河流动力学第五章

《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。

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》习题集第一章1、泥沙粒径有哪些表达形式?2、试分析粒配曲线图上沙样曲线组成的相对均匀程度。

3、比表面积指什么？它有何重要意义？4、什么是双电层与结合水? 双电层的厚度与液体中反离子浓度有何关系，对絮凝有何影响？5、何谓泥沙干容重?它受哪些因素的影响?6．什么是泥沙的沉速?球体沉速与等容泥沙的沉速是否相同?为什么? 7．泥沙沉速在层流、紊流、过渡区中的计算公式有何不同?如何判别这三种绕流状态?8．窦国仁建立沉速公式的基本出发点是什么?该公式的优缺点如何? 9．原水利电力部规范推荐的沉速计算公式有哪些?10、按水利部规范推荐的公式分别计算D=0.01，0.5，3mm时的沉速。

（g =9.841m/s2，水温为20°C）11、当D=0.5mm时，按岗恰洛夫公式，沙玉清公式，张瑞谨公式，窦国仁公式分别计算水温为20°C时，泥沙的沉速。

12．什么是絮凝现象?影响絮团沉速的因素有哪些?第二章1、已知泥沙粒配资料如下，做泥沙粒配曲线，并用合适的代表粒径，按照岗恰洛夫和沙莫夫公式，求水深h=0.5时的起动流速Uc。

2、推移质运动规律的研究涉及哪些环节，实际意义如何?3、按运动状态的不同，泥沙运动的形式有哪几种，和水流强度的关系怎样?其中推移质运动多以哪种运动形式出现?4、推移质和悬移质有何区别?它们是如何进行交换的?5、怎样表示泥沙的起动条件?如何判别床面泥抄是否起动?定量判别泥沙是否起动的困难是什么?6、试列出泥沙颗粒以滑动形式起动时力的平衡方程式，并推导出起动流速公式的一般结构形式。

运用多种形式的流速垂线分布公式，将近底流速u o转换为垂线平均流速U，进而推导出泥沙起动流速公式U C。

7、希尔兹的起动拖曳力理论有何特点?试推导希尔兹的起动拖曳力公式。

8、运用希尔兹理论求起动拖曳力时需要哪些实际资料，计算步骤如何?9、已知组成河床泥沙的资料如下，河流水深h=1.2m，比降J=0.9×10-4，水温T=20℃，水流为均匀流。

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得球体得直径。

设某一颗泥沙体积为 V ，则等容粒径泥沙粒径可用长轴 a ，中轴b ，短轴c 得算术平均值表示 假设成椭球体，用几何平均值表示2、 粒配曲线得作法：（图1-1 P 6 ）① 通过颗粒分析（包括筛分与水析），求出沙样中各种粒径泥沙得重量② 算出小于各种粒径得泥沙总重量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,小于该粒径得泥沙在全部沙样 中所占重量得百分数 P 绘于纵坐标（普通分格）上,绘出得D 〜P 关系曲线即为所求得粒配曲 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：就是常用得特征值，它表示大于与小于该种粒径得泥沙重量各占沙样总重量得5 0% ,即粒配曲线得纵坐标上找出 p=50%,其对应得横坐标即为2） 平均粒径：就是沙样内各泥沙粒径组得加权平均值。

即粒配曲线得纵坐标分成若干组，并在横坐标（D ）上定出各组泥沙相应得上、下限粒径 以及各组泥沙在整个沙样中所占重量百分数，然后求出各组泥沙得平均粒径 n —为划分组数；，其中一沙样粒径分配得均方差，当为零时，沙样均匀”一般沙样不均匀，总就是大于零，因此，通常3）分选系数（非均匀系数），若=1,则沙样非常均匀，越〉1，则越不均匀。

5、 影响泥沙得孔隙率得因素① 沙粒得大小②均匀度③沙粒得形状④沉积得情况⑤沉积后受力大小 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。

6、 颗粒比表面积：颗粒表面积与其体积之比，对于球体，其表面积 颗粒比表面积间接地反映了颗粒受到得物理化学作用于重力作用得相对大小。

细颗粒沙粒得比表面积很大，所以,细颗粒表面得物理化学作用明显特别突出 动产生重要得影响。

7、 吸附层（固定层）:表面带负电荷得细颗粒泥沙在含有电解质得水中，由于静电引力作用，吸 引水中反号电荷（带正电荷）得离子，这种被牢固吸附在紧邻颗粒表面周围得反离子层。

第一章 泥沙特性 等容粒径定义：容积与泥沙颗粒体积相等的球体的直径算术平均粒径: 定义：长、中、短轴的算术平均值几何平均粒径: 定义：将泥沙视为椭球体，求其等容粒径(球体) 天然沙孔隙率的一般规律(影响因素)⑴粒径：沙样越粗，孔隙率越小(细沙表面积大，颗粒间摩擦、吸附及搭成构架的作用强)。

粗砂：39～40％；中沙：41～48％；细沙：44-49％；粘土絮凝后可达90%。

⑵均匀程度：均匀沙的孔隙率最大。

因非均匀沙粗颗粒间孔隙由细颗粒填充。

⑶形状：圆滑的、棱角不分明的沙样孔隙率较小。

⑷沉积时间：越长，孔隙率越小。

比表面积的定义: 泥沙颗粒的表面积与其体积之比 比表面积的意义：颗粒越小，比表面积越大:。

反映泥沙颗粒的物理化学作用与重力作用的相对大小，比表面积越大(亲水性越强)，物理化学作用越大。

影响干容重的主要因素：⑴粒径：影响孔隙率n 。

粒径↑，n ↓，gs’ ↑，变化范围↓；粒径↓ ， n ↑ ， gs’ ↓，变化范围↑。

⑵淤积厚度：影响土的自重应力，自身固结压缩→影响孔隙率n 。

淤积越深，gs’越大，变化范围越小；淤积越浅，gs’越小，变化范围越大。

⑶淤积历时：影响排水固结充分程度→影响孔隙率n 。

沉积越短， gs’越小；沉积越长， gs’越大，然后趋于稳定值；大颗粒稳定历时短，细颗粒稳定历时长⑷级配：影响孔隙率n ：组成越均匀，孔隙率越大，gs’越小；组成越不均匀，孔隙率越小，gs’越大。

水下休止角：泥沙在静水下自然堆积而不塌落的坡面倾角，f (°)。

水下摩擦系数：f ＝tg f 说明:粒径越大，水下休止角越大，摩擦系数越大，坡度越陡。

束缚水=粘结水＋粘滞水 絮团：分散细颗粒相互吸引，聚合成结构松散、类似棉花团的较大团粒或团块，称为～，絮团形成的过程即称絮凝 沉降的过程①初始，γs>γW ，重力>阻力，加速下沉②沉速增加→阻力逐渐增大，而重力恒定，加速度减小③当重力＝阻力，加速度＝0，泥沙匀速下沉，沉速趋于稳定。

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。

1. 写出扩散方程推导过程中的各种条件和假定。

答：条件：⑴脉动值的长时间平均值为零，分子扩散系数为常数；⑵对于二维水流来说，垂直方向的时均流速为零V=0，对于均匀流，ðUðx =0；⑶紊流中流体微团随机运动的规模远大于分子热运动的规模，故一般可以忽略分子扩散项的影响。

⑷悬移质含沙量的垂线分布达到平衡状态时，泥沙的紊动扩散过程是均匀的、恒定的。

假定：（1）εy 为常数（意味着在垂线上紊动是均匀的）； ⑵ω为常数。

2. 试举出确定水流挟沙力的主要方法，并给出有关的数学形式。

答：确定水流挟沙力的主要方法有： ⑴ 理论公式 ① Einstein 方法 推移质输沙率：g b =γs (gD 3γs −γγ)12Φ先求出Ψ=γs −γγD R b′J ,再根据图4-14从Ψ求出Φ。

悬移质单宽输沙率：g s =11.6γs U ∗′aS va (ΡΙ1−Ι2) 其中：P =2.303lg⁡(30.2ℎχk s), Ι1和Ι2可查图5-4得到。

②Bagnold 方法床沙质全沙输沙率公式：g t =γs γs −γτ0U L (e btana+0.01U L ω)式中e b =U ∗−U ∗c U ∗(1−5.75U ∗lg0.4ℎMD+ωU L)其中，U ∗c 为泥沙起动的摩阻流速，M 为一比例系数：M =K 0(U∗U ∗c)0.6对于单颗泥沙或均匀沙，K 0=1.4, 在天然河流中，K 0值可能增加一倍，K 0值在7.3~9.1的范围内变化。

⑵经验或半经验方法①张瑞瑾方法S m =K(U L3gℎω)m 式中的系数K 和指标m 由图5-5给出。

②Engelund-Hansen 公式 (1972)g t =0.05γs U 2√D 50g(γs γ−1)[τ0(γs −γ)D 50]32其中，R为过水断面的完整水力半径（不作阻力分割）。

③Ackers-White 公式 (1973)S =C 1γs γD R (U U ∗)C 2(F gC3−1)C 4其中，常数C 1、C 2、C 3、C 4的值见表5-3，参数F g 和d g 的表达式为： 颗粒运动判数 (mobility number) ：F g =∗C2√gD(γsγ−1)[32lg⁡(10R D)⁄]1−C 2颗粒无量纲粒径：d g =D[gν2(γsγ−1)]133.证明：动量交换系数εm 的水深平均值为κU *h/6，即0.067U *h （图5-3中垂直虚线）。

河流动力学知到章节测试答案智慧树2023年最新云南农业大学绪论单元测试1.河流动力学就是研究河流在____、____和____三者共同作用下的变化规律的学科。

参考答案:null2.泥沙运动研究的是泥沙____、____和____的机理。

参考答案:null3.钱宁先生完成的三部巨著____、____和____奠定了我国泥沙研究在世界上的重要地位。

参考答案:null4.河流动力学主要应用在以下几个方面，____、____、____、____、____。

参考答案:null5.河流动力学的研究方法有____、____、____、____参考答案:null6.（）于1879年提出的拖曳力理论被广泛应用于推移质运动的研究。

参考答案:Duboys7.河床演变的根本原因是（）。

参考答案:输沙不平衡第一章测试1.脉动流速的时均值一定为零。

（）参考答案:对2.脉动流速相对于时均流速较小，所以对于整个紊流场影响不大。

（）参考答案:错3.关于雷诺实验，以下说法正确的是（）。

参考答案:雷诺数越小，粘滞性的稳定作用越小于惯性力的破坏作用;除了外来干扰，内在的不稳定性是促使层流转化为紊流的内因4.水力光滑面就是十分光滑的壁面。

（）参考答案:错5.某一固体边界，在某一雷诺数下是光滑面，而在另一雷诺数下可能是粗糙面。

（）参考答案:对6.从19世纪以来很大一部分紊动理论的研究在于如何把脉动流速转换为时均流速，从而建立____和____之间的关系。

为了建立二者的关系，普朗特假设水团起点和终点的任何平均性质的差别，等于该性质在终点的____，这个自由行程叫做____。

参考答案:null7.影响糙壁流速分布的主要因素有（）。

参考答案:相对粗糙度;床面切应力8.影响光壁流速分布的主要因素有（）。

参考答案:水的密度;粘滞性;床面切应力9.混合长度与____无关，只是____的函数。

参考答案:null10.对于二元均匀流，。

（）参考答案:对第二章测试1.____是河流泥沙的主要来源。

《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］*T —11 ——+ pU V加AduT —11 —BT - pl1f、工du duT= fi——' ——4r [dyjD（正确答案）5.爱因斯坦于1950年引入（），将不同壁面条件对数流速分布公式合成一个公式的形式。

［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8第三章泥沙特性6.泥沙等容粒径的表达式（）。

［单选题］*A曲线aB曲线bC曲线cD曲线d（正确答案）A（正确答案）d = + c)Bd —\[abcC在+与D7.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）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］*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（）。