河流动力学重点

前言

1.河流动力学就是以力学及统计等方法研究河流在水流、泥沙和河床边界三者共同作用下的变化规律的学科！主要内容包括泥沙运动和河床演变！

2.河流动力学的研究方法有理论研究、试验研究、原型观测、数学模型。

第一章

1.P16等容粒径公式。

2.粒径大小分类、漂石、卵石、砾石、沙砾、粉粒、黏粒，

3.有效密度的表示方法(PS-P)/P

4.从自然界取得的原状泥沙，经过100到105度的温度烘干后，其质量与原泥沙整体体积的比值称为泥沙的干密度。相应重量的比值称为干容重。

5.泥沙干密度主要受泥沙粒径、淤积厚度、淤积历时等因素的影响，注意图p21，P22的图

6.在静水中的泥沙，由于颗粒之间的摩擦作用，可以堆积成一定角度的稳定倾斜而不塌落，倾斜面与水平面的夹角称为泥沙的水下停止角！

第二章

1泥沙沉降速度是指单颗泥沙在足够大的静止请水中等速下沉时的速度，简称沉速。由于泥沙颗粒越粗，沉速越大，因此又被称为水力粗度!

2雷诺数小于0.5为停滞性状态，大于1000属于紊动状态，介于之间属于过渡状态。

3影响泥沙沉降速度因素有，颗粒形状，边壁条件，含沙浓度，紊动，絮凝等

4泥沙颗粒越细。其比表面积越大，当泥沙粒径小于0.01毫米，颗粒表面的物理化学作用可使颗粒之间产生微观结构，随着这种颗粒泥沙的增加，相邻的若干带有吸附水膜的细颗粒便彼此连接在一起形成絮团，这种现象称为絮凝现象。

第三章

注意资料计算题

游荡型河段演变规律：

形态特性，平面形态看，河身比较顺直，往往宽窄相间，类视藕节状，河段内河床宽浅，洲摊密布，岔道交织。

水流特性：因河床宽浅，平均水深很小。水文特性表现为暴涨暴落，年内流量变化大。

输沙特性：含沙量大，而且同流量下含沙量变化很大，流量与含沙量关系不明显。同意流量，因上站含沙量的不同，其输沙率相差很大，出现多来多排，少来少排现象。

演变规律：冲淤变化，汛期主槽冲刷，滩地淤积。非汛期，主槽淤积，滩地坍塌。从长时间看，表现为主槽淤积抬高，而滩地持续抬高。平面变化上，主流摆动不定，主槽位置也摆动，摆幅相当大导致河势变化剧烈！

第四章床面形态与水流阻力

1、沙波作为河床表面推移质泥沙运动的主要外在表现形式，直接关系到河床的变形，决定河床的阻力。随水流强度的不断变化，沙波有其产生、发展和消亡的过程。

2、沙波的五个发展阶段：沙纹→沙垄→过渡、动平整→沙浪→急滩与深潭

①沙纹：水流流过平整的河床床面，在水流达到一定强度后，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，最后连接成为形状及其规则的沙纹。沙纹尺度较小，主要是近壁层流层的不稳定性所产生，与平均水深关系不大。随着水流强度的增大，沙纹在平面上逐渐从顺直过渡到弯曲、再过渡到对称和不对称的沙鳞。

②沙垄：随着流速的增加，沙纹发展成沙垄，其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。

③过渡、动平整：在沙垄发展到达一定高度以后，如果流速继续增大，沙垄转而趋于衰微，波长逐渐加大，波高逐渐减小，最后河床再一次恢复平整。

④沙浪：河床第二次恢复平整时，泥沙运动已达到相当大的强度。流速再次增大，接近或处于急流状态时，床面再一次产生起伏的波浪。沙浪的运动方向有像沙纹及沙垄一样，和水流运动方向一致的，但也有和水流运动方向相反的；前者为顺行沙浪，后者为逆行沙浪。 ⑤急滩与深潭：流速在增加时，床面的起伏使河流在外表上看起来像一条山区河流，急滩与深潭相间，急滩段水流属于急流，深潭段水流属于缓流，从急流过渡到缓流通过水跃，并且整个外形徐徐向上游移动。

3、希尔兹数Θ=d s )/(0γγτ-：反映水流促使床沙运动的力和床沙抗拒运动的力的比值。此参数越大，泥沙可动性越强，因而可以作为一个描述床沙由不动到动，由微动到大动的指标。

4、沙粒雷诺数Re =ν/*d U ：直接反映床沙高度与黏性底层厚度的比值，也可间接衡量水流促使床沙运动的力与黏滞力的比值。

5、弗汝德数gL U Fr /=：对于与水流重力波直接关联的特种沙波具有决定性意义。

第五章 推移质输沙率

1、推移质及推移质输沙率：在河流床面附近以滚动、滑动、跳跃和层移等方式运动的泥沙称为推移质。在一定水流及床沙组成条件下，单位时间通过过流断面的推移质质量，称为推移质输沙率。

2、爱因斯坦推移质运动理论：

①任何沙粒被水流带起的概率决定于泥沙的性质及水流在河床附近的流态，与沙粒过去的历史无关。

②对于一定的沙粒，进入运动的概率，在床面各处相同。

③使泥沙起动的主要作用是上举力。当瞬时上举力大于沙粒在水中的重量时，床面沙粒就进入运动状态。

④泥沙颗粒运动的单步距离约为沙粒直径的100倍。

3、爱因斯坦主要观点：①间歇性：认为推移质泥沙运动是从跳起→随水流运动→重力作用下沉床面（停止或滚、滑）→再次跳起，这样一个反反复复的过程；

②随机性：间歇性的跳跃式运动主要与水流的脉动有关，同时由于水流的脉动流速具有随机性，那么作用于泥沙颗粒上的瞬时作用力的大小也具有随机性，因此不仅使得泥沙颗粒的起动具有随机性，而且其跳跃高度和水平距离也具有随机性。

③交换性：泥沙颗粒在作跳跃运动时是推移质泥沙，当它回落到床面停止运动时，就成了床沙，因而可以把这种运动方式看作是床沙与推移质的交换现象。

4、爱因斯坦对推移质运动的六点基本认识：

(1)河床表面的泥沙及运动的推移质组成一个不可分割的整体，它们之间存在着不交换。运动一静止一再运动，说明了床面泥沙的全部历史。沙粒在床面上停歇的时间愈久输沙率愈小，推移质输沙率的大小实质上决定于沙粒在床面上停留时间的长短。

(2)从泥沙运动的随机性质出发，应该用统计学的观点来讨论大量泥沙颗粒在一定条件下的运动过程，而不是去研究某一颗或几颗沙粒的运动。

(3)任何沙粒被水流带起的概率，决定于泥沙的性质及其周围床面附近的流态，与沙去的历史无关。

(4)使泥沙运动的作用力主要是上举力，当瞬时上举力大于沙粒在水中的重量时，沙粒就进入运动状态。一定的沙粒在床面各处的起动概率相同。

(5)沙粒在走完一段距离以后，就要进行一次选择：究竟是继续保持运动状态，还是到河床上。这个距离称为单步距离，其长短决定于沙粒的大小及形状，与水流条件、床移及推移质输沙率无关。对于具有一般球度的沙粒来说，单步距离约相当于粒径的100倍 。

(6)沙粒在完成一个单步距离以后，只要当地的瞬时水流条件不足以维持其继续运动，就会在那里沉落下来。对于一定的沙粒，其在床面各处沉落的概率都是一样的。

第六章 悬移质运动和水流挟沙力

1、悬移质运动时均三维方程：

方程中各项的物理意义：

方程左边为含沙量变化率；

方程右侧前三项为对流项，表示由水流时均流速引起的悬移质对流输移；

方程右侧第四项为由泥沙重力作用引起的含沙量变化，称为沉降项；

方程右侧后三项为扩散项，表示由水流紊动扩散作用引起的悬移质输移。

2、掺长：涡体垂向运移过程中能够保持原有流动特征的距离。

3、河床的自动调整作用：当来流含沙量大于临界含沙量S *时，河床将发生淤积，其结果使得断面平均流速U 增加，水深h 减小，水力半径R 减小，悬沙细化，因而沉速ω减小，其综合作用使得S *增加，逐渐趋向于S ，即朝不淤的方向发展。当来流含沙量小于S *时，河床即发生冲刷，其结果使得断面平均流速U 减小，水深h 增加，水力半径R 增加，悬沙粗化，因而沉速ω增加，其综合作用S *减小，逐渐趋向于S ，即朝不冲的方向发展。

第七章

1、流域侵蚀是指在内外力共同作用下，流域内地表土层剥离、输移的过程，从而导致流域自然环境的改变如地形起伏变化、水土资源质与量的改变等。

2、流域侵蚀根据侵蚀动力分为水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀和人为侵蚀四种类型。水力侵蚀过程影响因子：降雨因子、地质地貌因子、土壤特性及组成、植被因子、土壤侵蚀的人为环境因素。

3、土壤侵蚀是指地表土壤及其母质在内外营力共同作用下破坏、分离、搬运和沉积的过程。

4、水土保持即防止水土流失，保护、改良与合理利用水土资源，维护和提高土地生产力，以利于充分发挥水土资源的生态效益、经济效益、和社会效益，建立良好的生态环境。

第八章

1、书本120页的图8-1掌握。平原河流在平面上具有顺直、弯曲、分汊、散乱等四种外形。

2、河床演变的根本原因是输沙不平衡。

3、影响河床演变的主要因素：①：河道来水量及其变化过程；②河道来沙量、来沙组成及其变化过程；③河段的河谷比降；④河段的河床形态及地质情况。

4、能够自由发展的平原冲积河流的河床，在水流的长期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡的河床形态，这种均衡形态的有关因子（如水深、河宽、比降等）和表达来水来沙条件（如流量、含沙量、泥沙粒径等）及河床地质条件（在平原冲积河流中???? ??????+???? ??????+???? ??????+??+??-??-??-=??z S z y S y x S x y S z S w y vS x uS t S sz sy sx εεεω

其本身的部分甚至整体往往又是来水来沙的函数）的特征物理量之间，常存在某种函数关系，这种函数关系成为河相关系或均衡关系。

5、造床流量：是指其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某一种流量，是一个较大但又并非最大的洪水流量。

6、确定造床流量的方法：①：马卡维也夫法;②平滩水位法；③保证率法。（各方法具体内容细节看书130页，131页的8-1是河相关系常用的经验公式）

第九章

1、顺直型河段是一种最简单最基本的河段有其独特的演变规律：

①形态特性:从平面看，这种河段的河身比较顺直，河槽两侧分布有犬牙交错的边滩和深槽，上下深槽之间存在较短的过渡段，常称浅滩。顺直型河段深泓线纵剖面特性与蜿蜒型河段相似，沿程起伏相间，但变幅较小。顺直型河段的河相系数变化范围大，但对同一河流则变化较小。边滩的大小与河道的尺度相关。大尺度的河道，其边滩尺度也大，反之则小。

②水流特性：顺直型河道由于存在深槽和浅滩，低水位时，浅滩段水深小，比降陡，而流速较大；河槽段则水深大，比降小，故流速较小。随着流量的增加，浅滩和深槽的水流也随之发生相应的变化。

③输沙特性：从横向分布看，边滩推移质输沙率远大于深槽的；从纵向上看，边滩中部的输沙率大于滩头和滩尾的，而深槽则相反，中部输沙率小于深槽头部和尾部的，这样的输移规律是与流速场相应的。

④演变规律：

顺直型河段演变的最主要特征是相互交错的边滩向下游移动，与此相应，深槽和浅滩也同步向下游移动。至于流量变化对演变的影响，根据水流随流量变化的特点，枯水期浅滩冲刷，深槽淤积，洪水期则浅滩淤积，深槽冲刷。顺直型河段的演变，除体现在边滩下移外，根据河岸土质情况，还可能呈现出周期性展宽现象。

2、蜿蜒型河段演变规律：

①形态特性：从平面上看，蜿蜒型河段是由一系列正反相间的弯道和介乎其间的过渡段衔接而成的。从横断面看，弯道段呈不对称三角形，凹岸一侧坡陡水深，凸岸一侧坡缓水浅，过渡段基本上呈对称的抛物线或梯形。由弯道段至过渡段断面形态沿程是逐渐变化的。从纵剖面看，其深泓线是沿程起伏相同的，弯道段高程较低，而过渡段则较高。

②水流特性：蜿蜒型河段的水流运动受离心惯性力的作用，凹岸一侧的水位恒高于凸岸一侧，这一力学现象决定了弯道水流结构的特点。

③输沙特性：由环流横向输沙的基本图形可知，由于上下部的输沙率不等，横向输沙总是不平衡的。泥沙的横向净输移量总是朝向环流下部所指的方向，亦即凸岸方向。洪水期弯道段的水流挟沙力大于过渡段的水流挟沙力，引起弯道段冲刷过渡段淤积，而枯水期则相反。

④演变规律：蜿蜒型河段的演变现象，按其缓急轻重程度，可分为两种情况：一种是经常发生的一般演变，另一种是在特殊条件下发生的突变。

1）一般演变：

平面变化：蜿蜒曲折的程度不断加剧，河长增加，曲折系数加大。

横向变化：表现为凹岸崩退，凸岸淤长。

纵向变化：弯道段洪水期冲刷而枯水期淤积，过渡段则相反。

2）突变：包括自然裁弯，撇弯和切滩等类型。

3、分汊型河段演变规律：

①形态特性：a 横断面特性：分汊型河段的横断面，在分流区和汇流区均呈中间部位凸起的马鞍形，分汊段则为江心洲分隔的复式断面；b 纵剖面特性：分汊型河段的纵剖面，从宏观看，呈两端低中间高的上凸形态，而几个连续相间的单一段和分汊段，则呈起伏相间的形态，与蜿蜒型河段的过渡段和弯道段的纵剖面有相似之处；c 从局部看，分流区至汊道入口，自分流点开始，两侧深泓线先为逆披而后转为顺坡，呈马鞍状；d 汊道出口至汇流区，两侧的深泓线呈顺披下降，支汊一侧的纵按常陡于主汊一侧的。就支汊一例进、出口两个陡坡而言，出口的顺披更陡于进口的逆坡。

②水流特性：分流区的分流点：高水下移，低水上提；分流区的水位，支汊一侧总高于主汊一侧；分流区的断面平均流速沿程呈减小趋势；断面上的等速线有两个高速区，靠主汊一侧流速最大，靠支汊一侧的流速次之，中间为低速区；分流区总是存在环流。汇流区的水位，支汊一侧总是高于主汊；汇流区的断面平均流速沿程增大，断面上的等速线同样也存在两个高速区和中间低速区；汇流区也有环流，其变化和分布与分流区的类似。

③输沙特性：分流区：左右两侧含沙量都较大，而中间较低，与等速线的分布相对应； 汇流区：左右两侧含沙量较小而中间较大，且底部的含沙量更大。

④演变规律：汊道分流比 汊道分沙比：

汊道的演变主要特点：主支汊的易位；洲头洲尾的冲淤；汊道的横向位移；汊内的纵向冲淤等。

4、游荡型河段演变规律：

形态特性，平面形态看，河身比较顺直，往往宽窄相间，类视藕节状，河段内河床宽浅，洲摊密布，岔道交织。

水流特性：因河床宽浅，平均水深很小。水文特性表现为暴涨暴落，年内流量变化大。 输沙特性：含沙量大，而且同流量下含沙量变化很大，流量与含沙量关系不明显。同意流量，因上站含沙量的不同，其输沙率相差很大，出现多来多排，少来少排现象。

演变规律：冲淤变化，汛期主槽冲刷，滩地淤积。非汛期，主槽淤积，滩地坍塌。从长时间看，表现为主槽淤积抬高，而滩地持续抬高。平面变化上，主流摆动不定，主槽位置也摆动，摆幅相当大导致河势变化剧烈！

自然裁弯：蜿蜒型河段的发展由于某些原因（例如河岸土壤抗冲能力较差)，使同一岸两个弯道的弯顶崩退，形成急剧河环和狭颈。狭颈的起止点相距很近，而水位差较大，如遇水流漫滩，在比降陡流速大的情况下便可将狭颈冲开，分泄一部分水流而形成新河。这一现象称为自然裁弯。

撇弯：当河弯发展成曲率半径很小的急弯后，迟到较大的洪水，水流弯曲半径远大于河弯曲率半径，这时在主流带与凹岸急弯之间产生回流。使原凹岸急弯淤积。这种突变称为撇弯

切滩：河弯曲率半径适中，而凸岸边滩延展较宽且较低时，遇到较大的洪水，水流弯曲半径大于河岸的曲率半径较多，这时凸岸边滩被水流切割而形成串沟，分泄一部分流量，这种突变称为切滩

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第十章

1、悬移质泥沙测验的主要内容包括悬移质输沙率测验和悬移质颗粒分析。

2、悬移质含沙量测验仪器可以分为两类：一类是通过现场取得水样，在进行水样分析从而得到水中含沙量；另一类是通过浑水中泥沙含量的物理效应，在现场直接测定水中含沙量的仪器，如：光电测沙仪、同位素测沙仪、振动式测沙仪、超声波测沙仪。

3、垂线含沙量的测定方法：选点法、积深法、垂线混合法。

4、悬移质水样处理及各自的特点：

（1）焙干法：将浓缩水样移入烘杯，放入烘箱内烘干。根据沙量多少，用天平称出杯沙总重，减去杯重即得干沙重。此法精确度高，可以用于低含沙量情况。

（2）过滤烘干法：将浓缩水样用滤纸过滤后，连同滤纸一起烘干。称出沙包总重量，减去滤纸重量即得干沙重。这种方法产生的误差的环节较多，适用于含沙量较大的情况。（3）置换法：置换法可省去过滤、烘干等工作，简便快速。主要用于含沙量较大的情况。低含沙量时，所需水样较多。

5、推移质泥沙测验的方法：器测法（是利用推移质采样器从河床上采集一定历时内推移质样品来测定其输沙率并作颗粒分析的方法）；坑测法（是在河床上设置测坑以采集推移质样品来测定推移率或时段推移量）；体积法（水库库尾的泥沙淤积主要为推移质泥沙，可以定期进行测量库尾地形或断面，推算淤积物体积，反算长期推移量）；岩性调查法。

第十一章

1、定量估算河床变量的方法：数值模拟法、河工模型试验。

2、相似理论的基本原理：凡在自然界中相似的属于机械力学的物理范围的物质系统，其外形必须几何相似，系统中各运动过程的属性必须相同，系统中表征运动现象的同类属性的量必须具有同一比值。包括：几何相似、运动相似、动力相似。

3、定床模型：模型水流为清水，河床在水流作用下不发生变形的模型。根据水平比尺和垂直比尺是否相同分为：正态定床模型、变态定床模型。

4、为了保证模型和原型水流能基本上为相同物理方程所描述，必须满足：

（1）模型水流必须为紊流，要求模型雷诺数Rem>1000-2000；

（2）为了不使表面张力干扰模型的水流运动，要求模型水深hm>1.5em。

5、对变态模型，其水流内部的动态和动力相似性将发生一定的偏离，只有在这种偏离对所研究的问题影响不大时，才能应用。

6、与定河床模型相比，动河床模型试验的特点：（1）模型水流挟带泥沙；（2）模型的河床河床边界可动的。

7、推移质动床河工模型设计步骤（P：200页）

8、所有模型都要进行验证。