第1章 河道水流的特性

Hack发现河流某一控制点以上的干流长度与该点 以上的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
1、河系： 流域里的大大小小的水流路线，构成脉络相通 的系统，称为水系（河系、河网）。 Horton-Strahler河流分级法： ①直接发源于河源的小河流为1级河 流；
②两条同级别的河流汇合而成的河
流级别比原来高一级； ③两条不同级别的河流汇合而成的 河流的级别为两条河流中较高的河 流的级别
（1）水系的平面形状
§1-2 河道水流的运动结构
二、河道水流的紊动特征
• 在水力学中将流体运动状态区别为紊流和 层流两大类型。在紊流中又分为光滑区、 粗糙区（或阻力平方区)，以及介学三者之 间的两个过渡区。 • 河道水流普遍具有较大的雷诺数，从工程 观点来看，河道水流一般居于紊流阻力平 方区。
（2）紊流的主要特征
①流体质点的运动极不规则，流场中各种 流动参数的值具有脉动现象。 ②由于脉动的急剧混掺，流体动量、能量、 温度以及含有物的浓度的扩散速率较层流 为大。 ③紊流是有涡流动，并且具有三维特征。
（2）紊流发生的物理过程
在靠近固体壁面的粘性底层中，在平面上具有顺流向 的高速带和低速带相间形成的带状流动结构
（2）紊流发生的物理过程
在低速带向下游流动的过程中，其下游头部常缓慢上 举，低速带与固体壁面间距离逐渐增大，低速带与固 体壁面之间产生横向漩涡。
二维平均流 的涡丝 马蹄涡（发夹涡） （Hairpin vortex）
浅滩或河洲到处可见，河曲发育
– 河口：是河流流入海洋、湖泊或其他河流的处所
，泥沙淤积严重。
3、河段分类：
河段分类：

按地区划分

山区河段
按河床演变划分

平原河段
峡谷性河段 稳定性河段 次稳定性河段 变迁性河段 游荡性河段
宽浅性河段 冲击漫流性河段
溪涧
急滩
瀑布
中下游
沼泽
流量的多少
水位的季节变化
河床底部比降越大，水面比降越大
偏转力引起的横比降
3、河流形态特征
（2）横断面：水流方向垂直的断面——横断面 河槽中某处垂直于流向的断面称为在该处河 流的横断面。它的下界为河底，上界为水面线， 两侧为河槽边坡，有时还包括两岸的堤防。 横断面又称为过水断面，它是计算流量的重要 参素。 常见的断面形式有矩形断面，马蹄形断面等。
我国河流的水量补给 雨源、雨雪源、雪源 影响河川径流的因素 1、气候因素：降雨、蒸发 2、下垫面因素：流域的面积、形态、土壤、 地质、植被、湖泊、水库等 3、人类活动
三、河流水文特征
主要包括四个方面： （3）泥沙： • 决定于流域内地面植被状况 • 静态特性包括：几何特性，重力特性，级配特性；
• 动态特性包括：沉降特性，运动特性和冲淤特性
流域面积F：在地形图上绘出流域的分水线，分水线包围
的面积，即流域面积，以km²计。(也用 A 表示) 河网密度D：流域内河流干支流总长度与流域面积的比值 称为河网密度，以km/km2计。
流域长度 Lf：从流域出口到流域最远点的流域中线长度，
km计
平均宽度 B: 流域形状系数:
B = F / Lf K = B / Lf
Transition Zone 过度带，中游
Water Sediment 水 沉积物
Floodplain Zone 泛滥平原带
3 河流分段
– 河源：溪涧、泉水、冰川、沼泽或湖泊
– 上游：落差大、水流急、河谷狭窄、急滩和瀑布
– 中游：比降变缓，河槽拓宽曲折，两岸有滩地
– 下游：河谷宽，比降和流速小，河道淤积明显，
雷诺应力大部分由猝发在约25％时间产生
由马蹄形涡的形成、发展到形成喷射和清扫，整个过 程称为猝发现象
下扫 上抛
下扫
上抛
u (m / s)
v( m / s )
边界层猝发过程的流速分布
（3）紊动大小的表达-紊动切应力
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：
流域：河口断面以上的集水区域。 地
面分水线包围区域为地面集水区，地 下分水线包围区域为地下集水区。
闭合流域：在垂直方向地面、地下分
水线重合，地面集水区上降水形成的 径流正好由流域出口断面流出，一般 的大中流域均属此类。
非闭合流域：地面、地下分水线不重
合的流域，如岩溶地区的河流和一些 很小的流域。
流域几何特征
特点：河床较宽，复式断面 （图），河槽纵向坡度平缓， 流速较小。
河口：河流终点，大河流入 海洋，小河流入湖泊或其他 河流，再者消失沙漠之中。
3、弯曲系数
• 河流的弯曲系数表示河流平面形状的弯曲 程度，可用河流实际长度与河流两端间的 直线长度之比来衡量。
L l
L2
L1
三、河流水文特征
主要包括四个方面： （1）水位： 决定于河流补给类型，以雨水补给的河流，水位变化 由降水特点决定；冰川融水补给的河流，水位变化由 气温特点决定 （2）流量： 以雨水补给为主的河流，看降水量的多少；流域面积 大，一般流量大
（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。
• 河床断面特征
上游：连接河源，位于河流上 段，较大河流的上游往往高山 夹峙，沿河有许多峡谷，河床 一般窄而深。 特点：水流急，落差大，洪水 涨落急剧，带有跌水等险滩。
中游：河流中段，多位于丘 陵地区。 特点：河面较宽，河床坡度 较平缓，水流较平静。
下游：河流最下一段，大河 流下游位于冲击平原地区。
50年代中国的周培源对于均匀各向同性紊流提出了旋涡结构理论；同时，
紊流的试验研究使人们对紊流的性质也有了进一步的了解。 60年代以后，氢泡法、高速摄影等量测技术的使用更进一步揭示了紊流
机理；电子计算机的应用也使量测数据处理简易化，从而对紊流的起源、
紊流的内部结构有了深入的认识。对壁面紊流的起源提出了猝发现象的 图形。
§1-2 河道水流的运动结构
一、河道水流的紊动特征
（1）紊流的形成条件
（2）紊流发生的物理过程 -猝发现象是紊流得以发生和赖以维持的物理过程
-在流动稳定的情况下，即使产生明显的扰动，也将 被衰减，因而流动并不会从层流转变为紊流。
-当流动失去稳定，在壁面边界层流中，猝发现象将 导致层流到紊流的转变，并提供维持紊流运动所需要 的大部分能量。
N i RB
i
（2）河长率：水系中各级河流的平均河长与该河流 级别i近似于正几何级数关系。
i Li L1 RL1
（3）面积率：随着河道级别的增加，河道的平均流 域面积倾向于一列递增的几何数列。 （4）河流比降率：随着河道级别的增加，河道的平 均纵向比降倾向于一列递减的几何数列。
2.流域及其分类
水系形状是指河流的干、支流组成的形态特征， 主要有树枝状、羽毛状、扇形状、梳状（平行状 ）、向心状（放射状）等。
混 合 形 平 行 状
羽 毛 状
放射状
扇 形
淮 河 流 域 扇 形 水 系
长江流域 南北对称状水系
黄河中游
东西对称水系
河道级别和各量的对数之间成直 （2）河流地貌定律 线回归关系 ⑴河数率。水系中任一级河流的数目与该级河流的 级别呈反几何级数关系
水文 特征 含沙量 结冰期 流速等 水系形态、河流密度、支流 长度 水系 特征 流域面积 流向 河道
河流 特征
二、河流水系特征
1、河系： 流域里的大大小小的水流路线，构成脉络相通 的系统，称为水系（河系、河网）。 水系是由干流和他的全部支 流构成的一个独立的水道系统 （河槽系统）。 水系的名称通常以他的干流或 注入的湖泊命名。
式中， u u 是指空间某点瞬时 x y
ຫໍສະໝຸດ Baidu
u 和 u y 在某时段的时均值。 x
；
u x u x u x
u y u y u y
u 式中，u x 为瞬时值， x 为时均值，
u 为X方向的脉动流速 x
（3）紊动切应力
表达形式2：
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
（4）结冰期有无或长短（最冷月月均温），水能蕴藏 量（由流域内的地形、气候特征决定）。
§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
天然河流属于挟带泥沙的两相明渠流
（2）河道水流的三维性
过水断面不规则，宽深比越小，三维性越强
（3）河道水流的不恒定性
一是来水来沙随时空变化，二是河床演变，河道边界随时空变化，两 者相互依存，制约和相互促使变化发展。
（4）河道水流的不均匀性
河道水流的非恒定性致使不均匀性，顺直河道，河床冲淤相对平衡， 水流基本稳定，过水断面沿程变化较小时可当作均匀流处理。
马蹄形涡的上举最终形成底部低流速流体向上层高流 速流动区的喷射。低速流体向上喷射将伴随上层高速 流体向下层俯冲而冲入形成清扫。
喷射和清扫形成流体内部剪切层，使断面瞬时流速呈 现相当复杂的状况。
再现 Kline实 验(1967) 下扫 sweep 猝发 bursting 氢气泡 (涡丝) 上抛 ejection 马蹄涡
沿水流方向的断面——纵断面
3.河流的纵比降 任意河段两端（水面或河底）的高差为落 差，单位河长上的落差为河段比降，用以 小数或千分数表示 。
河流比降公式：
(h0 h1 )l1 (h1 h2 )l2 (hn1 hn )ln 2h0 L J L2
J ——河流的比降 hn ——自上游到下游沿程各点河底高程，m ln ——两点间的距离，m L ——全河流的长度，m
Dc—与流域具有同 一周长的圆直径
Rs Au1 / Au 2
中国七大水系：珠江、长江、黄 河、淮河、辽河、海河、松花江 （三江四河）
3、河流形态特征-弯曲程度深浅宽窄
（1）纵断面：沿河流中线（也有取沿程各横断面 上的河床最低点，即中泓线）的剖面，测出中线 以上（或河床最低点）地形变化转折的高程，以 河长为横坐标，高程为纵坐标，即可绘出河流的 纵断面图。纵断面图可以表示河流的纵坡及落差 的沿程分布。
2、形成过程
流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整 个物理过程，称为径流形成过程。 降水（雨、雪、雹等）----流域蓄渗----坡面漫流----河 槽集流-----河川径流
较大的称江、河、川、水，较小的称溪、涧、沟、曲等。如长江、黄河、钱塘江
3、河段分类：
河流的分段：河源、上游、中游、下游、河口
分布反推εm值。
河流动力学概论
§1 河流及河道水流的特性
第一节 河流及河流特征
一、河流的基本概念 从水文学的定义来说，在陆地表面上接纳、汇 集和输送水流的路径和通道称为河槽，河槽与 其中流动的水流，统称为河流。 从河流动力学的角度来说，河流是由水、泥沙 及河床边界共同组成的系统，三者相互制约、 并受外部各种因素和人类活动的影响。
a
b
湍流扰动使涡丝 变形
横向漩涡在向下游运行的过程中发生变形，形成马蹄 形涡，或U形涡。马蹄形涡的头部由于涡旋的诱导作 用随着向下游运动而逐渐上举。
马蹄涡（发夹涡）
（Hairpin vortex）
平均流的拉伸使 涡量加强
上举后由于流场中上部流速大，马蹄形涡受到拉伸作 用而变形。马蹄形涡的拉伸和变形使得最终在流场中 产生复杂的涡量场。
Rain and snow 雨和雪 Lake湖 Glacier冰川 Rapids 急滩 Waterfall 瀑布 Tributary 支流 Flood plain Oxbow lake Deposited 牛厄湖 洪积平原 sediment Salt marsh 沉积 盐沼 Delta 三角洲 Ocean Source Zone 海洋 源头，上游