第一讲河流动力学概述

《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。

长江流域泥沙来源及沉降分布一.研究目的长江作为我国第一大河，流域面积广阔，气候温和，雨量充沛，很早以前古人就在这片沃土上定居耕耘，繁衍生息。

在古代，1万年前后的史前时代，长江中下游地区已经出现水稻耕作。

对于长江的开发以及利用不仅仅是现在才开始的。

最早，从春秋战国时期开始就为了发展农业生产兴修水利和开通水上航运，都江堰，灵渠，南北大运河等著名水利工程相信都不会陌生。

当今，我们也没有停下脚步，长江巨型的三峡水利枢纽工程的建成，南水北调等一系列水利工程都已被人们所熟知，如今的长江流域已发展成为重要的经济区，并对我国国名经济，社会的持续发展发挥着越来越重要的作用。

但随着人口的增多，加上自然环境自身的演变，人与人之间的矛盾日子加大，生态环境不断地被破坏，其中与泥沙相关的问题愈来愈突出。

长江上有的水土流失刘家中，崩塌，滑坡，泥石流，山洪爆发等山地灾害频繁，这些自然灾害会对人类造成十分重大的影响。

泥沙淤积对水库等水利工程的影响在于不仅使其失效，更威胁其存亡，在当今环境问题中，泥沙问题已经成为当今众多环境问题中的关键问题之一。

泥沙的侵蚀，搬运，沉积是一个整体。

河流的泥沙都是来源于流域泥沙，而流域的泥沙环境决定着进入河流的水沙条件，而这些又恰恰进一步影响河床的演变过程。

而长江到底是怎么样的泥沙环境而导致现在的问题，而我们又要如何去解决。

这就是我们所关心的问题。

也是我要在报告阐述的。

在新中国成立之后，大奖上下开始了大规模的水利建设，之后三峡水利枢纽工程的兴建，其泥沙问题在当时可谓是引起了世人广泛关注和国家的高度重视（虽然到现在也是如此）。

而作为港口环境与海岸工程专业的我来说，了解一些关于长江海岸泥沙沉降的知识对自己的专业也有一定的帮助。

接着从图书馆拿的基本资料结合书本对于长江泥沙沉降做一系列的研究，并制成报告以及PPT形式。

二.研究具体方法和步骤1.长江的基本情况既然要说长江的泥沙情况，就不得不把长江好好介绍一下了。

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。

（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、泥沙运动规律和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、搬运和堆积的机理; 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，流动是层流和紊流的过渡区，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.前者是非造床质泥沙，后者是造床质。

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、颗粒大小和泥沙来源分。

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。

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。

【专业介绍】水力学及河流动力学专业介绍水力学及河流动力学专业介绍一、专业概述水力学和河流动力学是研究自然界水流运动规律的工程学科，也是开发和利用河流所必需的力学知识体系。

在各种水利工程的规划、设计、施工和管理中涉及水力学的基本原理和特殊技术。

水力学和河流动力学的科学研究对于水资源的可持续利用和水利工程的安全、经济、高效是十分必要的。

主要研究问题有：河流和水工建筑物边界条件下水平衡与水流、水气或水沙两相流的运动规律及相互作用。

广泛应用于防洪、灌溉、水电、河床演变、输水、城市给排水、环境水利、水土保持等领域。

作为水利产业的支柱学科，该学科对实施西部大开发战略，科教兴水，培养和建设高水平的科技队伍，水利水电的发展。

水力学及河流动力学专业介绍二、培养目标水力学与河流动力学专业培养高层次的水利工程人才，具备高等教育、科研、大型工程技术研发和管理的能力。

具备扎实的数学、力学和计算机应用基础理论知识，熟练阅读外语资料，能用外语撰写科技论文和进行学术交流；掌握水力学和河流动力学理论与技术研究的前沿趋势；能够熟练运用现代基础理论和先进的计算、实验技术手段，对相关理论进行有效研究，具有解决水利工程领域重大工程技术问题的能力。

水力学及河流动力学专业介绍三、课程设置自然辩证法、第一外语、专业外语、流体力学、工程流体力学、河流泥沙与工程、科学社会主义理论与实践、水力学与河流动力学专题、现代科技革命和马克思主义等。

水力学及河流动力学专业介绍四、就业方向水利专业70%的毕业生受雇于事业单位和大型企业。

每年都有相当比例的毕业生成为国家机关（如中央部委、交通部门、水利部门、地方海关、省级公安部门、公安部门等）的公务员；近30%的毕业生到国资委下属的大型国有企业及其下属企业和金融企业就业。

多年来，水利专业毕业生的就业领域主要分布在沿海开放城市，占发达地区的近三分之一。

毕业生可在水利、水电、电力行业的管理、设计和科研机构、工程单位和高等院校，以及土木工程、建筑等行业从事相关的设计、施工、管理和教学工作。