河流泥沙动力学-理工学院

河流泥沙动力学
河流泥沙动力学被认为是当今流体地质动力学发展的重要一环，它涉及和研究
物质在河流环境中的运动行为，从而影响河流谷地水文发育和河道演化。

河流泥沙动力学研究包括河流、河床、泥沙运动规律、河床修复、河道演化和河道应急护理等课题，在有序治理河流的工程项目的设计和实施中也扮演着重要角色。

鉴于河流泥沙动力学研究的重要性，国内外高校与高等教育机构重视大力发展
河流泥沙动力学教学及科学研究工作。

他们着力提升河流泥沙动力学课程内容的系统性、区域性以及实践性，开展系列重要的研究和试验工作，其中包括有时流体数值模拟系统构建，河流泥沙供需平衡分析，河床及河口质量评价，河口湖泊缓冲效果等。

此外，高校与高等教育机构还努力构建完善的河流泥沙动力学人才培养体系，
其中对专业人才的培养更是着力点之一。

他们采取多种形式，结合实际背景和用途，引进新的教育理念，构筑专业能力模型，提升学生独立解决实际河流问题的能力，进一步提高社会利用价值。

旨在加强学生对河流泥沙动力学知识和技能的学习，培养他们掌握先进理论及运用知识推进河流环境整治的能力。

河流泥沙动力学的研究和发展日益受到高校与高等教育机构的重视，构筑科学
完善的教学体系和人才培养体系，挥洒物质的活力，构建有序的河流管理机制，充分发挥河流泥沙动力学研究的成果，推进河流水环境改善工作，为人类社会所有受益。

河流动力学及泥沙汇报人：日期:•河流动力学概述•河流动力学的基本原理•泥沙的基本性质•河流泥沙运动的基本规律•河流泥沙问题的解决策略与案例分析•河流动力学及泥沙研究的前沿与展望01河流动力学概述河流动力学的定义和研究内容河流动力学的定义河流动力学是研究河流运动规律和物理机制的科学，它涉及到水文学、气象学、地貌学、物理学等多个领域。

研究内容主要包括河流的流速、流量、水位、水深、泥沙输移、河床演变等，以及由这些要素组成的流域水沙循环系统的宏观过程和微观机制。

河流动力学的重要性理论意义实践意义河流动力学的发展历程起源发展现状02河流动力学的基本原理动量方程描述水流中单位时间内动量守恒的原理。

能量方程描述水流中单位时间内能量守恒的原理。

连续方程水流运动的基本方程单位时间内通过某一断面的水量，通常用立方米/秒或加仑/秒为单位表示。

河流水位与流量流量水位流速流态河流的流速与流态阻力水流运动中受到的阻力，包括摩擦阻力、涡旋阻力等。

能量消耗水流运动中能量损失的大小，通常用能量方程计算。

河流的阻力与能量消耗03泥沙的基本性质根据泥沙的组成、搬运方式和沉积特点，可分为无机泥沙、有机泥沙和生物碎屑等。

特性泥沙具有不同的物理、化学和生物特性，如粒径、形状、密度、硬度、耐磨性等，这些特性影响其搬运、沉积和地貌形成的过程。

分类泥沙的分类与特性VS泥沙的搬运与输移搬运方式输移过程泥沙的沉积与地貌形成沉积类型地貌形成04河流泥沙运动的基本规律泥沙颗粒的碰撞与粘附泥沙颗粒的离散与聚集牛顿力学模型泥沙运动的力学模型01阻力与浮力的计算公式02阻力系数与浮力系数的确定03阻力与浮力对泥沙运动的影响泥沙运动的阻力与浮力床面形态的分类与特征水沙平衡的概念及建立床面形态对河流动力学行为的影响010203泥沙运动的床面形态与水沙平衡05河流泥沙问题的解决策略与案例分析03植物防护01河道整治02疏浚与清淤河流治理与泥沙控制的一般方法水库淤积由于入库水流携带的泥沙超过了水库的调节能力，导致水库淤积。

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 、ϕ（2575d 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、ϕ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：069.01008675.6141141==∆∆=∑∑==i ii iipj pdp d ， 非均匀系数：353.1041.0075.02575===d d ϕ。

半对数坐标纸上的沙重百分数p的分布图2468101214161820220.010.11粒径（mm）沙重百分数（%）半对数坐标纸上的粒配累积分布曲线1020304050607080901000.010.11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2468101214161820220.050.10.150.20.250.3粒径（mm）沙重百分数（%）方格纸上的粒配累积分布曲线10203040506070809010000.050.10.150.20.250.3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。

Chap1 泥沙特性本章知识要点：泥沙粒径表达形式泥沙的组成与粒配曲线比表面积的意义双电层与结合水泥沙干容重及其影响因素泥沙沉速与层流、紊流、过渡区絮凝现象● 泥沙来源：①流域地表冲蚀而来；②从原河床上冲起的。

● 土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域，相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度，加上人类活动，如盲目开垦等，含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流，年均含沙量高达300公斤/m 2以上，而南部一些省份，年均含沙量不足1公斤/m 2。

§1－1 泥沙的几何特性一、泥沙的粒径● 泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关，较粗的沿河底推移前进，碰撞机会多，动量较大易磨损；反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。

为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同，必须有某些指标对它们进行对比。

泥沙的形状的表达方式● 球度系数：（因为泥沙接近于球体，所以以球体作参照物）与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比（与球接近的程度）。

研究表明，球度系数相等的两颗泥沙，在水中的流体动力特性大致相同。

由于球度系数难以测定（V 可用排水、称重法确定，但表面积难以测定），常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c ，按下式近似表示：Φ=1942年克来拜因提出）● 形状系数：ab c S P = 1、 等容粒径：泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示，泥沙颗粒形状不规则，难以确定泥沙的粒径，实际中采用等容粒径来表示。

即：与泥沙颗粒体积相等的球体直径。

（泥沙体积可用称重、排水等方法测出：W V g ρ=）——对比水力学中表面粗糙度∆的确定 136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中：V 为泥沙颗粒的体积。

2、算术平均粒径：用长、中、短轴（a 、b 、c ）的算数平均值来表征泥沙粒径3、几何平均粒径：d =当泥沙形状为椭球体时，等容粒径与几何平均粒径相同（V=лabc/6=лd 3/6）4、中轴长度：接近而偏大于几何平均粒径（较粗天然沙测量的结果）5、筛径：仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重，再除以泥沙的重率，得到体积而后求其等容粒径，或直接量测其三轴长度，再求其平均值。

Chap1 泥沙特性本章知识要点‎：泥沙粒径表达‎形式泥沙的组成与‎粒配曲线比表面积的意‎义双电层与结合‎水泥沙干容重及‎其影响因素泥沙沉速与层‎流、紊流、过渡区絮凝现象● 泥沙来源：①流域地表冲蚀‎而来；②从原河床上冲‎起的。

● 土壤侵蚀最严‎重的黄河中游‎的黄土高原永‎定河和西辽河‎流域，相当于地表每‎年普遍冲掉0‎.6毫米的厚度‎，加上人类活动‎，如盲目开垦等‎，含沙量很高的‎正是黄河中游‎的一些干支流‎，年均含沙量高‎达300公斤‎/m 2以上，而南部一些省‎份，年均含沙量不‎足1公斤/m 2。

§1－1 泥沙的几何特‎性一、泥沙的粒径● 泥沙的不同形‎状与它们在水‎流中的运动状‎态有关，较粗的沿河底‎推移前进，碰撞机会多，动量较大易磨‎损；反之不易磨损‎而保持棱角峥‎嵘的外貌。

为比较不同泥‎沙颗粒的形状‎、大小的异同，必须有某些指‎标对它们进行‎对比。

泥沙的形状的‎表达方式● 球度系数：（因为泥沙接近‎于球体，所以以球体作‎参照物）与沙粒等体积‎的球体的表面‎积与泥沙的实‎际表面积之比‎（与球接近的程‎度）。

研究表明，球度系数相等‎的两颗泥沙，在水中的流体‎动力特性大致‎相同。

由于球度系数‎难以测定（V 可用排水、称重法确定，但表面积难以‎测定），常用泥沙的长‎、中、短三个轴a, b, c ，按下式近似表‎示：Φ=1942年克‎来拜因提出）● 形状系数：ab c S P = 1、 等容粒径：泥沙颗粒的大‎小通常用泥沙‎颗粒直径来表‎示，泥沙颗粒形状‎不规则，难以确定泥沙‎的粒径，实际中采用等‎容粒径来表示‎。

即：与泥沙颗粒体‎积相等的球体‎直径。

（泥沙体积可用‎称重、排水等方法测‎出：W V g ρ=）——对比水力学中‎表面粗糙度的‎∆确定 136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中：V 为泥沙颗粒‎的体积。

2、算术平均粒径‎：用长、中、短轴（a 、b 、c ）的算数平均值‎来表征泥沙粒‎径1()3d a b c =++3、几何平均粒径‎：d =当泥沙形状为‎椭球体时，等容粒径与几‎何平均粒径相‎同（V=лabc/6=лd 3/6）4、中轴长度：接近而偏大于‎几何平均粒径‎（较粗天然沙测‎量的结果）5、筛径：仅对于单颗的‎卵石、砾石等可以通‎过称重，再除以泥沙的‎重率，得到体积而后‎求其等容粒径‎，或直接量测其‎三轴长度，再求其平均值‎。

泥沙动力学泥沙动力学00形成原理概述河流中泥沙在水流作用下产生的各种运动。

泥沙按其在水流中的运动状态，分为推移质和悬移质。

推移质指受拖曳力作用沿河床滚动、滑动或跳跃前进的泥沙；悬移质指受重力作用和水流紊动作用悬浮于水中随水流前进的泥沙。

在一定水流条件下，这两种泥沙可以互相转化。

泥沙的起动定义泥沙的起动：指泥沙在一定水流条件下由静止转入运动。

促使水平河床上的泥沙颗粒起动的力有上举力和推移力等。

颗粒抗拒起动的力有重力、颗粒间的摩擦力和物理化学作用引起的粘结力等。

当起动的力大于抗拒起动的力时，泥沙便由静止转入运动。

泥沙起动的水流条件用起动流速或起动拖曳力表示。

起动流速指泥沙由静止到起动的临界状态下的沿断面或垂线的平均流速。

起动拖曳力指泥沙处于起动临界状态下的床面剪切力。

无粘性均匀沙起动流速与泥沙粒径成正比，粘性细泥沙起动流速与粒径成反比。

研究斜坡上粘性沙的起动，还需要考虑床面倾斜。

沙波运动沙波运动：当流速超过起动流速一定程度，推移质运动达到一定规模时，河床表面形成起伏的沙波。

沙波运动是推移质运动的主要形态。

沙波由波峰、波谷和波高等组成(见图)。

相邻两波峰(或波谷)之间的长度称为波长，波峰与波谷之间的垂直距离称为波高。

天然河道上沙波的尺度大小很不一致。

最小的沙波叫沙纹，波高约1～2厘米，波长约几厘米至十几厘米。

中等尺度的沙波叫沙垅，波高由不足 1米到2～3米，波长由几米到100米以上。

最大的沙波叫沙丘,波高一般在几米，波长可达数百米。

天然河道上的沙波运动主要指沙垅运动。

沙波表面附近的水流速度分布很不均匀，波谷处最小，波峰处最大。

水流越过波峰以后，常常发生分离现象，产生水平轴向的回流，使沙波表面附近的流速成为负值。

这样的流态使沙波迎流面成为冲刷区，背流面成为淤积区，综合作用结果使整个沙波向下游爬行。

天然河道中沙波运动总是落后于水流运动。

沙波的运动速度还没有理想的计算公式。

悬移质含沙量沿垂线的分布一般近水面含沙量小，随水深而增大。

任务型教学法在理工科课程教学中的应用探索———以《河流动力学》为例作者：杨忠勇，胡晓来源：《教育教学论坛》 2016年第14期杨忠勇，胡晓（三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002）摘要：在理工科课堂教学，任务驱动型教学法目前还处于探索阶段。

本文从传统的讲授法与任务型教学法相结合的角度，初步讨论了任务型教学法在理工科课程教学中的应用模式，并以《河流动力学》为例，具体探索了该教学法在教学中的应用实例。

关键词：任务型教学法；理工科课程教学；应用模式；河流动力学中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）14-0113-02基金项目：三峡大学教研项目重点项目基于任务驱动法的《流体力学》教学改革与实践（编号：J2015001，起止时间：2015年-2017年）；三峡大学博士科研启动项目，潮汐河口各动力因子水沙输运模式对比研究（编号：KJ2014B032，起止时间：2014年-2014年）作者简介：杨忠勇（1984-），男（汉族），重庆市忠县人，博士研究生，三峡大学讲师，研究方向：水力学与河流动力学。

一、任务型教学法的内涵及特点任务驱动教学法是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学方法，它将传统的讲授法转变为以完成任务为主的互动式教学理念，要求教学过程中具有目标性明确的任务，使学生带着任务在探索中学习。

所谓任务驱动，也就是指学生在学习知识过程中，紧紧围绕多个共同的任务中心，在强烈的问题动机的驱动下，通过教师的引导产生的学习实践活动。

国外早期的研究中，比较有影响的学者如Jane Willis（1996）等大体勾划了一个组织教学的模型结构，将任务驱动教学法分为三个阶段：前任务阶段，介绍课程主题并布置任务；任务周期，以课堂讨论等方式完成相关任务；语言聚焦阶段，分析完成结果并再练习。

实践中，任务驱动教学法大多应用于语言类教学（吕京，2010；李征，2011；王鑫，2011），因为它强调学生在课堂上的主体性，主张围绕各个任务中心，以讨论的形式展开课堂教学，显然针对语言类教学课堂更易实现，因为课堂中的讨论过程本身就是语言的习得过程。