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1、1 河流及河道水流的特性,河流动力学概论,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。,第一节河流及河流特征,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,3 河流分
2、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，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：,溪涧,急滩,瀑布,中下游,沼泽,河流特征,水文特征,水系特征,长度,流域面积,河道,流量的多少,水位的季节变化,含沙量,结冰期,流速等,水系形态、河流密度、支流,流向,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
3、干流或注入的湖泊命名。,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）。,Horton-Strahler河流分级法：直接发源于河源的小河流为1级河流；两条同级别的河流汇合而成的河流级别比原来高一级；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 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。,放射状,扇形水系,淮河流域,南北对称状水系,长江流域,黄河中游,东西对称水系,（2）河流地貌定律河数率。水系中任一级河流的数目与该级河流的级别呈反几何
4、级数关系,（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。,（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。,河道级别和各量的对数之间成直线回归关系,2.流域及其分类 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
5、何特征,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km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:B=F/Lf 流域形状系数:K=B/Lf 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,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：,流域几何特征,Ac与流域具有同一周长的圆面积,Dc与流域具有同一周长的圆直径,中国七大水系：珠江、长江、黄河、淮河、辽河
6、、海河、松花江（三江四河）,（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。沿水流方向的断面纵断面,3、河流形态特征-弯曲程度深浅宽窄,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：,河床底部比降越大，水面比降越大,偏转力引起的横比降,（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
7、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。,3、河流形态特征,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。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。,河流的弯曲系数表示河流平面
8、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。,3、弯曲系数,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,三、河流水文特征,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,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
9、性和冲淤特性（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）。,三、河流水文特征,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
10、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。,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。,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。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。紊流是有涡流动，并且具有三维特征。,（2）紊流的主要特征,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
11、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。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。,（3）紊流理
12、论发展,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。,（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
13、维平均流的涡丝,湍流扰动使涡丝变形,马蹄涡（发夹涡）（Hairpin vortex）,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。,平均流的拉伸使涡量加强,马蹄涡（发夹涡）（Hairpin vortex）,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。,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。,雷诺应力大部分由
14、猝发在约25时间产生,氢气泡(涡丝),马蹄涡,上抛ejection,Kline实验(1967),下扫sweep,猝发bursting,再现,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,边界层猝发过程的流速分布,上抛,上抛,下扫,下扫,（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：,式中，是指空间某点瞬时 和 在某时段的时均值。；式中，为瞬时值，为时均值，为X方向的脉动流速,（3）紊动切应力,表达形式2：,影响m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m值。,
15、（3）紊动切应力,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；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：,表达形式3：,普兰特根据动量传递原理或掺混长度理论得到。,z/h,紊动剪力的垂向分布,z/h,紊动强度垂线分布规律格拉斯的试验成果,1-2 河道水流的运动结构,二、流速分布规律 一般情况下，天然河道水流具有三维性、不恒定性、不均匀性，其流速分布呈三维流速分布。但对宽深比较大的冲积河流，河道水流的流速分布接近二维明渠流流速分布，这种情况下，可以近似地用二维明渠均匀流流速分布公式来描述河道水流的流速分布。,明渠水流流速分布,明渠水流流速分布,明渠水流流速分布,
16、明渠水流流速分布,明渠水流流速分布,明渠水流流速分布,（1）对数区流速分布,明渠水流流速分布,（1）对数区流速分布,明渠水流流速分布,（1）对数区流速分布,明渠水流流速分布,上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系数，其中糙壁x=1；光壁和过渡壁面x是ks和的函数。）,卡门常数,爱因斯坦公式,8.5,糙壁,光壁和过渡壁面,（2）外层区流速分布,外层区的流速分布偏离对数分布，有一流速增值，可以用一尾迹函数来表示：,明渠水流流速分布,三、天然（冲积宽浅）河流流速分布规律（1）对数型流速分布公式，卡曼普兰特尔（Th.von.Karman-L.prandtl）公式（1-1）umax,u,
17、u*分别为水面处最大流速，点流速及摩阻流速；k为常数，通常取0.4.（2）指数型流速分布公式，陈永宽（1984）（1-2）适用含沙量较高的水流。（3）三维河道水流流速分布的经验方法实测、模型观测。,泥沙运动与水流紊动紧密相关。泥沙浓度和泥沙级配沿垂线的分布是连续的，在近壁区既有推移质运动，又有悬移质泥沙在床面附近浮游前进，他们之间也不停地存在交换。悬移质泥沙是由于水流紊动而悬浮于水体中，泥沙含量及级配影响水流运动结构，水流结构变化引起携带泥沙量的变化，两者是紧密联系在一起的。即水流紊动强度的强弱直接决定携带泥沙的含量及粒径，水中所含泥沙也会同样影响对应的水流紊动强度。因此，明渠水流中所含泥沙与
18、水流紊动强度是存在一定关系或规律的，一方面，泥沙因水流的紊动而起动、悬浮和输移；另一方面，水流中所携带的泥沙反过来影响水流结构，故它们之间是相互制约、同时又是密不可分的。它们之间是相互影响或相互对应的关系。,1-2 河道水流的运动结构,三、河道水流的主流与副流（1）主流（正流、元生流）在重力作用下沿河槽总方向流动的水流，流线和流速相互开行，并且平行于河槽的轴线。（2）副流（次生流）由重力或其它因素作用下，在水流内部产生一种大规模的水流旋转运动。流向不限于纵向，有的具有复归性。（3）环流具有复归性的次生流。是造成横向输沙的主要原因。,1-2 河道水流的运动结构,三、河道水流的主流与副流,1-3
19、河道水流中的阻力损失,重力、惯性力与阻力为水流中最重要的力。与清水水流相比，河道水流中的力要复杂得多，其所起的作用，也是很不相同的。研究河道水流阻力损失的目的：主要在于确定河道的泄流能力和输沙能力。对子具有一定过水断面和比降的河道，水流的流速有多大，不仅决定能通过多大流量，而且直接与泥沙运动的强度有关，因此研究水流阻力损失一直是河流动力学的基本问题。,1-3 河道水流中的阻力损失,一、河道水流阻力损失根源一般管道或明槽水流的阻力损失与河道水流阻力损失的差异主要来源于二者紊动的差异。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、河底或河岸的大凸大凹、沙纹及沙波等，,1-3 河道水流
20、中的阻力损失,一、河床床面水流阻力的分解,1-3 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。水力学中一般常用阻力系数有达西阻力系数，糙率系数n，和谢才系数C表示水流阻力，其中阻力系数无量纲，糙率系数n和谢才系数C是有量纲的经验系数：,1775年，谢才（A.Chezy）：（1-3）1888年，达西魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）：（1-4）1890年，曼定公式：（1-5）式中，v-断面时均流速；R-水力半径；J-比降，水力
21、坡度；g-重力加速度；（1-6）,1938年，keulegan(坎莱根)提出如下的对数型断面平均流速公式：（水力光滑区）（1-7）（水力粗糙区）（1-8）Ks边壁粗糙尺度，反映边壁粗糙突起程度。此式对不同形状断面的棱柱形明渠适用。Einstein统一公式,“糙率系数”n，也称满宁(Manning)系数、糙率。其内含是极为复杂的。它直接与水流中的紊源和紊动结构有关，与大至河势，小至河床床沙粒径有关。天然河流中的流动一般都处于紊流阻力平方区，如果流动可视为二维的，或河岸、河底具有相同的糙率，则n与水深无关。n有时与水流状态有关，这很大程度上是天然河底、河岸边界的可变性造成的。,几个概念简析,几个概
22、念简析,粗糙高Ks：是天然壁面的当量粗糙高，它综合反映壁面粗糙程度、形式和分布等因素对水流的影响。不仅只反映槽壁的粗糙程度，同时还与粗糙的形式和分布状况有关。在河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均匀的，也是随机的，Ks是反映这些因素的一个综合参数。通常采用实测的方法来确定Ks，即测出河槽的流速分布和U*，再用槽壁流速公式反推粗糙高。也有人用床沙情况来初估Ks，如对于均匀床沙，采用Ks=0.7d，d为床沙粒径；如对于非均匀床沙，采用Ks=d65，d65为床沙组成中出现概率是65%的粒径；不同实验条件不同，仅供参考。,8.5,槽壁流速公式:,几个概念简析,摩阻流速U*：摩阻流速U*反映了水流
23、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。0是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床面剪切力。,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：,u1=5.75U*lg(24h/Ks),u2=5.75U*lg(6h/Ks),lg,hKs,=,0.778u1/u2-1.38,1-u1/u2,h,u1,u2,得Ks,Ks,多测几点流速，计算Ks和n值，以供校核，或取平均。,离水面的距离；y1=h-0.2h=0.8h；y2=h-0.8h=0.2h；,常用计算的推导,Ks和糙率n的计算
24、：例：先测得河流水深h,再测水流垂线上两点流速，如：测得U0.2h=u1;U0.8h=u2，由流速分布公式：,c=18lg(12.27R/Ks),n=,n,R1/6,18lg,12.27RKs,将实测的lg(h/Ks)代入上式，令R=h,=,5.57u1/u2-5.27,u1/u2-1,c,=,(u1/u2-1)h1/6,5.57(u1/u2+0.95),n,多测几点流速，计算Ks和n值，以供校核，或取平均。,作业或习题,已知某河实测水深H=3.6米，三点法测得的流速分别为U0.2=1.82m/s,U0.6=1.60m/s,U0.8=1.50m/s,试求河床的粗糙高度KS及曼宁糙率n。,U=,1n,R2/3J1/2,曼宁公式,U*=,gRJ,;,
