河流动力学第一章

《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。

第一章泥沙特性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<20mjm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。

颗粒比表面积间接反映颗粒受到的物理化学作用与重力作用的相对大小。

6. 絮凝：当扩散层较薄，颗粒间距较小时，粒间力表现为净引力。

相邻的颗粒彼此相互吸引而聚合在一起的现象。

影响絮凝因素：粒径大小，电解质离子浓度、价位，矿物组成。

7. 双电层：细颗粒泥沙在含有电解质的水中，颗粒周围会形成双电层，细颗粒泥沙通常在含有电解质的水中会发生两种情况（均带负电）：一是电解质中离子吸附在泥沙颗粒表面；二是泥沙颗粒表面分子发生离解。

双电层分为吸附层（带正电荷，且排列紧密），扩散层（游离反电荷层）8. 几何特性（颗粒形状、大小、群体泥沙组合特性）；重力特性（泥沙颗粒容重、淤积泥沙干容重）；水力特性（泥沙颗粒沉降速度）9. 泥沙容重（或密度）：泥沙颗粒实有质量与实有体积之比，无因次数（有效容重系数）a=（r s-r）/r（容重关系式）=（p s-p）/p（密度关系式）10. 干重度：如取未经扰动的原装沙样，量出它的体积，然后在烘箱中内经100~105C的温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积之比，称为泥沙的干重度（或密度）。

11. 干容重影响因素：1泥沙粒径（粒径粗，干容重大，变化范围小）2泥沙淤积厚度（淤积厚度越深，干容重越大）3淤积历时。

12. 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。

河流动力学第一章泥沙特性1、等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。

设某一颗泥沙体积为V ，则等容粒径3/1)6(πV D =泥沙粒径可用长轴a ，中轴b ，短轴c 的算术平均值表示)(31c b a D ++= 假设成椭球体，用几何平均值表示3abc D =2、粒配曲线的作法：(图1-1 p6)①通过颗粒分析（包括筛分和水析），求出沙样中各种粒径泥沙的重量②算出小于各种粒径的泥沙总重量③在半对数坐标纸上，将泥沙粒径D 绘于横坐标（对数分格）上，小于该粒径的泥沙在全部沙样中所占重量的百分数p 绘于纵坐标（普通分格）上，绘出的D~p 关系曲线即为所求的粒配曲线。

3、粒配曲线特点曲线坡度越陡，表示沙样内颗粒组成越均匀，反之，不均匀。

4、粒配曲线特征值1）中值粒径50D ：是常用的特征值，它表示大于和小于该种粒径的泥沙重量各占沙样总重量的50%，即粒配曲线的纵坐标上找出p=50%，其对应的横坐标即为50D 2）平均粒径50D ：是沙样内各泥沙粒径组的加权平均值。

即粒配曲线的纵坐标（p ）按其变化情况分成若干组，并在横坐标（D ）上定出各组泥沙相应的上、下限粒径min max D D 和 以及各组泥沙在整个沙样中所占重量百分数i p ∆，然后求出各组泥沙的平均粒径32min max min max i min max D D D D D D D D i +++=+=或∑∑==∆∆=n i i n i i im pp D D 11n —为划分组数；2502σe D D m =，其中σ—沙样粒径分配的均方差，9.151.84ln D D =σ 当σ为零时，沙样均匀，50D D m =，一般沙样不均匀，σ总是大于零，因此，通常50D D m >3）分选系数（非均匀系数）25750D D S =，若0S =1，则沙样非常均匀，越>1，则越不均匀。

5、影响泥沙的孔隙率的因素①沙粒的大小 ②均匀度 ③沙粒的形状 ④沉积的情况 ⑤沉积后受力大小 ⑥历时长短泥沙越细，孔隙率越大；泥沙越均匀，孔隙率越大；越接近球体，孔隙率越大。

1.1试分析人工或天然水系中所谓的“死水”或“活水”是否属于动态系统。

它们是封闭系统还是开放系统？举例说明本校园内的人工河流、湖泊属于何种系统？答：“死水”或“活水”属于动态系统，“死水”是封闭系统，“活水”是开放系统。

校园内的人工河流、湖泊与外部环境既交换热量又交换物质，是开放系统。

1.2若一个封闭水体与外部环境只有能量交换（太阳能辐射），而没有物质交换（水量的流入流出），试分析水体的演变趋势。

考虑两种初始条件：①水体十分纯净，没有任何营养物和微生物；②受到污染的水体，有大量污染物和微生物存在。

答：①水体十分纯净，封闭的水体不会发生变化。

②受到污染的水体，有大量污染物和微生物存在。

在水体中会有微生物大量繁殖，水体会进一步污染恶化。

1.3仿照图1-1的例子，试举出更多的实例什么是不稳定、亚稳定和平衡状态。

答：一个圆锥体，以其尖端竖立在一个平面上，这些物体都处于不稳定状态。

翻倒后，处于亚稳定状态，一直要等到它们的重心相对地取得最低位置时，这些物体才会静止不动处于稳定状态。

1.4简要说明水文系统所包含的子系统，并指出我国大陆地区常见的子系统。

答：水文系统包含：1、大气层-海洋系统2、坡面系统3、海岸线系统4、河流系统5、冰川系统6、地下水系统7、风成沉积系统常见的有1、大气层-海洋系统2、坡面系统3、海岸线系统4、河流系统6、地下水系统7、风成沉积系统1.5在泥沙问题的研究中所采用的时间尺度有几种？它们适用于什么学科和什么问题的研究？答：三种。

地质学时间尺度以百万年计，研究地质旋回过程。

现代河流地貌学时间尺度为数十年至数十万年，研究侵蚀旋回。

工程学时间尺度为数天至数百年，降雨和水流与流域坡地、河道边界或人工建筑的相互作用及相应的演变过程。

前言1.河流动力学就是以力学及统计等方法研究河流在水流、泥沙和河床边界三者共同作用下的变化规律的学科！主要内容包括泥沙运动和河床演变！2.河流动力学的研究方法有理论研究、试验研究、原型观测、数学模型。

第一章1.P16等容粒径公式。

2.粒径大小分类、漂石、卵石、砾石、沙砾、粉粒、黏粒，3.有效密度的表示方法(PS-P)/P4.从自然界取得的原状泥沙，经过100到105度的温度烘干后，其质量与原泥沙整体体积的比值称为泥沙的干密度。

相应重量的比值称为干容重。

5.泥沙干密度主要受泥沙粒径、淤积厚度、淤积历时等因素的影响，注意图p21，P22的图6.在静水中的泥沙，由于颗粒之间的摩擦作用，可以堆积成一定角度的稳定倾斜而不塌落，倾斜面与水平面的夹角称为泥沙的水下停止角！第二章1泥沙沉降速度是指单颗泥沙在足够大的静止请水中等速下沉时的速度，简称沉速。

由于泥沙颗粒越粗，沉速越大，因此又被称为水力粗度!2雷诺数小于0.5为停滞性状态，大于1000属于紊动状态，介于之间属于过渡状态。

3影响泥沙沉降速度因素有，颗粒形状，边壁条件，含沙浓度，紊动，絮凝等4泥沙颗粒越细。

其比表面积越大，当泥沙粒径小于0.01毫米，颗粒表面的物理化学作用可使颗粒之间产生微观结构，随着这种颗粒泥沙的增加，相邻的若干带有吸附水膜的细颗粒便彼此连接在一起形成絮团，这种现象称为絮凝现象。

第三章注意资料计算题游荡型河段演变规律：形态特性，平面形态看，河身比较顺直，往往宽窄相间，类视藕节状，河段内河床宽浅，洲摊密布，岔道交织。

水流特性：因河床宽浅，平均水深很小。

水文特性表现为暴涨暴落，年内流量变化大。

输沙特性：含沙量大，而且同流量下含沙量变化很大，流量与含沙量关系不明显。

同意流量，因上站含沙量的不同，其输沙率相差很大，出现多来多排，少来少排现象。

演变规律：冲淤变化，汛期主槽冲刷，滩地淤积。

非汛期，主槽淤积，滩地坍塌。

从长时间看，表现为主槽淤积抬高，而滩地持续抬高。

1。

等容粒径（假定球体)D ： 算数品均值D ： 几何品均值（椭球体）D:泥沙级配曲线（群体性)：表示天然泥沙组成特性，在采集的代表沙样中，小于某种粒径的泥沙累计百分数与该粒径在半对数纸上的关系曲线.粒配曲线反映的特性⑴可反映沙样颗粒的大小和范围;⑵可反映沙样组成的均匀程度。

沙样的特征粒径：⑴平均粒径Dm ：粒径按其所占重量的百分比为权的加权平均值。

1100n i i m i P d d =∆⋅=∑，max min 2i d d d +=⑵中值粒径50d 表示在全部沙样中,大于和小于这一粒径的泥沙重量刚好相等。

求法:粒配曲线—P=50％天然沙的平均粒径常常大于中值粒径2。

细颗粒泥沙的物理化学特征.细颗粒泥沙在含有电解质的水中，颗粒周围会形成双电层。

通常细颗粒泥沙的主要成分是粘土矿物,它们在含有电解质的水中会发生两种可能：电解质中的离子吸附在泥沙颗粒表面；泥沙颗粒表面的分子发生离解。

不论哪种情况都使泥沙颗粒表面带有负电。

由于凝絮作用，细颗粒在沉积时会连结成絮团，絮团与絮团会连接成集合体，集合体还会搭连而形成网架。

絮凝的新沉积物是一个高度蜂窝状的结构,含水量很高，密度很低，这样的淤积物具有很低的抗剪强度或粘结力。

3。

沉速概念，泥沙沉降状态.单颗粒泥沙在无边界影响的静止清水中的匀速下沉的速度。

因数值主要和粒径有关，也称水力粗度，常用ω表示,单位：cm/s.沉降的形式,泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数Re d ωνd G ==沙粒性力水流粘Z 力（式中和d 、ω分别为泥沙的粒径及沉速，ν为水的运动粘滞性系数)①层流状态下降：Re d <0。

5,颗粒基本沿垂线下沉，颗粒不发生摆动、转动、滚动，周围水体不发生紊乱现象。

颗粒沉降属于层流状态，下降速度较慢,绕流阻力以摩擦阻力为主，压差阻力相对较小，d C 与Re d 呈直线关系②紊流状态下降：Re d >1000， 泥沙颗粒脱离铅垂线，以极大的紊动状态左摇右摆下沉,附近的水体产生强烈的绕动和涡动。

1•等容粒径（假定球体） D : ________ 算数品均值D : _________ 几何品均值（椭球体） D ： ____ 泥沙级配曲线（群体性）：表示天然泥沙组成特性，在采集的代表沙样中，小于某种粒径的 泥沙累计百分数与该粒径在半对数纸上的关系曲线。

粒配曲线反映的特性⑴可反映沙样颗粒的大小和范围； ⑵可反映沙样组成的均匀程度。

沙样 的特征粒径：⑴平均粒径Dm 粒径按其所占重量的百分比为权的加权平均值。

等。

求法：粒配曲线一 P=50狀然沙的平均粒径常常大于中值粒径 2•细颗粒泥沙的物理化学特征。

细颗粒泥沙在含有电解质的水中，颗粒周围会形成双电层。

通常细颗粒泥沙的主要成分是粘土矿物， 它们在含有电解质的水中会发生两种可能： 电解质 中的离子吸附在泥沙颗粒表面； 泥沙颗粒表面的分子发生离解。

不论哪种情况都使泥沙颗粒 表面带有负电。

由于凝絮作用，细颗粒在沉积时会连结成絮团， 絮团与絮团会连接成集合体， 集合体还会搭连而形成网架。

絮凝的新沉积物是一个高度蜂窝状的结构，含水量很高，密度 很低，这样的淤积物具有很低的抗剪强度或粘结力。

3•沉速概念，泥沙沉降状态。

单颗粒泥沙在无边界影响的静止清水中的匀速下沉的速度。

因数值主要和粒径有关，也称水力粗度，常用3表示，单位:cm/s.沉降的形式，泥沙颗粒在静 凶—沙粒G 性力 水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数 Red 一二一水流粘乙力（式中和d 、3分别为泥沙的粒径 及沉速，V 为水的运动粘滞性系数）①层流状态下降 ：Re d <0.5,颗粒基本沿垂线下沉，颗 粒不发生摆动、转动、滚动，周围水体不发生紊乱现象。

颗粒沉降属于层流状态，下降速度较慢，绕流阻力以摩擦阻力为主，压差阻力相对较小， Cd 与Re d 呈直线关系②紊流状态下 降：Re d >1000,泥沙颗粒脱离铅垂线，以极大的紊动状态左摇右摆下沉，附近的水体产生 强烈的绕动和涡动。

压差阻力远大于摩擦阻力，其大小与Re d 无关③过渡状态下降：Red =0.5~1000,泥沙沉降状态处于二者之间。

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。

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。