《河流动力学》课程规范（讲授+实验）一、课程概况
二、课程知识、能力体系
《河流动力学》课程知识（能力）体系
三、教学内容及基本要求
四、实验教学部分
学时：2
学时：2
水力学、河流动力学、流体力学专业词汇 Fundamental Glossary in Hydraulics Hydrostatics 水静力学Hydrodynamics 水动力学 Physical properties of water 水的物理性质Density 密度 Specific gravity 比重Kinematic viscosity 运动粘性 Absolute viscosity 动力粘性Elastic modulus 弹性模量 Surface tension 表面张力Temperature 温度 Isotropic (y) 各向同性Anisotropic (y) 各向异性 Uniform (ity) 均匀(性) Heterogeneous (ity) 不均匀(性) Main force 主要作用力Gravity 重力 Inertia force 惯性力pressure 压力(强) Drag 阻力Mass force 质量力 Surface force 表面力Constitutive relationship 本构关系 Stress 应力Strain 应变 Deformation 变形Displacement 位移 Normal 法向Tangent 切向 Shear 剪力Acceleration 加速度 Angular deformation 角变形 Local acceleration 当地加速度convective acceleration 迁移加速度compressibility 压缩性 continuity连续性 Scalar 纯量vector 矢量tensor 张量 magnitude 模(大小) direction 方向 Divergence 散度curl 旋度gradient 梯度 Source 源sink 汇 Frequency 频率amplitude 振幅phase 相位resonance共振 Mass conservation 质量守恒momentum conservation 动量守恒 energy conservation 能量守恒 Initial condition 初始条件boundary condition边界条件 Ordinal differential equation 常微分方程 partial differential equation 偏微分方程 Convection, advection 对流diffusion 扩散dispersion 弥散 decay 衰减degradation降解 Flow pattern流态flow type 流型 Laminar flow 层流turbulent flow 紊流 Supercritical flow 急流subcritical flow 缓流critical flow临界流 Rapidly varied flow急变流gradually varied flow渐变流 Uniform flow 均匀流non-uniform flow 非均匀流 Mainstream flow 主流wake flow 尾流 Steady flow 恒定流unsteady flow 非恒定流 One-dimensional flow 一维流two-dimensional flow二维流 three-dimensional flow 三维流 Single-phase flow 单相流double-phase flow 两相流 multi-phase flow 多相流
水库泥沙冲淤分析计算 抽水蓄能电站初步设计阶段 水库泥沙冲淤分析计算大纲范本 水利水电勘测设计标准化信息网 1996年10月 抽水蓄能电站初步设计阶段 水库泥沙冲淤分析计算大纲 主编单位: 主编单位总工程师: 参编单位: 主要编写人员: 软件开发单位: 软件编写人员: 勘测设计研究院 1
年月 目次 1. 引言 (4) 2. 设计依据文件和规范 (4) 3. 基本资料 (4) 4. 水库泥沙冲淤计算 (6) 5. 专题研究 (9) 6. 应提供的设计成果 (9) 附件A (10) 附件B (11) 附件C (14) 1 前言 项目概况 抽水蓄能电站位于省县乡境内，总装机 MW。抽水蓄能电站由上水库、水道系统、厂房及下水库组成。水库泥沙冲淤分析计算 2 设计依据文件和规范 2.1 有关本工程(或专业)的文件 (1) 可行性研究报告; (2) 可行性研究报告审批文件; (3) 初步设计任务书和项目卷册任务书，以及其它专业对本专业的要求; (4) 泥沙专题报告。 2.2 设计规范 (1) DL 5021-93 水利水电工程初步设计报告编制规程； (2) SDJ 11-77 水利水电工程水利动能设计规范(试行); (3) SDJ 214-83 水利水电工程水文计算规范(试行); (4) SL 104-95 水利工程水利计算规范; (5) 水库水文泥沙观测试行办法。 2.3 主要参考资料 (1) 水利水电工程泥沙设计规范(报批稿)[echidi1][1]； (2) 《泥沙手册》(中国水利学会泥沙专业委员会主编)； 2
(3) 《水库泥沙》(陕西省水利科学研究所河渠研究室、清华大学水利工程系泥沙研究室合编)； (4) 《河流泥沙工程学》(武汉水利电力学院)。 3 基本资料 3.1 水库概况 (1) 水库地形图，施测时间； (2) 库区纵、横断面表，需要时给出横断面特征线； (3) 水库水位容积、面积曲线图及表(包括总库容与干支流库容)。 表 1 水库水位容积、面积表 抽水蓄能电站装机容量 MW(共台)，一般每日发电 h( 点至点)；每日抽水 h( 点至点)。水泵最大扬程抽水流量 m3/s，最小扬程抽水流量 m3/s；水轮机额定水头发电流量 m3/s。 3.4.1 水库水位、库容特征值，见表2。 表 2 库水位、库容特征值 (1) 各设计频率洪水的坝前水位 表 3 各设计频率洪水的坝前水位 3
水力学及河流动力学研究展望 河流动力学的发展具有悠久的历史，但采用现代科学体系进行系统的研究则是20世纪才开始的。河流动力学是以流体力学、地学、海洋和环境科学等为基础的交叉学科，其趋势仍是采用各学科之长，在理论探索、科学实验和数学模拟等方面深入发展。 1研究发展趋势 展望河流动力学的研究，它应包含两个方面的内容，一是在传统理论张现代化量测技术的基础上，对已有的研究成果进行系统的总结、归纳和提高，对一些假定和近似处理给出更严密的论证，对一些经典的试验成果重新进行检验。二是开拓新的研究领域和研究方向，特别要注重与其它学科和最新的科学技术融会贯通。在上世纪的30年代至50年代，以Shields 曲线、Rouse悬沙公式、Meyer-Peter及Einstein推移质公式为代表，基本奠定了泥沙运动力学的理论体系，半个世纪以来，主要是进行补充和完善的工作，除在工程应用方面取得巨大的进展外，在理论体系上没有重大的突破。通过数十年来的理论积蓄和量测技术的时代跨越，有望在近些年内在理论体系上取得突破性进展，在试验科学上获得重大的成果。 1.1.1基础理论研究 河流动力学基础理论研究包括泥沙运动力学基本理论和河流过程原理及调整规律的研究。早在30年代，Rouse应用扩散理论导出了悬移质泥沙浓度分布公式，即扩散方程，它是进行输沙计算的基本方程。在现代两相流理论中，扩散模型只是宏观连续介质理论的一种简单模型。更一般的模型是双流体模型，两相流中关于固液两相流的基本方程、作用力分析及其应力本构关系的理论，极大地促进了泥沙运动力学理论的发展。但泥沙运动理论与固液两相流理论又有所区别，其内容更丰富，更独具创新性。悬移质、推移质、水流挟沙力、动床阻力等等都是一般两相流理论中没有的概念。这些概念是泥沙运动力学理论体系的基础，使得泥沙运动力学理论纰固液两相流理论更生动、更便于在生产实际中应用。悬移质和推移质输沙理论、非平衡输沙理论、水流挟沙力、床面形态和动床阻力等都是泥沙运动力学基础理论研究的重要内容，而且在80年代以前已经发展得比较成熟，之后除了引入固液两相流的双流体模型外，并没有重大的进展，许多理论研究是低水平重复。因此，该领域的理论研究应集中在两个方面： 1）对现有的理论成果或成果或公式进行认真总结，去伪存真，归纳提高。如钱宁（1980）关于推移质公式比较的研究堪称范例，几家著名的推移质输沙率公式尽管基于不同的理论，
河流泥沙动力学习题 1.某河道悬移质沙样如下表所列。要求： （1）用半对数坐标纸绘出粒径组的沙重百分数P 的分布图，绘出粒径的累积分布曲线，求出d 50、d pj 、?（25 75 d d = ）的数值。 （2）用对数概率坐标纸绘出粒径组的沙重百分数P 的分布图，绘出粒径的累积分布曲线，求出d 50、?的数值。 （3）用方格纸绘出粒径组的沙重百分数P 的分布图，绘出粒径的累积分布曲线。 解：根据题意计算出小于某粒径之沙重百分数，列表如上。 （1）、半对数坐标纸上粒径组的沙重百分数P 的分布图及粒径的累积分布曲线 从下述半对数坐标纸上的粒配累计曲线上可查得中值粒径m m 054.050=d ， m m 075.075=d ，m m 041.025=d 。 平均粒径：069.0100 8675 .614 1 14 1 == ??= ∑∑==i i i i i pj p d p d ，
非均匀系数：353.1041 .0075 .02575=== d d ?。 半对数坐标纸上的沙重百分数p的分布图 246810121416182022 0.01 0.1 1 粒径（mm） 沙重百分数（% ） 半对数坐标纸上的粒配累积分布曲线 1020304050607080901000.01 0.1 1 粒径（mm） 小于某粒径之沙重百分数（%） （2）、对数概率坐标纸上粒径组的沙重百分数P 的分布图及粒径的累积分布曲线 （3）、方格纸上粒径组的沙重百分数P 的分布图及粒径的累积分布曲线
方格纸上的沙重百分数p的分布图 2468101214161820220 0.05 0.1 0.150.2 0.25 0.3 粒径（mm） 沙重百分数（% ） 方格纸上的粒配累积分布曲线 1020304050607080901000 0.05 0.1 0.150.2 0.25 0.3 粒径（mm） 小于某粒径之沙重百分数（%） 2.已知泥沙沉降处于过渡区的动力平衡方程式为（ω可查表）： 223231)(ωρωρυγγd K d K d K s +=- 令上式为 A=B+C 要求计算并绘制d ～ C B C +及d Re ～C B C +的关系曲线。（取61π =K ， 3/65.2cm g s =γ，3/1cm g s =γ，水温为10℃，d 取0.01～0.5mm ）
三峡枢纽工程的泥沙问题和泥沙调度 摘要：在高山峡谷区的水电站建设过程中，人为干扰是改变河道泥沙含量的主要诱因。泥沙淤积可能会影响水库库容，三峡也不例外。采用“蓄清排浑”方式，即保持水库在低水位运行，能够使三峡水库保持有效库容。具体的措施是改善泥沙调度，在基本调度基础上发展而来的双汛限调度方案能收到良好的效果。 关键字：泥沙调度，淤积，洪水位 1 泥沙问题的由来 泥沙问题是水利水电工程建设的主要问题之一。水电站多建在山区，开挖量大，地势陡，弃土废渣用以进入河道，致使河道含沙量发生明显变化，严重影响区域生态环境。水利水电工程的建设,严重干扰了已经稳定的土壤基底和边坡,极易产生滑塌、滑坡、泥沙流等严重的水土流失问题,而这一过程受降雨的影响更为突出。大量的松散物质在降雨及自身重力的作用下,遇降水极易发生水土流失而进入河道,致使河道悬移质和推移质泥沙含量剧增,导致河道泥沙含量发生显著变化,加剧水土流失危害。 另外,三峡枢纽工程位于高山峡谷区，水电站工程项目建设期间的水土保持永久和临时措施落实的好坏,也直接造成河道悬移质泥沙含量的增加和推移质淤积导致的河床高程的增加。不同施工期年际河道泥沙含量也会有所变化。施工初期,受大面积开挖及松散堆积弃土弃渣的影响,水土流失剧烈,河道泥沙含量变幅大；在有序施工及相关防护措施落实后,水土流失得到控制,河道泥沙含量就会降低；工程末期,伴随着对临时措施的拆除及其他开挖,河道泥沙含量又呈现增加趋势；最后,在拆除工程结束后,解除了外界人为干扰,河道泥沙含量终将趋于最后的平衡,趋于多年平均值。因此,它存在着一个“增大一减小一增大一平衡”的趋势。也就是说,人为干扰是水电站工程建设过程中河道泥沙含量发生变化的直接的也是最主要影响因素。 2 三峡水库泥沙淤积的几个问题 （1）．三峡的泥沙淤积问题是否会严重影响水库的有限库容，继而影响三峡枢纽工程的综合利用？我想答案是否定的。确保水库有效库容的关键是合理的运行方式，在三峡设计中采用的“蓄清排浑”能够使水库长期保持有效库容。在三峡枢纽运行管理过程中，“蓄清排浑”指的是在汛期水库稳定在低水位，方便排洪排沙。汛末水库开始蓄水，11月末回蓄到正常蓄水位。这是由于在含沙量增多的汛期，水库水位维持在合理的低水位，水库就能保持合理的有效库容。水库要始终能保持在低水位运行，必须要有足够的泄洪能力。 （2）．三峡枢纽工程的修建是否会把长江的防洪问题从下游转移到上游？泥沙淤积高程抬高和大坝对水库的壅水，相同流量的情况下洪水位会高于筑坝前的洪水位，势必会扩大淹没区域。控制汛期限制水位能从根本上控制库区末端的洪水位抬高值。因此，重庆地区的洪水位会抬高，但幅度有限。另一方面，只要确保较低的汛期限制水位，建库后的重庆洪水位就可以控制在一定高程以下。 （3）．三峡枢纽的修建是否会造成重庆港的泥沙淤积而变成死港？重庆港是一个调节水库，在它的最高水位和最低水位之间存在着一个回水变动区。在该区段内，河床冲刷淤积交替进行，可能使航运受到影响。选择正确的水库运用方式，可使重庆港免于泥沙淤积的危害，保持航运畅通。采用“蓄清排浑”方法，可以控制淤积末端上延，使处于回水变动区上段的港口避免累积性淤积。壅水期淤积的较少泥沙，可以利用汛末走沙期或汛初小洪水冲刷，使
粘性泥沙运动规律研究 摘要：依次介绍了粘性泥沙的沉降规律，粘性泥沙的冲刷规律和粘性泥沙的扬动规律，展 现泥沙运动的特点。这对于我们了解研究河口河床和近海海床沉积冲刷现象有着重要意义，也为更进一步的研究打下了基础。 关键词：粘性泥沙沉降冲刷扬动 Abstract:This paper discuss three behaviors of the cohesive sediment in turn, including the cohesive sediment subsiding, cohesive sediment erosion and incipient motion of cohesive sediment, to open out the characters of its movement. It helps us find the rules of erosion in the river, offshore and estuary and it has important significance to further research. Keywords: cohesive sediment subsiding erosion incipient motion 一、引言 通常情况下，根据泥沙颗粒的大小和矿物成分，可以将泥沙分为非粘性沙和粘性泥沙两类。其中粘性泥沙主要是由粉沙（d<0.05mm）和粘粒（d<0.05mm）组成，这些黏性细泥沙淤积固结后根据物理性质不同又可分为浮泥，淤泥和粘土[1,2]。在多沙河流中（包括河床，河岸和滩地）粘性泥沙占有一定的比重，同时它还存在于水库、河口港湾、粉质海岸中，对这些河流的演变和治理有着重要影响[3]。因此，研究粘性泥沙的运动规律有着重要意义。本文在此主要讨论粘性泥沙的沉积，冲刷，扬动三个个方面，系统的阐述粘性泥沙的简单运动规律，以期获得总体认识。 二、群体泥沙颗粒的沉降规律 前人对颗粒群体沉速公式的研究，可大致划分为两类：一是粗颗粒均匀沙的沉速，二是含较多细颗粒的非均匀沙沉速。 (1)Batchelor(1972)认为球体在低含沙水体中沉降时，颗粒间及颗粒与周围水体的相互影响，其沉速与其在无限清水中沉速的差异，是平均值不为0的随机变量。他从统计理论出发，最后推导出低含沙量情况下群体沉速的理论公式 ωs/ω0=1－6.55Sv (1) 上式中当Sv≤0.05时，计算结果能与实验值基本符合；当Sv较大则偏差大。 (2)Richardson和Zaki 采用量纲分析与试验结果，建立如下群体沉速公式[4]
Fundamental Glossary in Hydraulics 水力学及河流动力学词汇 Hydrostatics水静力学Hydrodynamics水动力学Physical properties of water水的物理性质 Density密度 specific gravity比重Kinematic viscosity 运动粘性absolute viscosity 动力粘性Elastic modulus 弹性模量surface tension 表面张力Temperature 温度 isotropic (y) 各向同性Anisotropic (y) 各向异性uniform (ity) 均匀(性) Heterogeneous (ity)不均匀(性) Main force 主要作用力Gravity 重力 inertia force 惯性力 pressure 压力(强) drag 阻力 Mass force 质量力 surface force 表面力Constitutive relationship 本构关系 Stress 应力 strain 应变 deformation 变形displacement 位移 normal 法向 tangent 切向 shear 剪力 acceleration 加速度 Angular deformation 角变形Local acceleration 当地加速度convective acceleration 迁移加速度 compressibility 压缩性continuity连续性 Scalar 纯量 vector 矢量 tensor 张量 magnitude 模(大小) direction 方向 Divergence 散度 curl 旋度 gradient 梯度 Source 源 sink 汇 Frequency 频率 amplitude 振幅 phase 相位 resonance共振 Mass conservation 质量守恒 momentum conservation动量守恒 energy conservation 能量守恒 Initial condition 初始条件 boundary condition边界条件 Ordinal differential equation 常 微分方程 partial differential equation 偏微 分方程 Convection, advection 对流 diffusion 扩散 dispersion 弥散 decay 衰减 degradation降解 Flow pattern流态 flow type 流型 Laminar flow 层流 turbulent flow 紊流 Supercritical flow 急流 subcritical flow 缓流 critical flow临界流 Rapidly varied flow急变流 gradually varied flow渐变流 Uniform flow 均匀流 non-uniform flow 非均匀流 Mainstream flow 主流 wake flow 尾流 Steady flow 恒定流 unsteady flow 非恒定流 One-dimensional flow 一维流 two-dimensional flow二维流 three-dimensional flow 三维流 Single-phase flow 单相流 double-phase flow 两相流 multi-phase flow 多相流 Irrotational flow 无旋流 potential flow 势流 rotational flow 有旋流 Open channel flow 明渠流 free surface flow 自由表面 流(明渠流) Pipe flow 管流 pressure flow 有压流 Jet 射流 plume 卷流(羽流) cross flow 横流 Stagnation point驻点 separation point分离点 Coherent structure相干结构 bursting猝发 turbulent intensity紊动强度 Boundary layer 边界层 viscous sub-layer粘性底层 displacement thickness排挤 厚度 mixing length混掺长度 Flow field, current field 流 场 flow net 流网 Submerged discharge 淹没出 流 unsubmerged discharge非淹 没出流 Renolds number雷诺数 Froude number 佛汝德数 Prandtl number普朗特数 Courant number柯朗数 Peclet 彼克雷特数 dimensionless number无量纲 数 Streamline 流线 path line迹线 V ortex line 涡线
藕池(康)站基本持平，其他站偏大8%～36%；湘潭、桃江、桃源、石门和城陵矶各站年输沙量偏大8%～257%，其他站偏小28%～66%。鄱阳湖区各站径流量偏大16%～61%；各站年输沙量偏大8%～101%。与上年度比较，2016年洞庭湖区各站年径流量增大13%～306%；湘潭站年输沙量减小22%，城陵矶站基本持平，其他站增大76%～727%。鄱阳湖区饶河虎山站和修水万家埠站年径流量分别减小19%和11%，梅港站基本持平，其他站增大18%～34%；虎山站年输沙量减小54%，湖口水道湖口站基本持平，其他站增大24%～62%。 2016年三峡水库继续进行175m试验性蓄水，库区淤积泥沙0.334亿t，水库排沙比为21%；2016年丹江口水库库区淤积泥沙50.2万t。2008年9月至2016年12月，重庆主城区河段累积冲刷量为0.1653亿m3。1998年10月至2016年10月，张家洲河段总体冲刷，平滩河槽总冲刷量为1.3527亿m3。2001年8月至2016年10月，澄通河段总体冲刷，总冲刷量为4.3547亿m3。 2016年主要泥沙事件包括长江流域继续实施国家水土保持重点工程，长江干流、主要支流及尾闾河道局部地点发生崩岸。 二、黄河 2016年黄河干流主要水文控制站实测径流量与多年平均值比较，各站偏小24%～72%；与近10年平均值比较，各站偏小22%～52%；与上年度比较，各站减小10%～39%。2016年实测输沙量与多年平均值比较，各站偏小65%～99%；与近10年平均值比较，龙门站偏大21%，兰州站基本持平，其他站偏小29%～91%；与上年度比较，唐乃亥、兰州、龙门和潼关各站增大15%～131%，其他站减小19%～66%。 2016年黄河主要支流水文控制站实测径流量与多年平均值比较，窟野河温家川站基本持平，其他站偏小8%～58%；与近10年平均值比较，皇甫川皇甫、温家川和无定河白家川各站偏大20%～158%，其他站偏小10%～43%；与上年度比较，洮河红旗站基本持平，皇甫、温家川、白家川和延河甘谷驿各站偏大33%～16590%，其他站偏小7%～35%。2016年实测输沙量与多年平均值比较，各站偏小72%～100%；与近10年平均值比较，皇甫、白家川和北洛河头各站偏大6%～89%，其他站偏小14%～100%；与上年度比较，温家川站减小99%，洮河红旗站基本持平，皇甫站从近似0增加至0.073亿t，其他站增大89%～955%。 2015年10月至2016年10月，内蒙古河段石嘴山站和巴彦高勒站断面略有淤积，三湖河口站和头道拐站断面略有冲刷；下游河道除艾山至泺口河段略有淤积外，其他河段均表现为冲刷，总冲刷量0.507亿m3。2016年黄河下游全年引水量109.4亿m3，引沙量1001万t。 2015年10月至2016年10月，三门峡水库总体表现为淤积，总淤积量为0.614亿m3；小浪底水库总体表现为淤积，总淤积量为1.324亿m3。 三、淮河 2016年淮河流域主要水文控制站实测径流量与多年平均值比较，淮河干流息县站和鲁台子站基本持平，干流蚌埠站偏大6%，颍河阜阳站和沂河临沂站均偏小78%；与近10年平均值比较，阜阳站和临沂站分别偏小65%和69%，其他站偏大26%～32%；与上年度比较，蚌埠站基本持平，阜阳站减小27%，其他站增大13%～647%。 2016年淮河流域主要水文控制站实测输沙量与多年平均值比较，各站偏小42%～100%；与近10年平均值比较，阜阳站和临沂站分别偏小98%和近100%，干流各站偏大31%～132%；与上年度比较，息县站和鲁台子站分别增大121%和96%，蚌埠站和阜阳站分别减小27%和74%，临沂站年输沙量仍近似为0。 2016年淮河干流鲁台子水文站和蚌埠水文站测验断面冲淤变化不大，前者主槽略有淤积，后者主槽略有冲刷。 四、海河 本期公报新增漳河观台水文站和卫河元村集水文站，以控制海河南部部分水系的径流量和输沙量。2016年海河流域主要水文控制站实测水沙特征值与多年平均值比较，漳河观台站实测年径流量偏大18%，其他站偏小11%～84%；各站实测年输沙量偏小49%～100%。与近10年平均值比较，2016年海河流域各站实测径流量偏大19%～290%；桑干河石匣里、下会和海河闸各站年输沙量偏小57%～100%，响水堡站近10年输沙量均近似0，其他站偏大220%～902%。与上年度比较，2016年石匣里站和响水堡站实测径流量基本持平，其他站增大33%～1610%；石匣里站年输沙量减小83%，卫河元村集站增大3083%，雁翅、张家坟和观台各站均从近似0分别增加至0.541万t、9.09万t和368万t，其他站仍近似为0。2016年引黄入冀调水2.531亿m3，挟带泥沙11.15万t。 观台水文站测验断面近20年来，仅在遭遇1996年和2016年特大洪水时发生了一定的冲淤变化，其他年份冲淤变化不大。 五、珠江 2016年珠江流域主要水文控制站实测水沙特征值与多年平均值比较，南盘江小龙潭、红水河迁江和郁江南宁各站实测径流量偏小6%～25%，其他站偏大7%～71%；北江石角站和柳江柳州站实测输沙量分别偏大17%和208%，其他站偏小11%～98%。 835附录
河流泥沙研究进展及发展趋势 李义天孙昭华 （武汉大学，水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉430072） 摘要：河流泥沙研究包括泥沙运动力学、河床演变学及以此为基础的河流模拟，是水利、地学及生态环境等学科的重要基础之一。近些年来各大流域中出现的多种泥沙相关问题，使泥沙研究扩展到区域及流域泥沙及工程及环境泥沙问题等方面。由于河流泥沙研究的许多理论还有待完善，而江河治理开发实践中遇到的实际问题异常复杂，现有理论和方法还难以使所有问题得到圆满解决。因而，今后在继续深入研究泥沙基本理论的同时，应加强水沙变异条件下河床演变规律的研究，并从流域整体的角度，扩展研究的时间尺度、空间尺度，分析泥沙输移的规律及其造成的环境影响，探索水沙调控的理论与技术。 关键词：河流泥沙研究进展发展趋势 Review and perspective of river sediment research Yitian Li Zhaohua Sun
(State key laboratory of water resource and hydropower engineering science, Wuhan University, Wuhan 430072, China) Abstract:As the foundmantal theory of hydraulic engineering, geomorphology science and hydro-environment，river sediment research is developed to reveal the rule of sediment transport and to understand or predict fluvial processes. The goals of river sediment research have been broadened in recent years due to sediment related problems appeared in river management of large basins, which includes sediment problem of region or basin scale, interactions between hydraulic projects and environment. Since the basic theories underlying sediment movement and fluvial process still need to be improved, the sediment problem arose in engineering practice of river exploitation cannot be solved perfectly with current knowledge and technology. Consequently, it is argued that more efforts should be made in some key problems besides basic theoretical researches, such as channel responses to
7.有一条灌溉渠道，断面如图所示，通过粘性土壤地区，泥沙组成的平均粒径为0.03mm ，渠道长10公里，渠道坡降为1/3000，问引取清水，渠道水深为2m 时，会不会发生冲刷？如果发生冲刷，应如何修改渠道？（n=0.02） 解：（1）计算渠道水流的实际平均流速 渠道过水断面面积：m mh bh A 825.12122=?+?=+=， 湿周：m 21.825.11211222=?+?+=++=h m b χ， 水力半径：m 97.021 .88== = χ A R ， 根据谢才公式和曼宁公式计算渠道水流的实际平均流速： m/s .J R n RJ C U 89.03000197 .002 0112 1 3 2 2 13 2 =?? ? ????= = = （2）计算渠道泥沙起动流速 由于泥沙组成的平均粒径为0.03mm ，属于粗粉土，所以采用考虑粘性的张瑞瑾公式计算渠道泥沙起动流速了： m/s 59.0) 10 03.0(210000000605.01003.065.16.171003.0210000000605.06.1721 72 .03 3 14 .03 2 1 72.014 .0=??? ? ? ??+? +??????? ???=??? ? ? ?++-?? ? ??=---d h d d h U s c ρρρ由于U ＞U c ，即渠道实际平均流速大于泥沙起动流速，所以渠道会发生冲刷。 （3）为减少冲刷，可采用减缓渠道坡降的途径来修改渠道。 10.河道左岸有一座灌溉引水闸，闸底高出河底2米，当河道流量为1000m 3/s ，河宽为100m ，水深为5m ，水温为20℃时，问粒径为1mm 的泥沙会不会进入渠道？哪种粒径的泥沙会进入渠道？（河道断面接近矩形） 解：（1）若要使粒径为1mm 的泥沙进入渠道，需使河道断面平均流速大于或等于泥沙扬动流速，即s U U ≥，其中： 河道断面平均流速： /s 25 1001000m A Q U =?== ，
2005年《水力学及河流动力学》硕士研究生复试题 姓名成绩 一、填空题 1.在闸门局部开启时，随上游和下游水位的变化，过闸水流可能形成的流态有： ，，，。 2.过闸水流与下游水流的衔接形态根据 可分为，，。 3.根据下泄水流主流的相对位置，消能可分为、、 三种主要消能方式。 4.渗透破坏主要有、、、 。 5.避免渗透破坏的方法有：、、 、。 6.溢洪道布置形式有：、、 、。 7.拱形溢流坝下泄水流的主要特点是：， 。 8.高速水流常形成一些特殊的水力现象，例如： 。9.明渠水流流经河底障碍物时，若水流处于状态，则水面发生 ；若水流处于状态，则水面发生。 10.描述水流运动的三大基本方程是：， ，。 11. 建立推移质输沙率公式的指标可用：，， ，，。 12.按泥沙运动状态，可将泥沙分：，，。 13.冲积河流的河型有：，，，。 14.影响河床演变的主要因素是：，， ，。 15.影响泥沙沉降速度的因素主要有：，， ，，。 16.水流挟沙能力是： 。 影响水流挟沙能力的因素有和两类。 17.沙波按其产生和发展过程可分为：，，， ，等五个阶段。
18.用河宽、水深、流速与流量表示的横断面河相关系的表达式为 ， ， 。 19.水流动力轴线是 。 20.细颗粒泥沙具有双电层结构，其形成的束缚水由 和 组成。 二、问答题 1.简述明渠渐变流与急变流的水力特性。 2.底流消能率主要决定哪一个参数，若单宽流量增大，将对消能率产生何影响？请证明你的观点。 3.简述高水头、大流量条件下的泄洪消能布置方式。 4.分析水流掺气对生态环境的影响 5.何为河流的自动调整作用？若在河道上筑坝蓄水，坝下游河段将如何进行调整？ 6.阐述弯曲型河道的演变规律。 7.比较泥沙的起动切力与起动流速的优缺点。 8.挟沙力公式m gR U k S )( 3 *ω =右边的物理意义？要率定系数k 和指数m ， 需要收集哪些资料？运用该式时应注意什么问题？ 9.现要在天然河道中布置取水工程，应收集那些资料，进行那些问题的分析？ 10.图中有两球，已知21d d =，水深21H H >，流速21U U =，试问随着水流平均流速的增大，哪一颗球容易起动？为什么？ H 2 d1 d2
浅谈河流泥沙的运动规律 摘要：泥沙在河流水流的作用下，有一定的运动形式，沿河底滑动、滚动或跳跃，这种运动形式称为推移质；被水流挟带随水流悬浮前进，这种运动形式称为悬移质。由于天然河道同一河段流速随时间、沿程发生变化，各河断及各时段在流速较小时，细沙也可呈推移质形式运动；而流速增大时，粗砂也可转化为悬移质。因此，实际情况中推移质和悬移质处于不断调整中，情况很是复杂。本文着重讨论了悬移质泥沙的运动规律。由于脉动，不同瞬时或短历时测量的悬移质含沙量就不会稳定，不能反映它的变化趋势，因此，悬移质含沙量等水文要素的测量应持续一段时间，最好大一个脉动周期。 关键词：河流泥沙；运动；规律；挟沙能力；脉动 该式结构特点表明，河流流速大、泥沙颗粒小、水深浅，则挟沙能力强。水流挟沙能力一般指各级颗粒的沙源均为充足条件下的平衡含沙量，并不代表水流的实际含沙量，各级颗粒的沙源不充足会出现非饱和输沙，条件特殊时也会出现超饱和输沙。但是，水流挟沙能力仍是分析河床冲淤或平衡问题的常用概念，当水流挟带的悬移质泥沙超过河段的水流挟沙能力时，这个河段必将发生淤积；反之，则会发生冲刷。 2悬移质的时空分布规律 2.1河流泥沙变化的影响因素 河流从流域挟带泥沙的多少与流域坡度、土壤、植被、季节性气候变化，降雨强度以及人类活动等因素有关。河流泥沙随时间的变化，也就取决于这些因素随时间的不同组合和变化。来源于地势、地形、土壤性质和植被状况等下垫面条件不同的地区河流的洪水，挟带的泥沙将会有显著的差别，多沙河流与少沙河流与流域下垫面状况紧密相关。另外，对于冲积性河流，其承水河床由长期冲积的泥沙构成，水流流经这样的河段，常会挟带或沉积大量泥沙。季节性的气候变化对河流泥沙的变化也有一定的影响。汛前由于降水少，土壤疏松、干燥、抗冲能力差，因此，初夏的暴雨洪水常挟带较多的泥沙，秋末洪水含沙量较少。降雨强度对河流泥沙的影响是：雨强大，则侵蚀能力强，从而使河流挟带的泥沙增多。河流输沙量集中在汛期，而且主要集中在几次大洪水中，其原因也在于此。人类活动使流域产沙条件发生变化。如修建道路、毁林垦荒，将导致河流泥沙增加；而封山育林、开展水土保持，又可减少河流泥沙；修建水库，常会沉积泥沙。这种影响将使河流泥沙发生系统性变化。 2.2泥沙的脉动 脉动是忽大忽小不停波动变化的现象。悬移质泥沙悬浮在水流中，与流速脉动一样，含沙量也存在着脉动现象，而且脉动的强度更大。在水流稳定的情况下，断面内某一点的含沙量是随时变化的，它不仅受流速脉动的影响，而且与泥沙特性等因素有关。由于脉动，不同瞬时或短历时测量的悬移质含沙量就不会稳定，不能反映它的变化趋势，因此，悬移质含沙量等水文要素的测量应持续一段时间，最好大一个脉动周期。 2.3悬移质泥沙的垂直分布 悬移质含沙量在垂线上的分布，一般从水面向河底呈递增趋势。含沙量垂向的变化梯度还随泥沙颗粒粗细的不同而异，颗粒较细的泥沙，其垂直分布也均匀，而对于较粗泥沙，则梯度
河流泥沙运动学基本理论综述 【摘要】河流泥沙研究主要是研究河流中的泥沙运动规律及特点、泥沙运动基本理论等，进而解决水利工程中对应的河流泥沙问题。河流泥沙动力学基本理论包括：泥沙的沉降特性、泥沙的起动特性、悬移质运动规律、推移质运动规律、水流挟沙力、非平衡输沙、泥沙运动统计理论、异重流运动理论、波流作用下的泥沙运动理论等[1]。本文主要对河流泥沙运动学基本理论进行简要综述。 【关键词】河流泥沙运动学；基本理论 河流泥沙学科是一门综合性的基础技术学科，研究泥沙在水体中的输移、悬浮、冲刷、淤积的规律，是水力学科的基础理论之一，包括了泥沙运动力学、河床演变与整治、工程泥沙、航道与港口治理、水土流失与治理等多方面的内容，涉及水文学、水力学、地理学、以及环境与生态学、沉积学等多个学科[1]。通过对于河流动力学课程的学习和一系列论文的翻阅，现将河流泥沙运动学基本理论的相应进展做以综述，由于能力和资料的有限，望老师批评指正。 1.河流泥沙研究的发展历程 我国河流泥沙研究的历史可追溯至修建都江堰工程时期，李冰父子通过引用鱼嘴分水堤，飞沙堰溢洪道，宝瓶口进水口三大部分和百丈堤、人字堤等附属工程，科学地解决了岷江的泥沙等问题，消除了水患。今年来，我国的钱宁等老一代科学家通过其不断努力，逐步完善了理论研究体系，形成了一系列系统的学科，且成功的将这些理论运用到实际工程当中，解决了诸如三峡，小浪底等水利工程的泥沙问题 2.我国河流泥沙研究成果 我国是世界上河流最多的国家之一，有许多源远流长的大江大河。其中流域面积超过1000平方千米的的河流就有1500多条。我国的水资源具有四大特点：水多、水少、水脏、水混。其中水混即河流中携带大量泥沙，导致了水土流失严重、河床抬高等一系列严重的问题，以黄河最为严重，这些问题给我过的水利水电工程建设、河道防洪和沿河道人民的日常生活都带来了严重的影响。由于突出的泥沙问题和资源，我国的泥沙学科发展迅速，取得了巨大成就，研究在世界上也有着极高的地位。 2.1 河流泥沙运动学基本理论 2.1.1泥沙的起动特性 3.结束语 河流泥沙学科是个古老而年轻的学科，它与水文学、水力学、地貌学、地
XX年《水力学及河流动力学》硕士研究生复试题 姓名成绩 试卷说明：填空题和选择题为必做题，问答题共8题，可任选4题。若考生选做超过 4题，则依所选题序，以前4题为准，以后各题均不计分。 考试时间：120分钟，总成绩：100分 一、填空题（每空0.5分，共18分） 1.按泥沙运动状态，可将泥沙分：床沙，推移质，悬移质。 2.冲积河流的河型有：顺直型，弯曲型，分汊型，游荡型。 3.影响河床演变的主要因素是：来水量及其过程，来沙量及其过程， 河谷比降，河床形态及地质条件。 4．边壁阻力和床面阻力的划分方法有两种，一是爱因斯坦的水力半径分割法， 根据此法，如将床面阻力进一步划分为沙粒阻力和沙波阻力，则床面水力半径 R b 应等于'' ' b b R R+；二是能坡分割法，根据此法，如将床面阻力进一步划分 为沙粒阻力和沙波阻力，则床面比降J b 应等于'' ' b b J J+。 5．沙波按其产生和发展过程可分为：静平床，沙纹，沙垄，动平床， 沙浪等五个阶段。 6.过闸水流与下游水流的的衔接形态根据跃后水深与下游水深的关系可分为 淹没水跃、临界水跃和远驱水跃。 7．按照主流的相对位置，消能可分为：底流，挑流和面（戽）流三种主要消能方式。 8.明渠水流流经河底障碍物时，若水流处于急流状态，则水面发生 壅高；若水流处于缓流状态，则水面发生跌落。 9.渗透破坏主要有：管涌、流土、接触流失 和接触冲刷。 10.根据上游堰高对堰泄流能力有无影响，实用堰可分为高堰和低堰。 二、选择题（每选对1个给1分，共22分） 1、悬移质泥沙根据造床作用的不同，可划分为床沙质和冲泻质，床沙质与水流条
件 a ，冲泻质与水流条件 b 。 （a ）关系密切； （b ） 关系不密切 （c ） 加阻 2、如果泥沙进入河道后一直保持悬移运动而输运入海，从不落淤到床面，则称其为___b___。 (a) 床沙质； b) 冲泻质； c) 悬移床沙质。 3、宽浅输水渠道底部为泥沙淤积形成的动床。不计边壁阻力，在其他条件都相同的情况下，当渠道底部有沙垄运动时，与渠道底部为动平整时相比，该渠道的水流阻力__a_______。 (a) 增加； (b) 不变； (c)减少。 4、作用于床面上的全部剪切力中只有一部分对沙波的形成（也即推移质的运动）直接起作用，这就是所谓的 a 。 (a) 沙波阻力; (b) 沙粒阻力; (c) 突然放大损失。 5、悬沙浓度分布公式的悬浮指标* u Z κω=，若泥沙容重和水流条件不变，则泥沙颗粒越粗，悬浮指标___a___。 (a) 越大； (b) 越小； (c) 不变。 6、描述水流运动的基本方程有 a 、b 、c ： a) 连续方程；b) 动量方程；c) 能量方程； 7、工程上避免和减少空蚀破坏的措施有__a 、b 、c 。 a) 调整体型； b) 掺气； c) 使用抗空蚀材料。 8、在有压管道的管壁上开一小孔，如果没有液体流出，且向孔内吸气，这说明小孔内液体的相对压强_a___ 。 a) 小于零； b) 等于零； c) 大于零。 9、高速水流常形成一些特殊水流现象，如 a 、b 、c 等。 a) 掺气； b) 空化； c) 冲击波。 10、避免渗透破坏的方法有__a 、b 、c___ 。 a) 增大渗径； b) 降低渗透坡降； c) 降低出口渗透压力。 11、河相关系的表达式有 a 、b 、c 。 a ）11βαQ B =， b ）22βαQ H =， c ）33βαQ U = 三、 问答题（任选4题，每题15分） 1. 沙粒在水中匀速沉降时，受到哪些力的作用？这些力与绕流状态的关系如何？（15分） 答：泥沙沉降主要受到沙粒的有效重力和绕流阻力作用。绕流阻力与绕流状态有关，泥沙沉降过程中有三种绕流状态：即层流沉降、过渡区沉降和紊流沉降。