河流动力学第二章
《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。
河流动力学第二章 水流的紊动(1)
(y 0 )
说明：在紊流核心区（y>0），紊流流速呈对数规律分布。
在水面处 y H , u umax 代入得
umax u 1 ln H
u*
y
最大流速umax 往往未知，且该式无法反应边界粗糙情
况
紊流存在不同的壁面类型
一、光壁的流速分布
y ,u u
u 1 ln yu* A
向着波谷方向的压力
这两个垂直于流层的压力将促使这 个流层的波幅更加增大
波幅增大到一定程度后，动水压力形成的力 偶和切力产生的力偶，将促使涡体形成。
在涡体上部，旋转方向和上部流速方向一致，流速加 大而压强变小，下部则流速减小而压强增大，这样就 产生了一个压差即升力，迫使涡体从一个流层进入另 一个流层而混掺。
u
y
5.75 lg(30.2 )
u*
ks
式中 χ 为修正系数，它是 ks / 的函数，见下图。
χ与 k s / 的关系
沿水深积分可得紊流的断面平均流速 光壁条件下的断面平均流速公式
U u*
3.25 5.75 lg Ru*
糙壁条件下的断面平均流速
U u*
6.25
5.75 lg
R Ks
引进校正值 以上两式合并为
（1）忽略粘滞切应力，近壁处切应力为一常量，且 其值等于边壁处的切应力 0，即= 0 ；
（2）混合长度l随着离边壁的距离y呈线性变化，即l=y。
0
l 2 ( dux
dy
)2
2y2 ( dux
dy
)2
u*
0 y dux
dy
dux 1 dy
u* y
摩阻流速如何确定?
ux 1 ln y C
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。
河流动力学章节总结
绪论1、河流动力学的概念：河流动力学是研究冲击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规律的一门科学。
河流变化是水流与河床相互作用的结果：水流是动力条件，河床是边界条件；通过泥沙交换来相互作用。
本课研究内容：水流结构，泥沙运动，河床演变及预测。
谢才公式曼宁公式对数流速垂线分布摩阻流速u*=（gHJ）0.5第一章泥沙特性1泥沙的基本特性：几何特性，重力特性，水力特性2等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径（详见p5）算术平均值，几何平均值3泥沙的孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比成为孔隙率4泥沙孔隙率的影响因素：泥沙孔隙率因沙粒大小及均匀度，沙粒的形状，沉积的情况及沉积后受力及历时长短5比表面面积：颗粒表面及与体积之比。
表达式：6/D详见p86沙粒的干容重与干密度：经过100～105度烘干后的沙样质量与为烘干前原样沙体积比（概念，影响因素及规律详见p10～11）影响因素：泥沙颗粒大小，组成均匀程度，淤积深度，淤积历时，泥沙的化学成分，淤积环境及水文条件等。
7干容重的影响因素：1）泥沙粒径2）泥沙淤积厚度3）淤积历时8泥沙沉速：单颗粒泥沙在无大静止清水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度9影响沉速的因素：绕流状态，泥沙形状，水质，含沙量等1. 等容粒径D：就是体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。
2. 泥沙粒径测量方法：测量法（D》20mm）;筛析法（0.1mm《D<20mm）；显微镜法（D<0.1mm）；沉降法。
3. 粒配曲线：通过颗粒分析（筛分、水析），求出沙洋中各粒径泥沙质量，算出小于各粒径泥沙质量，然后在半对数坐标上，将泥沙粒径D绘于横坐标（对数分格）上，小于该粒径泥沙在全部沙洋中所占百分比p绘于纵坐标轴上，绘出的D~p关系曲线，即为粒配曲线。
4.影响泥沙孔隙率的因素：1．粒径均匀泥沙孔隙率最大2.泥沙形状3.泥沙沉积方式5. 比表面积：颗粒表面积与其体积之比。
河流动力学
下风化、破碎形成的。在上述作用下从流域 内地表进入水系（或大气层），在水力（风 力）作用下经历搬运、沉积后在新的地点成 岩，往复循环。
§ 1-2 研究对象
泥沙运动是地球上物质圈（水圈、大气 圈、岩石圈、生物圈）演化过程的重要环节。
侵蚀特点
范围
水力侵蚀→流水侵蚀和重 力侵蚀（崩塌、滑坡）
重力侵蚀
片蚀、沟蚀、崩岗侵蚀
黄土丘陵区： 渭河南北、三门峡
长江流域及以南地区： 广东、福建、四川等
湖北、广西、浙江、 安徽等省区
坡面剥蚀—片蚀 主要与人类活动有关 顺坡耕作时侵蚀更严重 土地退化 生态环境的恶化
四川、湖南、贵州等 云南、金沙江支流 三峡库区、贵州 （半）干旱、半湿润 洞庭湖、黄河三角洲
§1-1 基本概述
三、系统
地表上各种各样的物质运动可以区分成
不同的自然系统来分别进行研究，称为“地 质系统”。如：火山熔岩流动形成的岩浆流、 天然河流都可以看作是一个自然系统。
在某个自然系统中存在能量和物质的运
动、转换，称为动态系统。
§1-1 基本概述
系统的边界既可以用天然边界（流域的 分水岭、河流的河床、水面），也可以根据 研究目的人为划分。划定边界后，边界之外 的所有内容（物质、能量）都是外部环境， 而非系统的组成部分。
简介
一、概述 二、泥沙颗粒基本特性 三、床面形态与水流阻力 四、推移质（泥沙的起动与推移） 五、悬移质（水流挟沙力） 六、河道演变（基本原理） 七、河型
第一章 河流动力学概述
最早的人类是沿河流和河谷发展的。 （如尼罗河、黄河、印度河流域文明）从大 禹治水疏导百川、治理江河至举世瞩目的三 峡工程，都利用了河流动力学的基本原理。 河流动力学的研究与发展是人类为谋求生存 而对河流进行治理和利用的，它们之间有着 必然联系。
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。
河流动力学
研究的主要内容
水流结构 泥沙运动 河床演变（历史） 河床变形预测（未来）
为何学习河流动力学？
港口工程
♥ 港址选择：非常重要，比结构优化影响大 ♥ 冲淤变化不能大：水深、河岸、分汊 ♥ 水流条件要好：便于船舶停靠
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绪论
为何学习河流动力学？
航道整治
♥ 长江口航道整治 ♥ 分析原因，掌握规律 ♥ 研究措施，预测结果
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§2.1. 泥沙运动的形式
推移质与悬移质间的转换过程
悬移区
床面层
河床
（悬移质） （接触质及跃移质） （床沙）
悬移区 床面层
层移区 河床
（悬移质）（接触质及跃移质）（层移区） （床沙）
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§2.1. 泥沙运动的形式
推移质与悬移质间的差别
运动规律不同
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§1.4. 泥沙的水力特性
三、泥沙的沉速
（水电部规范公式）
层流区（D0.1mm） （斯托克斯公式）
1 s 18
g D2
紊流区（D>1.5mm） 1.057 s gD
（岗恰洛夫公式）
过渡区（0.15
D
1.5）
6.77
s
D s 1.92
( T 1) 26
（岗恰洛夫公式）
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§1.4. 泥沙的水力特性
四、其他影响因素
泥沙形状
♥ 细颗粒不重要 ♥ 砾石、卵石、块石应考虑
水质
♥ 絮凝的影响 ♥ 出现絮凝后，沉速增加，一般0.4－0.5mm/s
含沙量
♥ 颗粒下沉向上水流，水流紊动 ♥ 有效重力减少 ♥ 絮凝：含沙量超过一定限度后
河流动力学作业参考答案
第一次作业参考答案——第二章2.2 100号筛孔的孔径是多少毫米？当泥沙粒径小于多少毫米时就必须用水析法作粒径分析答：1）根据N 号筛的定义：1英寸内有N 个孔就称为N 号筛。
1英寸=25.4mm.。
可知如果网线直径为D ，则N 号筛的孔径计算公式如下:(25.4－D ×N)/N=25.4/N-D但本题并没有给出100号筛的网线直径，无法用公式进行计算。
经查表可得，100号筛孔的孔径为0.149mm （表2-2）或是0.147mm （表2-4）。
2) 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，而必须采用水析法作粒径分析。
注：第一问因为筛的网线直径可能不一样，所以以上两个答案都正确2.5什么是级配曲线？给出中值粒径，算术平均粒径，几何平均粒径的定义或定义式？ 答：1）在仅以横轴采用对数刻度的坐标上，以粒径为横坐标，以小于粒径D 的重量百分比即小于该粒径D 的泥沙颗粒重量在总重量中所占比例为纵坐标，点绘数据连成的曲线，称为累计频率曲线，亦称级配曲线。
2）中值粒径即累积频率曲线上纵坐标取值为50%时所对应得粒径值。
换句话说，细于该粒径和粗于该粒径的泥沙颗粒各占50%的重量。
3）算术平均粒径即各组粒径组平均粒径的重量百分比的加权平均值，计算公式为∑=∆•=ni iim p DD 110014）几何平均粒径是粒径取对数后进行平均运算，最终求得的平均粒径值。
计算公式为)ln 1001ex p(1∑=∆•=ni i imgp DD注：关于级配曲线的定义错的比较多，并不是以粒径的对数或是负对数为横坐标，也不是按几何级数变化的粒径尺度为分级标准……只要跟上述表达的意思一致都为正确答案。
2.6某海滩的沙粒粒度范围是 1.43.6φ=-，试给出以毫米为单位的颗粒粒径范围解：因为D 2log -=Φ，其中D 为颗粒粒径，所以可得到2D φ-=3789.0224.111===-Φ-D ，0825.0226.322===-Φ-D所以颗粒的粒径范围为0.083mm-0.379mm 。
河流动力学2-泥沙特性
Chap1 泥沙特性本章知识要点：泥沙粒径表达形式泥沙的组成与粒配曲线比表面积的意义双电层与结合水泥沙干容重及其影响因素泥沙沉速与层流、紊流、过渡区絮凝现象● 泥沙来源：①流域地表冲蚀而来；②从原河床上冲起的。
● 土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域，相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度，加上人类活动，如盲目开垦等，含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流，年均含沙量高达300公斤/m 2以上，而南部一些省份，年均含沙量不足1公斤/m 2。
§1－1 泥沙的几何特性一、泥沙的粒径● 泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关，较粗的沿河底推移前进，碰撞机会多，动量较大易磨损；反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。
为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同，必须有某些指标对它们进行对比。
泥沙的形状的表达方式● 球度系数：（因为泥沙接近于球体，所以以球体作参照物）与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比（与球接近的程度）。
研究表明，球度系数相等的两颗泥沙，在水中的流体动力特性大致相同。
由于球度系数难以测定（V 可用排水、称重法确定，但表面积难以测定），常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c ，按下式近似表示：Φ=1942年克来拜因提出）● 形状系数：ab c S P = 1、 等容粒径：泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示，泥沙颗粒形状不规则，难以确定泥沙的粒径，实际中采用等容粒径来表示。
即：与泥沙颗粒体积相等的球体直径。
（泥沙体积可用称重、排水等方法测出：W V g ρ=）——对比水力学中表面粗糙度的∆确定 136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中：V 为泥沙颗粒的体积。
2、算术平均粒径：用长、中、短轴（a 、b 、c ）的算数平均值来表征泥沙粒径1()3d a b c =++3、几何平均粒径：d =当泥沙形状为椭球体时，等容粒径与几何平均粒径相同（V=лabc/6=лd 3/6）4、中轴长度：接近而偏大于几何平均粒径（较粗天然沙测量的结果）5、筛径：仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重，再除以泥沙的重率，得到体积而后求其等容粒径，或直接量测其三轴长度，再求其平均值。
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——精选推荐
河流动力学第一章概念类：1、等容粒径：就是体积与泥沙粒径相等的球体的直径。
2、泥沙颗粒分级标准（1/200~1/20~2~20~200mm）粘粒，粉砂，沙粒，砾石，卵石，漂石3、孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比。
（泥沙孔隙率因沙粒的大小及均匀度、沙粒的形状、沉积后受力大小及历时长短而有不同）粗砂孔隙率39%~40%,中砂41%~48%,细沙44%~49%。
（细颗粒的表面面积相对较大，使得颗粒间的摩擦、吸附及搭成构架的作用增大的缘故）4、比表面积σ：颗粒表面积与其体积之比。
（细颗粒的σ大）颗粒比表面积间接地反映了颗粒受到的物理化学作用于重力作用的相对大小。
5、絮凝：细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程。
6、容重γ（密度ρ）：泥沙颗粒实有重量（或质量）与实有体积之比7、干容重（干密度）：取未经扰动的原状沙样，量出它的体积，然后再烘箱内经100~105℃的温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积之比。
（粒径较粗的泥沙干容重大，变化范围小：泥沙孔隙率影响；泥沙的淤积愈深，其干容重愈大，变化范围愈小；干容重岁淤积历时的增加而趋向于一个稳定值）8、沉速：单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度，简称沉速。
（泥沙颗粒在静水中下沉是其周围水体的绕流状态与沙粒雷诺数νω/Re DD=有关，当Re较小时，泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉；Re较大时，沿螺旋形轨迹下沉，其周围水体布满漩涡；过渡：首部层流，尾部紊流。
）9、沉速的影响因素：①泥沙的形状对沉速的影响（泥沙形状愈扁平，其沉速愈小）②水质对沉速的影响（对D<0.03mm的细颗粒泥沙而言，可能产生絮凝现象。
）③含沙量对沉速的影响（含沙量对沉速的影响因颗粒的粗细不同而各异）④泥沙粒径⑤沙粒雷诺数。
10、影响絮凝的因素：（1）泥沙粒径。
泥沙愈细，其比表面积愈大，颗粒聚集成恤图案的作用愈强。
（2）水中电解质的离子浓度与价数。
河流动力学C2
★§2-3 泥沙颗粒的沉速
静水中的沉速是泥沙颗粒的重要基本特 性，也是泥沙运动理论中重要的参数。 一、基本概念 1、定义：泥沙在静水中匀速下沉时的速度。 记为ω，单位cm/s。 在静止清水中，开始下沉时（γs＞γ ）呈 加速运动（时间很短），不久保持匀速下沉 （持久）。衡量泥沙的粗细用水力特征指标 来表示，故称“水力粗度”。
§2-1 单个颗粒的特性
2、常用的粒径定义和计算 ⑴ 等容粒径 定义：与泥沙颗粒体积相同的球体直径 公式：
Dn (
6V
) (
1 3
6W
s
)
1 3
⑵筛分粒径 D1<D<D2 ⑶沉降粒径 D<0.1mm的细沙 水析法测颗粒在静 水中沉速
§2-1 单个颗粒的特性
★ 粒径是泥沙的一个重要性质，它不仅直 接代表泥沙颗粒的粗细程度，而且与泥沙的 许多其他特性紧密关联。 粘性沙（较细）与非粘性沙（较粗）在 同一水流交互作用过程中表现不同情况：较 细的泥沙有较大的孔隙率和较小的干容重， 较粗的相反；细颗粒沙多半棱角峥嵘，而粗 砂失去棱角。故面对具体的河流时，必须弄 清组成河床（渠底）的泥沙粒径及水流挟带 的泥沙粒径是怎样的。
§2-4 含沙水体（浑水）的性质
3、两者关系
m SW (1 SV )
SV s (1 SV )
( s ) SV
§2-4 含沙水体（浑水）的性质
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。
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。
(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。
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——第二章
1.颗粒的大小(size) — 粒径
粒径的直接测量——三轴量测
粒径的测量方法一览
沉降粒径 沉降粒径 筛分粒径 等容粒径 薄片直径 投影直径 三轴直径
沉降粒径
沉降粒径
等容粒径(nominal diameter,公称直径)： 与泥沙颗粒体积相同的球体直径。如果泥沙颗粒 的重量W和容重γs (或体积V)可以测定，则其等容粒 径可按下式计算：
Dn ( 6V
1
) (abc)
1 3
1 3
而外接球直径就是长轴直径a ，所以Wadell定义的球度ψ为：
bc 1 6V ( 2 )3 ( )3 a a
Dn ( 6V
) (
1 3
6W
s
)
1 3
[例2-2]:某山区河道一椭球状大漂石的三轴直径分别为0.9m、 3=2800kg/m3，求其 1.2m、 1.5m，分析样品知其密度为 2.8g/cm 测量方法：称重或求体积法 等容粒径和总重量。 解：椭球状漂石体积为=π0.91.21.56=0.848m3,
硅铝残积阶段:
化学风化深入进行，使硅酸盐矿物晶体破坏，铝硅酸盐分 解形成各种粘土矿物。
铁铝残积阶段:
化学风化作用的最后阶段，硅酸盐全部分解，风化产物中 铁铝相对富集，形成富含高价铁的粘土即红土(红土形成阶段)。
土壤
土壤——是以各种 风化产物或松散堆积 物为母质层，经过生 物化学作用为主的成 土作用改造而成的。
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。
物理风化作用：冰劈
开裂后的岩块进一步风化形成圆石
坚硬的岩石经长期风化, 变成浑圆的形状
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河流动力学概论第二章泥沙颗粒的基本特性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 泥沙颗粒的沉速圆球在静止流体中的重力沉降、天然沙的沉速公式、群体沉速2.5 含沙水体（浑水）的性质浑水的容重及含沙量、含沙水体(悬液浑水)的流型、泥沙运动形式的分类§2.1 风化过程泥沙——指所有在流体中运动或受水流、风力、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑(钱宁、万兆惠，1983)。
泥沙颗粒的来源粗颗粒泥沙：岩石和矿物风化而成的碎屑细颗粒泥沙：地表土的流失泥沙颗粒的根本来源岩石的风化破碎, 是岩石圈演变的一个链节。
大理石喀斯特地貌（玄武岩）花岗岩（石灰岩）风化作用：指岩石和矿物在地表（或接近地表）环境中，受物理、化学和生物作用，发生体积破坏和化学成分变化的过程。
影响因素：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。
物理风化作用：冰劈开裂后的岩块进一步风化形成圆石坚硬的岩石经长期风化, 变成浑圆的形状化学风化作用：溶解岩石从缝隙部分开始溶解，易溶部分很快消失巴黎圣母院的石制滴水逐渐溶解风化风化深度与降雨和气温的关系降雨多植被密气温高新疆吐鲁番火焰山风化深度大风化深度小几种不同的风化阶段碎屑残积阶段:物理风化为主，使岩石在当地发生崩解，形成残留于原地的岩石碎屑(>0.02mm)，岩石化学成分基本不变。
钙质残积阶段:化学风化的早期阶段，卤族元素(I 、F、Cl、Br)和氯化物(KCl、NaCl)容易随水流失而碳酸盐和硫酸盐难于溶解，Ca 相对富集(极化水分子溶液)。
硅铝残积阶段:化学风化深入进行，使硅酸盐矿物晶体破坏，铝硅酸盐分解形成各种粘土矿物。
铁铝残积阶段:化学风化作用的最后阶段，硅酸盐全部分解，风化产物中铁铝相对富集，形成富含高价铁的粘土即红土(红土形成阶段)。
土壤土壤——是以各种风化产物或松散堆积物为母质层，经过生物化学作用为主的成土作用改造而成的。
土壤具有植物生长所需有机质组分(腐殖质)和无机组分(N、P、K的化合物)、微量元素和水分与孔隙。
这是土壤与风化残积物、松散堆积物的主要区别。
土壤位于残积物顶部，呈灰色－灰黑色，一般厚度0.5~2.5m。
土壤形成时间大约只需200~500年。
土壤类型◆土壤类型主要取决于气候(决定水热条件)和植被(有机质来源)。
而植被的发育程度又受气候控制，因此当气候条件发生变化时，土壤也会为适应新的气候条件而改变土壤类型。
故土壤呈现可逆性变化，这是它与风化壳的重要区别。
◆气候分布具有地带性，所以土壤的类型也呈地带性分布。
我国热带和亚热带地区分布的土壤大多可归为红壤系列或富铝化土壤，而黄土地区黄土性土壤的主要类型为黑垆土、褐土、黄绵土、黑壮土、栗钙土和黑钙土等。
不同湿热条件下化学风化形成不同土壤类型气候类型与土壤类型及中国的土壤分布表自然带气候类型土壤类型中国分布特征热带热带雨林气候砖红壤华南南部和南海诸岛热带季风气候砖红壤型红壤热带草原气候燥红壤（热带草原土）热带沙漠气候荒漠土内蒙古和西北内陆区亚热带地中海式气候褐土长江以北各省丘陵山地亚热带季风性湿润气候红壤、黄壤长江以南各省区温带温带季风气候棕壤、褐土华东东部、华北区、江淮地区、秦岭山地温带海洋气候温带大陆性气候黑钙土、黑土东北区北部温带大陆性气候荒漠土、盐碱土西北区寒带亚寒带气候灰化土大兴安岭以北寒带苔原气候冰沿土寒带冰原气候未发育土壤全球土壤类型分布图土壤结构土壤剖面呈现成层结构，自上而下分别为： A 层(腐殖层) 位于土壤顶部，颜色较深。
植物分解产生大量腐殖质，在有机酸作用下矿物被分解，以富含有机质(含量为6~12% ，最表层可达25%)为本层特征。
具有团粒孔隙和细小裂隙等土壤结构。
B 层(淋溶层) 位于A 层之下，颜色较浅。
被分解物、微粒矿物和有机质在淋滤和淋溶作用(细小颗粒被下渗水流悬移过程)下，从本层往下移动，故本层几乎没有腐殖质。
C 层(淀积层) 位于土壤下部，由母质组成，颜色和下部成土母质相近。
但淀积从上部淋滤下来的成分(CaCO 3、SiO 2等) ，故称淀积层，本层以下为成土母岩。
黄土物质的来源黄土主要成分为粉沙(以SiO 2为主) 粒径为0.05~0.005mm 的粉尘占50~ 80%，不是常规物理风化的产物。
研究表明：这些粉沙石英颗粒是由冰川研磨作用产生或沙漠作用(温差的强烈变化)使粗粒石英破碎成粉沙状而形成的。
因此黄土在分布上与沙漠和戈壁的分布有密切关系(如中国、中亚、北美Nebraska 、Kansas 地区的黄土) ，或与第四纪冰川尤其是大陆冰川分布区存在联系(如西欧东欧及北美部分地区的黄土)。
注意：“黄土” 一种“母岩”而不是真正的“土壤”。
中国黄土在分布上与沙漠和戈壁的分布有密切关系西欧黄土与大陆冰川分布区存在联系(比利时)土壤可蚀性土壤可蚀性(Erodibility)是定量计算土壤流失的重要指标，是土壤侵蚀预报模型中的必要参数。
国外学术界将土壤可蚀性进一步分为可分离性(Detachability)和可搬运性(Transportability)，认为沙土的抗分离性差，而抗搬运性强；粘土反之。
国内一般称为土壤抗侵蚀特性，常用抗冲抗蚀性一词，并将其进一步分为抗冲性和抗蚀性。
抗冲性主要指土壤抵抗风水等对土壤的机械破坏作用和推移的能力，而抗蚀性主要指土壤抵抗水对土粒的分散和悬浮作用的能力。
从实验角度看，目前尚无法将抗冲性和抗蚀性分开。
可蚀性是指土壤对侵蚀作用的敏感性，抗侵蚀性是指土壤对侵蚀作用的抵抗能力，二者都反映了土壤特性与土壤侵蚀的关系。
我国典型地区地表物质的侵蚀特性(1)红壤区主要在湿热的南方。
红壤抗蚀性和抗冲性的大小与土壤中胶结物质的类型有关。
以有机物质胶结的土壤具有较大的抗蚀性；而粘粒胶结的土壤则具有较大的抗冲性。
由抗冲指数和水稳性指数综合指标确定的土壤耐蚀冲性表明，发育于变质岩的红壤及黄壤耐蚀冲性最强，而发育于花岗岩的红壤耐蚀冲性最小。
江西红土丘陵(2) 黄土高原主要在干冷的北方黄土的粒径组成以粉沙为主，孔隙大，富含碳酸盐。
吸水后易崩解，并被水流搬运，抗侵蚀能力差，在各种营力作用下侵蚀强烈。
黄土组成较为单一，垂直节理发育，易形成陡壁，既有保护边坡的一面，也有崩塌不利的一面。
黄土沟谷的崩塌、滑坡显示了黄土的不稳定性，它不仅与黄土的松散特性有关，也与黄土常含有砂层、砂质黄土层以及黄土和古土壤岩性特征不同所导致的含水量与透水性能差异有关。
§2.2 单个颗粒的特性泥沙颗粒(或称“ 碎屑沉积物颗粒”, clastic sedimentparticles)粒径变化范围较大(一般为0.001~100.0mm) ，研究其运动时一般不能概化为连续介质，因此需要对单个泥沙颗粒的性质进行定量、精确的描述，后面还要对单个泥沙颗粒的运动过程(滚动跃移等)进行详细的研究。
1.颗粒的大小(size) — 粒径粒径的直接测量——三轴量测粒径的测量方法一览三轴直径投影直径 薄片直径 等容粒径 筛分粒径沉降粒径 沉降粒径沉降粒径沉降粒径等容粒径(nominal diameter,公称直径)： 与泥沙颗粒体积相同的球体直径。
如果泥沙颗粒的重量W 和容重γs (或体积V)可以测定，则其等容粒径可按下式计算：[例2-2]:某山区河道一椭球状大漂石的三轴直径分别为0.9m 、1.2m 、 1.5m ，分析样品知其密度为2.8g/cm 3=2800kg/m 3，求其等容粒径和总重量。
解：椭球状漂石体积为=π⨯0.9⨯1.2⨯1.5÷6=0.848m 3, 等容粒径为=（6V/π）1/3= (0.9⨯1.2⨯1.5)1/3=1.174m, 总重量的单位在m-kg-s 制中为牛顿(N)，但在工程上又常用千克力(kgf)和吨力(tf)，因此 W=γsV=2800kg/m 3⨯9.8⨯0.848m 3=23226N=2370kgf=2.37tf 。
3131)6()6(sn WVD πγπ==测量方法：称重或求体积法泥沙分样筛◆筛分粒径(sieve diameter):◆筛分粒径(sieve diameter):设颗粒最后停留在孔径为D 1的筛网上，此前通过了孔径为D 2的筛网，则可以确定颗粒的粒径范围为可用算术平均、几何平均等给出筛分粒径。
如按算术平均则 如按几何平均则21D D D <<2/)(21D D D +=21D D D =测量方法：筛分法（筛析法）求证：筛析法量得的颗粒粒径相当于等容粒径证明：对形状不规则的泥沙颗粒，可以量测出其互相垂直的长中短三轴，分别以a 、b 、c 表示。
可以设想颗粒是以中轴通过筛孔的，因此筛析所得的是颗粒的中轴长度b 。
对粒径较粗的天然泥沙的几何形状作统计分析结果表明：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：等容粒径为： 因此，如果上述各假设成立，则筛析法所得到的泥沙颗粒粒径(颗粒恰好通过的孔径)接近于它的等容粒径。
31)(abc b =abc V 6π=)()6(abc VD ==π◆沉降粒径(fall diameter)：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。
由于上述三种粒径的定义测量方法和计算方法有较大差异，因此在提及泥沙颗粒的粒径时必须同时说明该粒径的测量或计算方法, 以保证概念的明确。
泥沙颗粒按粒径的分类研究表明，泥沙粒径的大小与泥沙的水力学特性和物理化学特性密切相关：1、不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质（如毛细力和粘结性）。
2、不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成。
3、不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性（如比重、容重等）。
粒径/mm ≤0.004 0.004~0.062 0.062~2.0 2.0~16.0 16~250≥250分类粘粒 (clay)粉沙 (silt)沙粒(sand)砾石(gravel)卵石(cobble) 漂石(bouider)2.颗粒的形状泥沙颗粒的最初形状取决于岩石母质和风化作用，随后在输运过程中因继续受到物理、化学及生物作用而不断改变其形状，改变的程度或最终形成的形状取决于搬运介质(水、空气、冰川运动)和搬运方式(滑动、滚动、跳动、悬浮或颗粒流等)。