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《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。
绪论1、河流动力学的概念：河流动力学是研究冲击河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后所发生的变化和发展规律的一门科学。
河流变化是水流与河床相互作用的结果：水流是动力条件，河床是边界条件；通过泥沙交换来相互作用。
本课研究内容：水流结构，泥沙运动，河床演变及预测。
谢才公式曼宁公式对数流速垂线分布摩阻流速u*=（gHJ）0.5第一章泥沙特性1泥沙的基本特性：几何特性，重力特性，水力特性2等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径（详见p5）算术平均值，几何平均值3泥沙的孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比成为孔隙率4泥沙孔隙率的影响因素：泥沙孔隙率因沙粒大小及均匀度，沙粒的形状，沉积的情况及沉积后受力及历时长短5比表面面积：颗粒表面及与体积之比。
表达式：6/D详见p86沙粒的干容重与干密度：经过100～105度烘干后的沙样质量与为烘干前原样沙体积比（概念，影响因素及规律详见p10～11）影响因素：泥沙颗粒大小，组成均匀程度，淤积深度，淤积历时，泥沙的化学成分，淤积环境及水文条件等。
7干容重的影响因素：1）泥沙粒径2）泥沙淤积厚度3）淤积历时8泥沙沉速：单颗粒泥沙在无大静止清水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度9影响沉速的因素：绕流状态，泥沙形状，水质，含沙量等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<20mm）；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。
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。
第一次作业参考答案——第二章2.2 100号筛孔的孔径是多少毫米？当泥沙粒径小于多少毫米时就必须用水析法作粒径分析答：1）根据N 号筛的定义：1英寸内有N 个孔就称为N 号筛。
1英寸=25.4mm.。
可知如果网线直径为D ，则N 号筛的孔径计算公式如下:(25.4－D ×N)/N=25.4/N-D但本题并没有给出100号筛的网线直径，无法用公式进行计算。
经查表可得，100号筛孔的孔径为0.149mm （表2-2）或是0.147mm （表2-4）。
2) 对于粒径小于0.1mm 的细砂，由于各种原因难以用筛析法确定其粒径，而必须采用水析法作粒径分析。
注：第一问因为筛的网线直径可能不一样，所以以上两个答案都正确2.5什么是级配曲线？给出中值粒径，算术平均粒径，几何平均粒径的定义或定义式？ 答：1）在仅以横轴采用对数刻度的坐标上，以粒径为横坐标，以小于粒径D 的重量百分比即小于该粒径D 的泥沙颗粒重量在总重量中所占比例为纵坐标，点绘数据连成的曲线，称为累计频率曲线，亦称级配曲线。
2）中值粒径即累积频率曲线上纵坐标取值为50%时所对应得粒径值。
换句话说，细于该粒径和粗于该粒径的泥沙颗粒各占50%的重量。
3）算术平均粒径即各组粒径组平均粒径的重量百分比的加权平均值，计算公式为∑=∆•=ni iim p DD 110014）几何平均粒径是粒径取对数后进行平均运算，最终求得的平均粒径值。
计算公式为)ln 1001ex p(1∑=∆•=ni i imgp DD注：关于级配曲线的定义错的比较多，并不是以粒径的对数或是负对数为横坐标，也不是按几何级数变化的粒径尺度为分级标准……只要跟上述表达的意思一致都为正确答案。
2.6某海滩的沙粒粒度范围是 1.43.6φ=-，试给出以毫米为单位的颗粒粒径范围解：因为D 2log -=Φ，其中D 为颗粒粒径，所以可得到2D φ-=3789.0224.111===-Φ-D ，0825.0226.322===-Φ-D所以颗粒的粒径范围为0.083mm-0.379mm 。
第四章床面形态与水流阻力当水流强度达到一定程度、河床表面推移质泥沙运动达到一定规模，河床表面会表现起伏不平但又看似规则的波浪状形态，称为沙波。
4.1 沙波形态和发展过程随着水流强度的不断变化，沙波有其产生、发展和消亡的过程。
4.1.1沙波的纵剖面形态和运动状态通过玻璃水槽实验，可以得到河床表面沙波纵剖面形态如书上图4-1所示。
图中向上隆起的最高点部分称为波峰，向下凹入的最低点部分称为波谷；相邻两波谷之间或相邻两波峰之间的距离，叫做波长γ；波谷至波峰的铅直距离叫做波高hs。
沙波表面附近的水流流速是不均匀的，迎流面比较平坦，背流面泼面较为陡峻。
水流在沙波迎流面较为平顺，而越过波峰之后，常发生分离现象，形成横轴环流。
在沙波的迎流面由于水流流速沿程递增，泥沙发生冲刷；在沙波的背流面，受横轴环流的影响，泥沙发生淤积。
沙波迎流面冲刷、背流面淤积的综合结果，形成整个沙波向下游“爬行”的运动态势，称之为沙波运动。
4.1.2沙波的发展过程随着水流强度的加强，沙波运动及其相应的床面形态可分为5个不同的发展阶段。
1.沙纹试设想水流流过平整的河床床面，在水流达到一定强度以后，部分沙粒开始运动，此后不久，少量沙粒聚集在床面的某些部位，形成小丘，徐徐向前移动加长，最后连接成为形状极其规则的沙纹。
沙纹的尺度极小，波长短，波高低，与平均水深的关系不大，在深水区和浅水区都有可能形成。
2.沙垄随着流速的增加，沙纹发展成为沙垄。
沙垄的尺寸与水深有密切关系。
在平面外形上，在水流强度逐渐加大的过程中，沙垄将自顺直发展到弯曲、成悬链和新月形。
顺直的带状沙垄沿河宽的尺寸远较沿流向的尺寸为大。
在弯曲的河段的凸岸沙滩上，常分布有带状沙垄，朝下游方向伸向凹岸，脊线位置与把泥沙沿河床带向凸岸的底流相垂直，而与表层水流形成一较大的偏角。
3.过渡、动平整在沙垄发展到一定高度以后，如果流速继续增大，沙垄转而趋于衰微，波长逐渐增大，波高逐渐较小，最后河床再一次恢复平整。
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》期末考试复习-单选题第一章绪论1.河流的发展变化是（）与河床相互作用的结果。
［单选题］* A水流（正确答案）B泥沙C河床D河流2.（）是河流动力学研究的核心内容。
［单选题］*A水流紊动B河床演变C泥沙运动（正确答案）D在实际工程中的应用第二章水流的紊动3.紊流中各水层的（）不断进行交换产生了紊动应力。
［单选题］*A热量B质量C动量（正确答案）D含沙量4.在紊流中，总切应力应为：（）。
［单选题］*du T —/——+pU V加AB C D （正确答案） （），将不同壁面条件对数流速分布公式合成一个公式第三章泥沙特性 6.泥沙等容粒径的表达式（）。
［单选题］*5.爱因斯坦于1950年引入的形式。
［单选题］*A 摩阻流速u*B 校正参变数x （正确答案）C 粘性底层厚度8A（正确答案）d-A+c)B7.对于粘粒和粉粒，可采用的量测方法是（）。
［单选题］* A直接测量法B筛析法C水析法（正确答案）D筛析法和水析法都可以8.根据泥沙粒配曲线可以看出，沙洋组成最均匀的是（）。
［单选题］*A曲线aB曲线bC曲线cD曲线d（正确答案）第四章推移质运动图（9题-15题）9.如图所示，a表示（）。
［单选题］*A静止河床（正确答案）B层移区C床面层D悬移区10.如图所示，b表示（）。
［单选题］*A静止河床B层移区C床面层（正确答案）D悬移区11.如图所示，c表示（）。
［单选题］*A静止河床B层移区C床面层D悬移区（正确答案）12.如图所示，d表示（）。
［单选题］*A推移质B悬移质（正确答案）C床沙质D冲泻质13.如图所示，e和f表示（）。
［单选题］* A推移质和悬移质B床沙质和冲泻质C接触质和跃移质（正确答案）D层移质和河床质14.如图所示，g表示（）。
［单选题］*A推移质B悬移质C床沙质D床沙（正确答案）15.如图所示，h表示（）。
［单选题］*A推移质（正确答案）B悬移质C床沙质D河床质16.随着水流强度的逐渐增加，沙波运动各阶段的顺序正确的排列是（）。
河流动力学复习整理(0)河流动力学概念:研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后河道水流、泥沙运动规律与河床演变规律及其应用的学科。
主要研究内容: 水流结构:研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;泥沙运动:研究泥沙冲刷、搬运与堆积的机理; 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; 河床变形预测:研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法、研究方法: 理论分析, 室内试验,现场观测,数值计算(1)河道水流的基本特性:河道水流的二相特性;河道水流的三维性;河道水流的不恒定性;河道水流的不均匀性河道水流的水流结构:主流,副流,环流二维明渠流速的分布规律:1、直线层,也成粘滞底层,切应力只有粘滞切力,流速按直线分布2、过渡层,粘滞切力与紊动切力同时存在,流动就是层流与紊流的过渡区,该层没有统一的流速分布公式,近似按直线层或对数层公式计算3、对数层,切应力主要就是紊动切应力,流速按对数分布4外层区、在对数层以上到水面的区间,切力主要就是紊动力,流速分布常以缺速公式表示,故也称缺速区。
流速分布要受上部边界影响,与边壁糙率也有一定关系。
河道水流阻力分解图:见ppt1 76页明渠二维流的阻力损失表达方式:见ppt1 77页(3)按运动状态分,泥沙的运动形式有:(床沙),推移质、悬移质泥沙交换现象:推移质泥沙运动特点:间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量少、消耗时均能量悬移质泥沙运动特点:速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能冲泄质:河流挟带的泥沙中粒径较细的部分,且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙。
床沙质:河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分,且在河床中大量存在的泥沙。
两者主要区别:1、前者就是非造床质泥沙,后者就是造床质。
2、前者粒径较小,后者粒径较大3、前者在水流中的含量不仅取决于水流条件,还与河段上游流域供沙条件有关。
推移质~悬移质与床沙质~冲泄质命名的区别:前者按运动方式分;后者按造床作用、颗粒大小与泥沙来源分。
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。
河流动力学River Dynamics目录4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动4.3 沙波运动三、河床床面形态的判别4.3 沙波运动三、河床床面形态的判别4.3 沙波运动三、河床床面形态的判别4.3 沙波运动三、河床床面形态的判别4.3 沙波运动4.4 冲积河流的阻力4.4 冲积河流的阻力J, n, R, U •恒定均匀流的断面平均流速公式•阻力方程(公式)•水位-流量关系若A,J,Q经验、半经验公式4.4 冲积河流的阻力4.4 冲积河流的阻力1616*8 5.75lg 12.277.66s s U C f K K R R R U g n gχ⎛⎞⎛⎞=====⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠4.4 冲积河流的阻力推求τb 和τw 的方法 水力半径分割法 能坡分割法爱因斯坦方法二、床面阻力与河岸阻力的划分4.4 冲积河流的阻力RJτγ=4.4 冲积河流的阻力4.4 冲积河流的阻力J：J b w4.4 冲积河流的阻力221/2b w bw n =(n +n )χχχχ3/23/2(b bw n nn χχχχ=+4.4 冲积河流的阻力爱因斯坦方法4.4 冲积河流的阻力三、床面阻力计算的阻力叠加法* 5.75lg 12.27b s R UU K χ⎛⎞′=⎜⎟′⎝⎠()s bD R J ρρψρ−′=′4.4 冲积河流的阻力恩格隆(Engelund, F)方法4.4 冲积河流的阻力b b b ′′′Θ=Θ+Θ无因次剪切应力()b b f ′Θ=Θ4.4 冲积河流的阻力4.4 冲积河流的阻力4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率如何确定u、m、K ？4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率4.5 推移质输沙率爱因斯坦输沙率公式*2*01111B t B p e dtψηψηπ−−−−=−∫冲刷外移概率：4.5 推移质输沙率二、以拖曳力为主要水流强度指标的的动力学派4.5 推移质输沙率。
