运行叫做“飞流直下”，就是瀑布，这也就是说，水体自身的特性是“直”，而不是“曲”。
不能简单的讲“水行性曲”，要透过“行曲”的表象看到“本性走直”的本质，把水体自身的特性与“水行性曲”区别开来。
二、水流走直最基本机理的生动体现由于河道水流的最基本机理是走直，向低处流，要走近路，因此，当环流紊动造成的弯曲导致水流不畅时，就会自然裁弯取直。
河流的自然裁弯取直是河道水流走直最基本机理的生动体现。
“大水走直”是河道水流走直最基本机理的又一生动体现。
“大水走直，小水走弯”是河势演变的一般规律，由于黄河游荡性河道河槽极为宽浅，河槽对水流的约束作用弱，因此在洪水期（大水时）形成的河槽总是顺直的，洪水沿着最大比降方向流动，这就是洪水期河势趋直的原因所在；至于河流的弯曲，则是由于小水期受河床上犬牙交错边滩条件的制约而被迫沿着弯曲的流路流动。
大水动量大，克服了边滩的约束，走直；小水动量小，克服不了边滩的约束，走弯。
如果真的是“水行性曲”，或者是“水性行曲”，那么为什么不“大水走弯”、“瀑布走曲”呢？三、河道水流影响因子重力属性和克氏力属性是河道水流本身所固有的属性；环流弯曲是边界条件的不均衡所致，不是河道水流本身所固有的属性；而河道水流本身所固有的属性中，重力相较于克氏力而言，占据绝对的主导地位，所以说河道水流的最基本机理是走直。
四、黄河下游均是顺直微弯规顺河道黄河下游河道无论是游荡性河段、过渡河段还是所谓的弯曲性河段，包括河口段在内，实际情况均是顺直为主、附以微弯的顺直微弯规顺河道（见表1），这主要是河水走直最基本机理起主导作用和排沙要求河水畅通的结果。
天然河道水流紊动特性分析
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观测概况
黄陵庙水文观测断面及观测垂线布置见图1。利用多普勒三向流速仪观测中泓与岸边垂线不同流量的 流速。各次观测时的河段水流因子见表1。每组观测数据包括测点水深h、纵向流速ux、横向流速uy、垂向 流速uz等。采样时间间隔Δt最短为0.5s以上。根据流速仪的性能，超声波的发射频率流速为300Hz，即每 1/300s进行一次流速观测，所以采集到的数据不是瞬时值，而是所设定的Δt范围内多次采样的平均值。
特征尺度 1# 2# 1# 2# 3# 4# η = ( v 3 / ε )1 /4 4.95E-05 4.95E-05 3.94E-05 3.94E-05 0.000101 0.000101
图6 1＃垂线不同水深垂向脉动流速的概率分布
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图5 1＃垂线不同水深横向脉动流速的概率分布
图7 1＃垂线沿水深纵向脉动流速经验概率分布与理论概方根为水流紊动强度，即 σ ui =
u i′ 2 。紊动强度与相应时均流速的
1# 23.2 350 2.47 1.07 30000 60.63 17922 504 0.102 0.185 6.3 0.355
3.2 脉动流速的概率分布 将垂线上各点测取的ux、uy、uz分别进行概率统计，求出各流速区间内流速 出现的频率，点绘经验频率曲线，见图4～图7。图中Y=y/h为相对水深；y为垂线上的测点水深，从河底算 起；h为垂线水深。从图7可以看出，天然河流中自由紊流区瞬时流速的概率密度函数可近似用正态分布来 描述，即：
比值为紊流的相对紊动强度，即 ∆ =
u i′ 2 / u i 。
河道水流和泥沙的一般特性
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泥沙的粒径（续）
对较粗的天然沙粒测量成果的统计分析表 明，沙粒的中轴长度，和其长、中、短三 轴的几何乎均值(即等容粒径)接近相等且 略大
对于粒径在0.062~32.0mm之间的沙粒，一 般采用筛析法
用筛析法量得的粒径应相当于各粒径组界 限沙粒的中轴长度。可以近似地看成等容 粒径，或者直接称为筛径
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三、泥沙的空隙率
孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率
• 泥沙孔隙率因沙粒的大小及均 匀度、沙粒的形状、沉积的情 况以及沉积后受力大小及历时 长短而有不同。
• 对各类泥沙孔隙率一般为 粗 沙 ： 的 孔 隙 率 39 ％ ～ 40 ％ ， 中沙：41％-48％，
不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成 不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性
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河流泥沙的几何特性
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泥沙的粒径
泥沙的几何特性系指泥沙颗粒的形状和大小， 或者说泥沙颗粒的形状与粒径
泥沙的粒径
泥沙的粒径是泥沙颗粒大小的量度
所谓等容粒径，就是体积与泥沙颗粒相等的球体的 直径。设某一颗沙的体积为v，则其等容粒径为， 单位mm
河道水流和泥沙的一般特性
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河道水流的一般特性
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河道水流的基本特性
天然河道中的水流属于明渠流，在很多情 况下可以沿用水力学中明渠流的有关结果
二相流特性 三维性 不恒定性 非均匀性
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环境水利学第3章 随流扩散与紊动扩散 (5)
❖ 各向同性紊流只是一种理想化的最简单的紊流
u1 2u22u32
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第三节 紊流统计(tǒngjì)量和紊流尺度
❖ 凡不满足均匀性要求的紊流（当然也不满足各向同性）,称为剪切紊 流。
❖ 当紊流中存在切应力时，就有流速梯度，导致各处的紊流统计量不 相同，从而破坏了紊流的均匀性和各向同性。这种紊流是最常见的， 它比各向同性紊流复杂得多。
R i(a,) ui(a)ui(a) ui2(a) ui2(a)
对均匀( jūnyún)
紊流有:
(3-3-1)
u u u i2 (a ) i2 (a) i2
均匀紊流的欧拉空间相关系数为:
Ri()ui(a)u uii2(a)
(3-3-2)
当ξ等于零时，Ri(ξ)应等于1；ξ愈大，Ri(ξ)愈小; 当ξ超过一定的值，Ri(ξ)渐趋于零(两点分别位于不同的涡体）。
❖ 各态历经(lì jīnɡ)：一个随机过程在重复多次试验出现的所有样 本，亦将在一次试验的相当长时间或相当大的范围内出现，并 且出现的概率相同。
精品资料
第三节 紊流统计量和紊流尺度
一、紊流的分类(fēn lèi)
❖ 紊流按其流动特点可分为可分两大类：均匀各向同性(ɡè xiànɡ tónɡ xìnɡ)紊流和剪切紊流。
第三节 紊流统计量和紊流尺度
3、欧拉紊流尺度(chǐdù) （比尺）
➢从紊流统计(tǒngjì)理论看，其空间点的脉动量可以视为各种不 同尺度(或不同脉动频率)的涡体经过该点所造成的涨落，较大尺 度涡体包含着较小尺度涡体。
➢大尺度涡体频率低，小尺度涡体频率高。 ➢由相关系数的概念，引入涡体的平均尺度(积分尺度)。
的乘积的统计平均值。
R i(t,)
浅析污染河流紊动扩散系数
浅析天然河流紊动扩散系数摘要：天然河流中污染物质的扩散是实际工作中常常遇到的问题。
本文对天然河流中的扩散作用进行了介绍，并着重对紊动扩散系数进行分析，通过分析与计算紊动扩散系数及水流动量传递系数的大小可以看出：紊动扩散系数是一个重要而不易确定的参数，它常常带有经验系数的性质，要依靠室内试验或现场观测加以确定，因此还需我们进一步研究。
关键词：天然河流紊动扩散系数1前言目前大量的污染物质排入江河湖海等天然水体，造成河流污染事件屡有发生，对人们的生产生活产生了极大的危害。
因此研究污染物在水体中的扩散现象及机理，并采取响应措施来减小危害是非常有意义的事。
污水流入河水中后，与河水混合，其过程一般分为三个阶段。
初始稀释段：射流的方式和周围水体掺混及扩散，直到垂向混合均匀，一般是三维问题；横向混合阶段：当深度上达到浓度分布均匀后，横向上的混合过程在持续，经过一定距离后污染物在整个横断面上达到浓度分布均匀，可视为二维扩散问题；断面充分混合后阶段：在横向混合阶段后，污染物浓度在横断面上近似均匀，沿纵向的随流分散占主导地位，可视为一维纵向离散问题。
根据近代紊流结构理论，可以认为天然河流中除了小尺度紊动扩散作用外，还有大尺度紊动扩散作用。
大尺度紊动涡体很大，紊动距离长，频率很低；而小尺度紊动涡体则相反，涡体小，紊动距离小，频率高。
因此，可以把天然河流中的紊动扩散分为基本的两大类：第一类是由小涡体引起的，类似分子扩散的小尺度或基本尺度紊动扩散；另一类是大涡体引起的，是与分子扩散有所不同的大尺度紊动扩散。
对紊动扩散进行分析研究有助于我们了解其中的原理，对生产实际有较大帮助。
2 天然河流中的扩散作用2.1 扩散扩散是指因流体分子的布朗运动或流体微团的紊动使浓度平均化的物质分散现象。
因分子运动引起的扩散称为分子扩散，因流体微团的紊动引起的扩散称为紊动扩散。
静止流体及层流中无紊动扩散，只有分子扩散。
紊动中两种扩散都有，但常因紊动扩散比分子扩散大105~106倍，故忽略分子扩散，只考虑紊动扩散。
第3章 河道水流运动基本规律
[7]
(3-4)
式中：A、B 分别为待定常数，众多试验资料表明 ，A=5.75、B=8.5； K s 为边壁粗糙度。 （2）指数流速分布公式
vx v max
z h
m
(3-5)
式中：m 为指数，常以 1/n 形式表示，在清水水流中 n 约等于 5～8，一般取 n=6。流速分布 愈均匀，n 值愈大；在浑水水流中，含沙量愈高(但非高含沙水流)，n 值愈小。 指数流速分布公式(3-5)和对数流速分布公式(3-2)都是描述明渠垂线流速分布的公式， 两者/(C0 ) 相互转换 ，
河道水流运动基本特性可以概括如下。
（一）河道水流的非恒定性
河道水流的非恒定性主要表现在以下两个方面： 一是来水来沙情况随时间变化。 大多数河道来水来沙情况主要受降水影响， 而降水在一 年各季之间以及年际之间的变化幅度是相当大的。 因此， 各河流的来水来沙变化幅度也相当 大。 二是河床经常处于冲淤变化中，河床边界也随时间变化。一方面水流造就河床，适应河 床，改造河床；另一方面河床约束水流，适应水流，受水流的改造。河床与水流之间存在着 相互依存、相互制约、相互影响的关系。因此，河道来水来沙情况的不恒定性，必不可免地 要引起河床时而剧烈、时而缓慢的变化，呈现出与水沙情况相应而滞后的不恒定性。 （二）河道水流的非均匀性 均匀流首先必须是恒定流， 而河道水流一般为非恒定流， 这就否定了在一般情况下它呈 均匀流的内在可能性。其次，均匀流的边界必须是与流向平行的棱柱体，这样才能保证流线 平直，物理量沿流程的偏导数为零。而这一点在天然河流中是很难做到的。再次，沿河床推 移的泥沙， 在绝大多数情况下往往在河床表面形成波状起伏并向下游移动的沙波。 由于在沙 波的不同部位，床面起伏高低不同，所以近底的流态与流速也不同。这就是说，即使上游来 水来沙情况是恒定的，河床边界沿流向是平直的，河道水流的某些物理量仍然沿流程变化。 如果这种非均匀性仅仅是由沙波所造成的床面起伏所引起， 而沙波又可简化为二维问题。 在 这种情况下，取长度等于一个或若干个沙波的河段，就平均情况来看，水流才可以近似地视 [1，2] 为均匀流。但实际上，大多数沙波在床面上具有明显的三维性 。 严格地说，河道水流为非均匀流。但对于一个比较顺直的短河段，来水来沙情况基本稳 定，河床基本处于不冲不淤的相对平衡情况，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡降、床 面坡降及能坡基本平直而相互平行，就可以简化为均匀流处理。 （三）河道水流的三维性 在水力学中，明渠流常简化为一维流或二维流问题来研究。严格说来，在天然河流中， 不存在水力学中所讨论的一维流或二维流问题。 在天然河道中大量经常出现的是具有不规则 的过水断面的三维流。过水断面不规则的程度，一般以山区河流为最大，以冲积平原中的顺 直河段为最小。河道水流的三维性与过水断面的宽深比密切相关，宽深比愈小，三维性愈强 烈。在顺直宽浅的平原河道上，水流的宽深比较大，可能呈现出一定程度的二维性；而在宽 深比很小的山区河段中，水流的三维性就较强。 因此， 在进行河道水流的分析计算中， 应区别不同河道水流在三维性问题上的一些特点， 避免不顾实际情况将所有河流简化为二维流或一维流问题来研究。 （四）河道水流的二相性 物质可分为四相，即固、液、气和等离子。所谓二相流或多相流是指同时考虑物质二相 或多相的力学关系的流动。水是比重接近于 1 的可以视为连续介质的液体。在水力学中，讨
紊流运动概述
紊流运动一、紊流的基本特征——脉动现象自20世纪60年代以来，应用现代显示技术发现，紊流中不断产生大小不等的涡团。
无规则运动的涡团，除了随着水流的总趋势向某一方向运动外，其自身还在不停地旋转、振荡，也就是发生混掺，因而它们的位置、形态和流速都随着旋转、振荡而不断地变化。
当一系列大小不等的旋涡连续地经过紊流中某一空间位置时，必然也会反映出这些空间位置上瞬时运动要素（如流速、压强等）随时间而发生波动的现象。
这种波动现象，称为脉动现象，是紊流运动的基本特征。
图4-13图4-13是用专门仪器实测的恒定流[图4-13（a ）]与非恒定流[图4-13（b ）]时某空间点在水流方向上的瞬时流速随时间而变化的曲线。
对上述实测成果进行研究后可以发现，瞬时流速虽然表面上看是不断变化的，但是它始终是围绕着某个平均值（如图中的AB 、CD 线）上下波动。
当所取的观测时段足够长时，瞬时速度在该时段的平均值线（AB 线）在所取时段是不变的，而CD 线是变化的。
设u 为某空间固定点处水流在流动方向上的瞬时流速，研究观测时段为T ，则在该时段T 内空间某固定点的时间平均流速为⎰=T udt Tu 01 （4-21） 图4-13（a ）中的AB 线表示恒定流时的时间平均流速。
从图中可看出，恒定流时，时间平均流速线AB 是一条与时间轴t 平行的直线，它表示时均流速不随时间而变化。
图4-13（b ）中的CD 线表示非恒定流时的时均值曲线，它是一条与时间轴t 不平行的曲线，这表明，时间平均流速是随时间而变化的，从图中还可以看出。
积分表示瞬时流速曲线在T 时段内所包围的面积，应等于时间平均流速线AB 或CD 在T 时段内所包围的面积。
因此，时段T 就应有足够长，否则时间平均流速线AB 或CD 就不具有惟一性。
因此，水文测验中要求流速仪在测点停留的时间不得小于s 100。
瞬时流速u 与时间平均流速u 的差值，称为脉动流速，用u '表示，即u u u -='瞬时流速可以看成是由时间平均流速和脉动流速两部分组成，亦即u u u '+= （4-22）脉动流速u '是随时间而变化的，它时大时小，时正时负，但在T 时段内的平均值为零，即010='='⎰dt u T u T （4-23） 紊流中其他运动要至少在流速的脉动影响下，也将引起脉动，如动水压强p ，其脉动压强和时均压强可以表示为 01100='='=-='⎰⎰dt p T p pdt Tp pp p T T 值得注意的是，水流各处的脉动强度是不一样的，如河渠水面处与河底处的脉动状况就不相同，如图4-14所示。
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图11 4#垂线相对紊动强度沿垂线分布
图12 1＃垂线紊动强度沿垂线分布
图13 1＃垂线相对紊动强度沿垂线分布
3.5 雷诺应力沿垂线分布 诺 应 力 τ ij的 表 达 式 为
雷 诺 应 力 是 因 紊 动 水 团 的 交 换 在 流 层 之 间 产 生 的 剪 切 应 力 。雷
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均匀，其值较横向、垂向相对紊动强度小得多。近壁区横向、垂向相对紊动强度较主流区的大。
图8 1#垂线实测时均流速与指数、对数公式计算值的对比
图10 4#垂线紊动强度沿垂线分布
图9 4#垂线实测时均流速与指数、对数公式计算值的对比
表1
观测垂线编号 水温/(℃) 起点距/m 测测时间间隔/s 观测历时/h 流量/(m /s) 水深/m 过水断面面积/(m2) 水面宽/m 水面比降(‰) 摩阻流速/(m/s) 雷诺数(×10 ) 床沙质d90/mm
7 3
黄陵庙水文断面水流紊动观测水力因子概况
2# 23.2 510 2.27 0.68 30000 17.1 17922 504 0.102 0.185 6.3 0.401 1# 23.8 350 2.0 1.0 42200 63.2 18530 511 0.181 0.249 9.0 0.313 2# 23.8 510 2.0 0.6 42200 17.8 18530 511 0.181 0.249 9.0 0.876 3# 22.4 310 0.57 1.0 11200 60.87 17092 495 0.019 0.078 2.4 0.331 4# 22.4 470 0.57 1.0 11200 25.9 17092 495 0.019 0.078 2.4 0.251
比值为紊流的相对紊动强度，即 ∆ =
u i′ 2 / u i 。
图10、图12分别为4#、1#垂线紊动强度沿垂线的分布，图11、图13分别为4#、1#垂线相对紊动强度沿 垂线的分布。可以看出，纵向紊动强度最大，沿垂线最大值出现在近底区，向上、向下强度均减小，近底 区紊动强度随水深变化梯度最大，相对水深0.4至1.0部分，紊流强度近似为线性变化；横向紊动强度沿垂 线分布的形态与纵向紊动强度类似，只是数值略小；垂向紊动强度最小，约为前两者的1/3～1/4，沿垂线 分布比较均匀。 从图11、图13中可以看出相对紊动强度沿垂线分布因观测垂线位置不同而表现出不同的形态。近中泓 的1#垂线在0.1以上相对水深范围内相对紊动强度近似为线性分布，纵向、垂向相对紊动强度沿垂线分布 非常均匀，并且三个方向的相对紊动强度均小于1。近底区相对紊动强度先大幅度增加，达到最大值后复 减小，到河底为0。而近岸的4#垂线在0.1以上相对水深范围内横向、垂向相对紊动强度自水面向下逐渐变 小，在相对水深为0.2～0.4的位置达到最小值，然后急剧增大，在近底处达到最大值；在0.1以上相对水 深范围内横向、垂向相对紊动强度均大于1；但纵向相对紊动强度在主流区相对水深0.2～1.0范围分布很
收稿日期：2004-09-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50179001) 作者简介：卢金友(1963-)，男，浙江仙居人，教授级高级工程师，主要从事河流泥沙研究。Email:ljyyjl@ 1
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图1 黄陵庙水文观测断面及观测垂线布置
图14 1＃垂线雷诺切应力沿水深分布
图15 4＃垂线雷诺切应力沿水深分布
从图14可以看出，中泓1＃垂线τxy/ρ值沿水深变化不均匀，在相对水深0.6以上基本为恒定值，在 0.3～0.6和0.1～0.3两个相对水深范围内互为反向，沿水深分布近似为正弦曲线，变化幅度有一定差别。 而τxz/ρ和τyz/ρ在相对水深0.1以上沿水深近似为线性变化。三个方向的雷诺切应力在相对水深0.1以下 范围的近底区均变化剧烈。呈正反方向振荡。 从图15可以看出，近岸4＃垂线三个方向雷诺切应力沿水深变化与1＃垂线相比更有规律性。在0.2相 对水深以上三个方向的雷诺切应力沿水深基本不变，近似为恒定值，从绝对值上衡量，τyz/ρ与τxy/ρ相 近，但互为反向，τxz/ρ的绝对值最小，接近于零值。在0.2相对水深以下，三个方向的雷诺切应力均变 化剧烈。 以上分析说明，在近底流层的一定范围内，雷诺应力随离边壁距离的增加而增大，即黏滞应力相对减 小。在上部流区，以紊动应力为主。 3.6 紊动结构的尺度分析 天然河流一般雷诺数都很大，摩阻流速也比较大。经统计分析国内外一般
y u y = u cp ⋅ (1 + m) ⋅ h
m
(2)
式中： uy为垂线上相应于水深为y的点的时均流速； ucp为垂线平均流速； h为垂线水深； m为系数， 一般取m=1/7。 对数流速分布公式为
uy
30.2 yx = 5.75 ⋅ log K u* s
1
问题的提出
天然河流中的水流绝大多数为紊流，许多工程中的流体力学问题都应当用紊流理论进行求解。但目前 紊流理论尚未发展到全面解决实际工程中流体力学问题的水平，例如，在流场、温度场、污染物扩散、泥 沙悬浮运动等模拟计算中，涡黏系数、扩散系数及离散系数的确定带有经验性，还不能从理论上求解，而 这些系数的选取直接关系到模拟成果的可靠性。 ， 但大多数研究是依据室内水槽试验成果进行的， 以往诸多学者对水流的紊动特性进行过大量研究 [6] 以天然河流为研究对象的还很少见。邓联木 等对天然河流大尺度紊动进行过观测和分析，但观测河段和 测次均较少。本文根据黄陵庙水文观测断面的实测资料对大尺度紊动特性进行分析、研究，该观测河段较 规则，基本满足准定常、准平衡、小偏离的水流状态，能够代表天然河流一般性顺直或微弯河段情况。
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2005 年 9 月 文章编号：0559-9350(2005)09-1029-06
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天然河道水流紊动特性分析
卢金友，徐海涛，姚仕明
(长江科学院 河流研究所，湖北 武汉 430010) 摘要：本文采用超声多普勒三向流速仪对不同流量级的条件下长江干流黄陵庙水文观测断面不同垂线的脉动流速 进行了观测。根据现场观测资料，对水流的紊动周期、频率、概率密度函数等进行了定量的数学描述，并对时均 流速、紊动强度、雷诺应力等沿垂线的分布规律进行了分析计算。结果表明，脉动流速的概率分布在充分发展的 自由紊流区近似为正态分布，在近壁强剪切紊流区为偏态分布；各垂线紊动强度在相对水深大于0 4的范围内比 较均匀，在接近河底处升高，达到最大值后迅速减小，至河底为零。 关键词：紊动特性；天然河道；多普勒流速仪；概率分布；剪切应力 中图分类号：TV143 文献标识码：A
但天然河流中近壁强剪切紊流区的瞬时流速的概率密度函数为偏态分布，从图7中相对水深为0.03测 点的经验频率曲线与理论频率曲线的对比可以看出，二者相差较大。图5、图6中经验频率曲线还反映出随 水深的增加，横向和垂向各测点的时均流速逐渐向0值逼近，各测点瞬时观测流速的均方差逐渐变大，但 在相对水深为0.03的测点的均方差又朝反向变小。 3.3 时均流速沿垂线分布 时均流速沿垂线分布如图8、图9，可以看出，垂向流速值很小，沿垂 线分布很均匀，可以用指数流速分布公式描述；主流区横向流速值较大，沿垂线分布不均匀，近岸区垂线 的横向流速值较小，沿垂线分布比较均匀。垂线上最大横向流速值不在水面，而是出现在水面以下，沿垂 线分布与指数流速分布公式有一定差别；纵向流速值最大，沿垂线分布不均匀，与指数流速分布公式计算 值相对接近，与对数流速分布公式计算值相差较大。 指数流速分布公式为
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式中：u*为摩阻流速；Ks为糙率尺度值，一般取为床沙级配曲线中的d90；χ为校正值，是Ks/δ的函数，δ 为层流层的厚度。
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图3 流量30000m3/s时1＃垂线0.92相对水深测点流速随时间过程线
图4 1＃垂线不同水深纵向脉动流速的概率分布
1# 23.2 350 2.47 1.07 30000 60.63 17922 504 0.102 0.185 6.3 0.355
3.2 脉动流速的概率分布 将垂线上各点测取的ux、uy、uz分别进行概率统计，求出各流速区间内流速 出现的频率，点绘经验频率曲线，见图4～图7。图中Y=y/h为相对水深；y为垂线上的测点水深，从河底算 起；h为垂线水深。从图7可以看出，天然河流中自由紊流区瞬时流速的概率密度函数可近似用正态分布来 描述，即：
τ ij = − ρ u i′u ′j
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在上式中，当i=j时，τij为雷诺法向正应力，当i≠j时，τij为雷诺切应力。根据垂线各点实测的三 向脉动流速，可直接计算出雷诺应力的各个分量。因雷诺应力τij为二阶对称张量，只需计算3个正应力和 3个切应力。从3.4节紊动强度的定义可知，雷诺正应力沿垂线的分布规律与紊动强度沿垂线的分布规律相 同，本节只讨论雷诺切应力沿垂线分布。图14、图15分别绘出了1＃、4＃垂线τij/ρ(i≠j)沿垂线分布。
图6 1＃垂线不同水深垂向脉动流速的概率分布
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图5 1＃垂线不同水深横向脉动流速的概率分布