河流动力学

§1-1 基本概述
§1-1 基本概述
四、水文系统中的主要子系统
水系：地表径流对地表土壤产生侵蚀后 形成的沟槽系统。涉及面蚀→槽蚀→河谷的 全过程。
1、大气层—海洋系统 5、冰川系统
2、坡面系统
6、地下水系统
3、河流系统
7、风成沉积系统
4、海岸线系统
§ 1-2 研究对象
一、泥沙 受水流、风力、波浪、冰川及重力作用
① 自然侵蚀（古代侵蚀） 没有人为影响，完全天然条件下，自然界发生
的土壤侵蚀。如：水蚀、风蚀、溶洞侵蚀。 ②人为侵蚀（现代侵蚀）
有人类活动参与后的侵蚀。在自然侵蚀基础上 加速或延缓侵蚀。
附：总侵蚀量超过古代自然侵蚀量的部分称为 人类活动导致的加速侵蚀。
§ 1-2 研究对象
外力性质 类 型
形态
雨点坑、细沟、 水力侵蚀 冲沟、洞穴
移动后沉积或在流体中运动的固体颗粒碎屑。 泥沙颗粒是地表岩石在物理、化学作用
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。
§1-1 基本概述
一、河流
河流是水流与河床在各种自然因素及人
类活动的影响下相互作用的产物。河流运动
过程是水流、泥沙及可动边界的各种运动和
变化叠加而成的。
搬运 侵蚀 堆积
泥沙
水流
河床
§1-1 基本概述
二、河流学 在改造或适应河流的过程中，人们不断
总结经验、积累成果，逐渐形成了系统的知 识，成为一门学科。
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
地貌学 工程学
数千年至数 完整的流域、水系、
十万年
冲积平原
地质构造、地貌、
数天至数百年
气候均不变
§ 1-2 研究对象
(二)泥沙问题的分类 自然界和工程实际中，泥沙问题从物理
现象上分三类：侵蚀、输运、沉积。 1、土壤侵蚀：在水力、风力、重力、冰川
作用及人类活动影响下流域内地表物质 的移动。
§ 1-2 研究对象
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。
§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。
流体中挟带固体泥沙颗粒，流体的物理 性质与运动特性改变，称为两相流（液固流 和气固流）。其流动为两相流动。
天然冲击河流条件下，这种运动的特点： 流动边界可能都是自由面（岸壁与河床互动）
§ 1-2 研究对象
二、泥沙问题的研究 (一) 时间尺度
不同学科泥沙研究 时间尺度
空间尺度
地质学
百万年
大陆板块、大地构造 单元（平原、高原）
河流动力学——以微观力学的方法研究河 流及其过程的学科。
河床演变学——从宏观的角度研究河流的 形成和演变的学科。
§1-1 基本概述
水流与河床在相互作用的过程中，许多 情况下要通过泥沙的运动体现出来。如:泥沙 淤积，抬高河床；泥沙冲刷，降低河床。
泥沙有时是河床的组成部分，有时又是 河水（浑水）的组成部分。研究河流的过程 实质上就是研究泥沙的产生、搬运、沉积的 过程。故而研究泥沙运动是本门课程的核心。
封闭系统——与外部环境只有热量交换。 开放系统——既交换热量又交换物质。
§1-1 基本概述
在所有的动态系统中，都存在建立和维 持平衡的趋势。平衡状态指一种能量最低的 状态。系统达到平衡的过程，就是不断消耗 能量，直至能量降到最低点的过程。平衡状 态的一种判别方法：对动态系统的微小扰动， 不能使系统偏离稳定状态。
自 然
风蚀洞（坑）、 风力侵蚀 沙丘
力
剥落体、崩塌、 重力侵蚀 滑坡体
分布 耕地、沟坡
干旱区、平原、 沙地 陡坡、谷坡、 河岸
冻融侵蚀 条（斑）状泥流
高寒区
人类活动 人为侵蚀
多形态
Leabharlann Baidu
人为不合理活动区
§ 1-2 研究对象
土壤侵蚀
黄土高原 土壤侵蚀 红壤区 土壤侵蚀 花岗岩母质 红壤侵蚀区 紫色土侵蚀区 泥石流侵蚀 坡耕地侵蚀 荒漠化问题 湿地退化问题
一个河段的上游下泄的水量和水流中所 携带的泥沙量是决定此河段河床变形的主要 因素，称为来水来沙条件。
§ 1-2 研究对象
即使上游来沙与挟沙能力平衡，修建水 利工程也会对上、下游河床演变产生影响。 研究泥沙输运一般针对量级百年以内的时间 尺度，流域中的气候、地质构造、地貌看做 不变。
某流域出口控制站实测的河流泥沙总量 St与该流域的地表物质侵蚀总量Se之比St/Se 称为泥沙输移比。
§ 1-2 研究对象
2、泥沙输运 ⑴ 类型 ① 水力输运：侵蚀产生的泥沙在河道系统
中受水力作用的输移过程。 自然界中的泥沙输运一般指在冲积河流 中的输运，这也是工程实际的研究对象和河 流动力学的主要任务。并研究这种输运对冲 积河流演变过程的影响。
§ 1-2 研究对象
主要是研究河流上游来沙量与水流挟沙 力这两者在某一时段、某一河段或某一水工 结构上、下游不平衡引发的问题。如:黄河下 游含沙量年总输沙量居世界第一，为强烈堆 积活动的青壮年河流，河床变形剧烈。