《河流动力学》

《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。

《河流动⼒学》
《河流动⼒学》课程教学⼤纲
课程编号：030054 学分：2 总学时：34
⼤纲执笔⼈：刘曙光⼤纲审核⼈：匡翠萍
⼀、课程性质与⽬的
《河流动⼒学》是港⼝航道与海岸⼯程专业本科⽣的必选专业基础课程。

通过本课程的学习，使学⽣了解和掌握冲积河流在⾃然状态以下及受⼈⼯建筑物影响以后所发⽣的变化和发展规律，为学习港⼝及航道⼯程专业课打下基础。

⼆、课程基本要求
1、熟练掌握泥沙运动基本规律，包括泥沙特性、推移质运动悬移质运动和异重
流。

2、熟练掌握河床演变特性，包括局部河段的河床演变和潮汐河⼝的河床演变
3、熟练掌握河床演变及河床变形计算
三、课程基本内容
第⼀章、泥沙特性
第⼆章、推移质运动
第三章、悬移质运动
第四章、异重流
第五章、平原河流的河床演变
第六章、潮汐河⼝的⽔流泥沙特点及河床演变
第七章、河床演变分析与河床变形计算
四、实验或上机内容
⽆
五、前修课程要求
⽔⼒学、流体⼒学、⼟⼒学等
七、教材与主要参考书
1、《河流动⼒学》，王昌杰主编，⼈民交通出版社，2001
2、《河流动⼒学基础》，王兴奎等编著，⾼等教育出版社，2004，
3、《泥沙输运理论与实践》，杨志达著，中国⽔利⽔电出版社，2002
4、《泥沙运动⼒学》，钱宁、万兆惠著，科学出版社，1983
5、《河床演变学》，钱宁、张仁、周志德著，科学出版社，1987。

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。

河流动力学河流动力学(riv e r d ynamic s)研究河流运动发展基本规律的一I丁学科。

水流使河床变化，河床影响水流结构，两者通过泥沙运动，相互作用，相互依存，相互制约，经常处于变化和发展的过程中。

河流动力学是从水流动力作用出发研究水流和河床泥沙之间的运动及相对平衡的规律，为整治河流提供理论依据。

研究内容包括河道水流结构，泥沙运动规律和河床演变规律等三部分。

水流平面图(river p1ane) 在平面上将河流分成若干流量相等的流束图形。

天然河流中的水流运动是三维问题，不易计算。

实际工程中采用一种近似的方法，假定同一垂线上的流向相同，流速等于瑟线平均流速，仅考虑纵向水流沿纵横两方向的变化，忽ßI各环流作用。

把三维空. 问问题近似地简化成二维平面问题。

水流平面图是将整个水流用合适的流线分成许多流束，使各流束通过的流量相等，各流束宽度、深度和平均流速则不相同。

同时划分出若干与流线正交的横断面线，将河流构成平面上的矩形流网。

通过水流平面图可了解垂线平均流速沿流程和沿断面'f~ 分布及流向的变化。

河床横断面(cross sec t ion ofcha丑丑e1) 垂直于水流方向的河床，3d 面。

水流方向是指水流动力轴线的方向，当洪水、中水、枯水流的动力轴线不一致时，选取河床横断面的方向也有所不同，应根据需要选定。

若研究防洪问题，应取与洪水的动力轴线垂直的断面为河床横断面，又称"大断面"。

若以航道整治为目的，取与枯水的动力轴线垂直的断而为河床横断面，主要研究枯水河床的边滩、浅滩、深槽等变化。

山区河流的横断面，因受河流下切作用，汩谷往往发育为"V" 形或"U" 形。

平原河流是从冲积层上流过，所经之处地势平坦，河谷宽阔，河床横断面呈抛物线形、不对称的三角形或复式"W" 形。

河床纵剖面(longitudin a l profileof channe1) 沿河流动力轴线所切取的河床剖面。

河流的基本功能(1)输运功能(将流域降水形成的径流和坡面系统侵蚀产生的泥沙向海洋排泄,同时维持河道的正常演变)(2)水源功能(地表水源和地下水补给源)(3)汇水功能(保证自净能力的前提下承纳工农业和城镇生活污水)(4)栖息地功能(陆生及水生生物)(5)天然屏障功能(如塔里木河阻止塔克拉玛干沙漠向北移动)本课程特点1、以泥沙起动、推移质运动和悬移质运动的运动规律的分析理解作为重点。

2、弄清其物理概念，分析影响因素。

本课程中的众多经验和半经验公式，不必背诵，在了解公式推导过程后，注意力放在弄清其物理概念，分析影响因素，注意其建立条件和适用范围等方面。

恒定流：流场中液体质点通过空间点时所有的运动要素都不随时间而变化的流动称为恒定流非恒定流：均匀流：涉及运动的各物理量沿流程不变的水流为均匀流。

非均匀流：液流的两种流态层流:质点不混掺。

紊流:质点混掺,河道水流的不恒定性：河道水流的不恒定性主要表现在两个方面：一是来水来沙情况随时空的变化，这与水力学相同；二是由于河床经常处于演变之中，因此河道水流的边界也随时空文化河道水流一般特性：二相，三维，非均匀，非恒定的紊流。

第一节风化过程风化作用:岩石和矿物在地表环境中，受物理，化学，生物作用发生体积变化和化学成分变化的过程。

流域地表的侵蚀影响因素气候土壤地形地貌人类活动1、侵蚀模数：每平方公里地面每年冲蚀若干吨泥沙来衡量，称为侵蚀模数，也称输沙量模数2、含沙量：每单位体积河水中的泥沙重量表示河流的含沙量。

单位：kg／m3等容粒径一、定义：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。

二、计算方法：体积法求粒径(理论上)重量法求粒径（适用于单颗粒砾石）筛分粒径：一、定义泥沙颗粒刚好通过正方形筛孔的边长。

（筛析法适用于称重不方便时）筛号与孔径之间关系见教材p24二、计算、沉降粒径：一、定义：泥沙在静水中等速下沉时的速度对应的粒径二计算方法：测量泥沙在静水中的沉降速度，按照粒径与沉速的关系式换算成的粒径(沉降法适用于粒径在0.1mm以下)中值粒径：在全部沙样中，大于和小于这个粒径的泥沙重量刚好相等。

河流动力学河流动力学是研究河流中水的运动规律和力学过程的学科。

河流是地球上最重要的水文系统之一，其水动力过程直接影响河流的形态演变、水质分布与传输、洪水灾害等一系列问题。

河流动力学的研究对于水资源的合理利用和河流生态环境的保护具有重要的意义。

河流动力学的研究对象是河流中的水流运动。

水流运动的基本特征是流速的变化和流向的变化。

河流中的水流运动是由各种力共同作用的结果。

其中，重力是主要的驱动力，它使得水从高处流向低处。

此外，摩擦力、浮力、惯性力等也参与了水流运动的过程。

河流中的水流运动是复杂而多变的，受到多种因素的影响。

首先，地形起伏是决定河流水流运动的关键因素之一。

地形起伏的不同会导致水流的变化，形成急流、激流、漩涡等不同的水流形态。

其次，河道断面形状和河床材料的不同也会对水流产生影响。

河道断面的变化会改变水流的流速和流向，而河床材料的不同也会影响水流的摩擦力和阻力。

再次，气候条件也是影响河流水流运动的重要因素。

气候条件的变化会导致水量的增减，从而影响水流的流速和流向。

河流动力学的研究方法主要包括实验研究和数值模拟两种。

实验研究是通过在实验室中模拟河流水流运动的过程，通过测量和观察来获取相关数据和现象。

实验研究的优点是可以对实验条件进行控制，可以获得较为准确的数据。

但是，实验研究也存在着实验条件的限制和实验结果的局限性。

数值模拟是通过建立数学模型来模拟河流水流运动的过程，通过计算机模拟来获取相关数据和现象。

数值模拟的优点是可以对不同条件进行模拟和预测，可以研究大尺度和长时间尺度的问题。

但是，数值模拟也存在着模型参数的选择和计算精度的限制。

河流动力学的研究成果在工程实践中得到了广泛的应用。

例如，河流动力学的研究可以为河流治理和水利工程的设计提供依据。

通过研究河流的水流运动规律，可以预测河流的演变趋势，为河道整治和防洪设计提供科学依据。

此外，河流动力学的研究还可以为河流生态环境的保护和修复提供理论支持。