河流动力学第一章
1.1试分析人工或天然水系中所谓的“死水”和“活水”是否属于动态系统。
他们是封闭系统还是开放系统？举例说明本校校园内的人工湖泊、河流属于何种系统。
答：封闭系统与外部环境只有热量交换，开放系统与外部环境既有热量交换又有物质交换。
所以“死水”和“活水”都是开放系统，因为它们两者都与大气层有物质交换，都会蒸发失去部分水，或因降雨得到一些水。
本校人工湖泊、河流分别属于所谓的“死水”和“活水”，因此他们都是开放系统。
1.2若一个封闭水体与外部环境只有能量交换（太阳能辐射），而没有物质交换（水量的流入流出），试分析水体的演变趋势。
考虑两种初始条件：①水体十分纯净，没有任何营养物和微生物；
②受到污染的水体，有大量营养物和微生物存在。
答：①若水体十分纯净，没有任何营养物质和微生物，那么水体不会变化。
②若水体污染，有大量营养物质和微生物，那么微生物因为有营养物质会大量繁殖，会进一步加重水体的污染。
1.3仿照图1-1的例子，是举出更多的实例说明什么是不稳定、亚稳定和平衡状态。
答：例如一本书一小部分露出桌面处于亚稳定；当有一半露出桌面，稍微用点力就会掉时处于不稳定状态；当书掉在地上，不再动，处于平衡状态。
1.4简要说明水文系统所包含的子系统，并指出我国大陆地
区常见的子系统。
答：①水文系统是地球上最大、最复杂的动态系统之一，其中包含了同样复杂的多个子系统。
包括：大气层——海洋系统、坡面系统、河流系统、海岸线系统、冰川系统、地下水系统、风成沉积系统。
②我国大陆最常见的子系统为坡面系统‘
1.5在泥沙问题的研究种所采用的时间尺度有几种？她们各适用于什么学科和什么问题的研究？
答：有三种。
地质旋回过程中所对应的空间尺度为大陆板块或大地构造单元（如平原、高原等），时间尺度以百万年计，称为地质学时间尺度或地质学时标；在现代河流地貌学中，研究问题时采用的时间尺度为数千年至数十万年；在实际工程中，考虑问题所用的工程学时间尺度为数天至数百年。
三者依次适用于地质、地貌学体系与水力学和河流动力学研究体系。
第1章河道水流的特性
1、河系： 流域里的大大小小的水流路线，构成脉络相通 的系统，称为水系（河系、河网）。 Horton-Strahler河流分级法： ①直接发源于河源的小河流为1级河 流；
②两条同级别的河流汇合而成的河
流级别比原来高一级； ③两条不同级别的河流汇合而成的 河流的级别为两条河流中较高的河 流的级别
（1）水系的平面形状
雷诺应力大部分由猝发在约25％时间产生
由马蹄形涡的形成、发展到形成喷射和清扫，整个过 程称为猝发现象
下扫 上抛
下扫
上抛
u (m / s)
v( m / s )
边界层猝发过程的流速分布
（3）紊动大小的表达-紊动切应力
由于涡漩混掺引起质点动量交换而产生脉动流速 及相应紊动切应力，也称附加切应力。
表达形式1：
（2）紊流发生的物理过程
在靠近固体壁面的粘性底层中，在平面上具有顺流向 的高速带和低速带相间形成的带状流动结构
（2）紊流发生的物理过程
在低速带向下游流动的过程中，其下游头部常缓慢上 举，低速带与固体壁面间距离逐渐增大，低速带与固 体壁面之间产生横向漩涡。
二维平均流 的涡丝 马蹄涡（发夹涡） （Hairpin vortex）
式中， u x u y 是指空间某点瞬时
u x 和 u y 在某时段的时均值。
；
ux ux u x
u y u y u y
ux 为时均值， 式中，u x 为瞬时值，
u x 为X方向的脉动流速
（3）紊动切应力
表达形式2：
影响εm的几个量在量测和确定上都存在不少困 难，在实际计算中，通常由切应力和时均流速
§1-2 河道水流的运动结构
二、河道水流的紊动特征
《河流动力学》课程教学大纲
《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
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。
河流动力学第一章
5
4 大运河
《国语·越语上》说:“广运百里”。韦昭注:“东西 为广,南北为运”。即大运河是以人工开山凿渠， 连通天然水系修建的南北向的运输航道。
京杭大运河，比苏伊士运河长九倍,是世界上里 程最长、工程最大、最古老的运河之一。北起北京(涿 郡)，南到杭州（余杭），经北京、天津两市及河北、 山东、江苏、浙江四省，贯通海河、黄河、淮河、长 江、钱塘江五大水系,全长约1794km，开凿到现在已有 2500多年的历史。
河流动力学
主讲教师：孙雪岚
教材
书 名：河流动力学概论
（清华大学水利工程系列教材）
编 著：邵学军 王兴奎 出版社：清华大学出版社
主要研究内容和任务
河流动力学是研究河流泥沙运动及河床演变规律的 专门学科，研究对象是天然冲积河流。
研究内容:
泥沙运动学：泥沙在水流中的输运过程和挟沙水流的 运动规律;
河床演变学：在水流和泥沙运动的作用下冲积河流形 态的变化规律。
§1.2 著名水利工程
为了更好地利用水利资源，减少水旱灾害，远 古的人们就开始了兴修水利工程。
在水利建设历史的长河中，有很多成功的典范， 如都江堰、灵渠、郑国渠和大运河等；也有大量 失败的经验教训，如鲧的筑坝挡水失败、三门峡 水库运行初期的严重淤积等。本节对古代有重大 影响的水利工程做一简单介绍。
1 都江堰
阻水溢洪滚水坝，关键在“水浸松木千年 在”。秦人将松木纵横交错排叉式的夯实插放在 坝底，其四围再铺以用铸铁件铆住的巨型条石， 形成整体。2000多年来任凭洪水冲刷，大坝巍 然屹立。
4
灵渠一些地段滩陡、流急、水浅，航行困 难。为解决这个问题，古人在水流较急或渠 水较浅的地方，设立了陡门，把渠道划分成 若干段，装上闸门，打开两段之间的闸门， 两段的水位就能升、降到同一水平，便于船 只航行。灵渠最多时有陡门36座，因此又有 “陡河”之称。1986年11月，世界大坝委员 会的专家到灵渠考察，称赞“灵渠是世界古 代水利建筑的明珠，陡门是世界船闸之父。”
河流动力学C1
§1-1 基本概述
一、河流 河流是水流与河床在各种自然因素及人 类活动的影响下相互作用的产物。河流运动 过程是水流、泥沙及可动边界的各种运动和 变化叠加而成的。 搬运 侵蚀 堆积 泥沙 水流 河床
§1-1 基本概述
二、河流学 在改造或适应河流的过程中，人们不断 总结经验、积累成果，逐渐形成了系统的知 识，成为一门学科。 河流动力学——以微观力学的方法研究河 流及其过程的学科。 河床演变学——从宏观的角度研究河流的 形成和演变的学科。
② 风力输运 在某些地质时期也占有重要地位，如黄 土高原风成说：由风力搬运泥沙沉积而成。 ⑵ 河流的主要自然功能 ① 输运功能 ② 水源功能 ③ 汇水功能 ④ 栖息地功能 ⑤ 天然屏障的功能
§ 1-2 研究对象
3、泥沙沉积 与所研究问题的时间尺度和空间尺度有 关。一般把数十年的冲淤变化归结为泥沙输 运，而泥沙沉积指量级大于百年（千、万年） 和完整流域、水系上大规模的地质沉积。如： 河口三角洲的延伸堆积成平原、海洋中造成 陆地等。
§ 1-3 研究方法
一、原型观测（数千年前） 为流域规划、工程设计、洪水预报等提 供第一手资料。水利测量新技术：二维测力 仪、激光流速仪、超声波流速仪、颗粒成像 的流场量测。 二、实体模型（20世纪初） 在原型资料基础上，根据一定的相似原 理，将原始地形按一定比例缩小后进行水流
§ 1-3 研究方法
§ 1-2 研究对象
3、工程泥沙问题 ⑴ 产生： 大规模农牧业生产及现代化工业的出现 使人对自然环境的破坏超过自然界的允许限 度。流域中引发了一系列问题：植被锐减、 土壤退化、环境污染、生态失衡、水资源短 缺及因水土流失加剧而产生的。
§ 1-2 研究对象
⑵ 解决途径： 从长远看，要减少人为的加速侵蚀，恢复 流域的植被，保护和改善生态系统，减少水 土流失。这需要巨大的财力投入且生态环境 的恢复过程很慢。因此在相当长的时间内， 泥沙问题仍十分严峻，还需依靠符合自然规 律的正确工程措施加以解决，这就需要详细 研究河流泥沙运动的规律。
河流动力学
下风化、破碎形成的。在上述作用下从流域 内地表进入水系（或大气层），在水力（风 力）作用下经历搬运、沉积后在新的地点成 岩，往复循环。
§ 1-2 研究对象
泥沙运动是地球上物质圈（水圈、大气 圈、岩石圈、生物圈）演化过程的重要环节。
侵蚀特点
范围
水力侵蚀→流水侵蚀和重 力侵蚀（崩塌、滑坡）
重力侵蚀
片蚀、沟蚀、崩岗侵蚀
黄土丘陵区： 渭河南北、三门峡
长江流域及以南地区： 广东、福建、四川等
湖北、广西、浙江、 安徽等省区
坡面剥蚀—片蚀 主要与人类活动有关 顺坡耕作时侵蚀更严重 土地退化 生态环境的恶化
四川、湖南、贵州等 云南、金沙江支流 三峡库区、贵州 （半）干旱、半湿润 洞庭湖、黄河三角洲
§1-1 基本概述
三、系统
地表上各种各样的物质运动可以区分成
不同的自然系统来分别进行研究，称为“地 质系统”。如：火山熔岩流动形成的岩浆流、 天然河流都可以看作是一个自然系统。
在某个自然系统中存在能量和物质的运
动、转换，称为动态系统。
§1-1 基本概述
系统的边界既可以用天然边界（流域的 分水岭、河流的河床、水面），也可以根据 研究目的人为划分。划定边界后，边界之外 的所有内容（物质、能量）都是外部环境， 而非系统的组成部分。
简介
一、概述 二、泥沙颗粒基本特性 三、床面形态与水流阻力 四、推移质（泥沙的起动与推移） 五、悬移质（水流挟沙力） 六、河道演变（基本原理） 七、河型
第一章 河流动力学概述
最早的人类是沿河流和河谷发展的。 （如尼罗河、黄河、印度河流域文明）从大 禹治水疏导百川、治理江河至举世瞩目的三 峡工程，都利用了河流动力学的基本原理。 河流动力学的研究与发展是人类为谋求生存 而对河流进行治理和利用的，它们之间有着 必然联系。
河流动力学_总结
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。
河流动力学课后习题答案第一章
1.1试分析人工或天然水系中所谓的“死水”或“活水”是否属于动态系统。
它们是封闭系统还是开放系统？举例说明本校园内的人工河流、湖泊属于何种系统？答：“死水”或“活水”属于动态系统，“死水”是封闭系统，“活水”是开放系统。
校园内的人工河流、湖泊与外部环境既交换热量又交换物质，是开放系统。
1.2若一个封闭水体与外部环境只有能量交换（太阳能辐射），而没有物质交换（水量的流入流出），试分析水体的演变趋势。
考虑两种初始条件：①水体十分纯净，没有任何营养物和微生物；②受到污染的水体，有大量污染物和微生物存在。
答：①水体十分纯净，封闭的水体不会发生变化。
②受到污染的水体，有大量污染物和微生物存在。
在水体中会有微生物大量繁殖，水体会进一步污染恶化。
1.3仿照图1-1的例子，试举出更多的实例什么是不稳定、亚稳定和平衡状态。
答：一个圆锥体，以其尖端竖立在一个平面上，这些物体都处于不稳定状态。
翻倒后，处于亚稳定状态，一直要等到它们的重心相对地取得最低位置时，这些物体才会静止不动处于稳定状态。
1.4简要说明水文系统所包含的子系统，并指出我国大陆地区常见的子系统。
答：水文系统包含：1、大气层-海洋系统2、坡面系统3、海岸线系统4、河流系统5、冰川系统6、地下水系统7、风成沉积系统常见的有1、大气层-海洋系统2、坡面系统3、海岸线系统4、河流系统6、地下水系统7、风成沉积系统1.5在泥沙问题的研究中所采用的时间尺度有几种？它们适用于什么学科和什么问题的研究？答：三种。
地质学时间尺度以百万年计，研究地质旋回过程。
现代河流地貌学时间尺度为数十年至数十万年，研究侵蚀旋回。
工程学时间尺度为数天至数百年，降雨和水流与流域坡地、河道边界或人工建筑的相互作用及相应的演变过程。
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)/P4.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。
(完整word版)河流动力学
1。
等容粒径（假定球体)D ： 算数品均值D ： 几何品均值（椭球体）D:泥沙级配曲线（群体性)：表示天然泥沙组成特性，在采集的代表沙样中，小于某种粒径的泥沙累计百分数与该粒径在半对数纸上的关系曲线.粒配曲线反映的特性⑴可反映沙样颗粒的大小和范围;⑵可反映沙样组成的均匀程度。
沙样的特征粒径：⑴平均粒径Dm ：粒径按其所占重量的百分比为权的加权平均值。
1100n i i m i P d d =∆⋅=∑，max min 2i d d d +=⑵中值粒径50d 表示在全部沙样中,大于和小于这一粒径的泥沙重量刚好相等。
求法:粒配曲线—P=50％天然沙的平均粒径常常大于中值粒径2。
细颗粒泥沙的物理化学特征.细颗粒泥沙在含有电解质的水中，颗粒周围会形成双电层。
通常细颗粒泥沙的主要成分是粘土矿物,它们在含有电解质的水中会发生两种可能：电解质中的离子吸附在泥沙颗粒表面；泥沙颗粒表面的分子发生离解。
不论哪种情况都使泥沙颗粒表面带有负电。
由于凝絮作用，细颗粒在沉积时会连结成絮团，絮团与絮团会连接成集合体，集合体还会搭连而形成网架。
絮凝的新沉积物是一个高度蜂窝状的结构,含水量很高，密度很低，这样的淤积物具有很低的抗剪强度或粘结力。
3。
沉速概念，泥沙沉降状态.单颗粒泥沙在无边界影响的静止清水中的匀速下沉的速度。
因数值主要和粒径有关，也称水力粗度，常用ω表示,单位：cm/s.沉降的形式,泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数Re d ωνd G ==沙粒性力水流粘Z 力（式中和d 、ω分别为泥沙的粒径及沉速，ν为水的运动粘滞性系数)①层流状态下降：Re d <0。
5,颗粒基本沿垂线下沉，颗粒不发生摆动、转动、滚动，周围水体不发生紊乱现象。
颗粒沉降属于层流状态，下降速度较慢,绕流阻力以摩擦阻力为主，压差阻力相对较小，d C 与Re d 呈直线关系②紊流状态下降：Re d >1000， 泥沙颗粒脱离铅垂线，以极大的紊动状态左摇右摆下沉,附近的水体产生强烈的绕动和涡动。