河流动力学第五章
《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。
河流动力学章节总结
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。
河流动力学复习重点
• 对数流速垂线分布； • 谢才公式； • 曼宁公式；
第2章 泥沙特性
• 泥沙级配曲线； • 沙样的特征粒径； • 泥沙的密实容重和干容重的概念； 影响干容重的因素；浑水容重； • 泥沙沉速概念；泥沙沉降状态；张 瑞谨沉速公式思路；会用该公式计 算泥沙沉速。
•
• • • • • • •
第5章 异重流
• 异重流基本特性； • 浑水容重6章 河床演变 • 河床演变的概念； • 河床演变原理；运用该原理分析水库上下 游的河床演变或浅滩成因； • 影响河床演变因素； • 平原（冲积）河流的河型； • 按照浅滩外型及碍航情况的浅滩类型； • 造床流量概念； • 河床横向稳定及纵向稳定； • 断面河相关系；
• 平衡河流； • 河流动力轴线（主流线）； • 弯曲河道的水流运动、河床演变规 律； • 分汊河道演变特性； • 游荡河道演变特性。
第7章：河床变形预测
• 水库淤积纵剖面形态； • 坝下游冲刷一般特性；
第3章： 推移质泥沙运动 泥沙运动分类；推移质与悬移质划分； 泥沙起动概念； 床面泥沙在水流中受到哪些力的作用？ 起动流速概念；会用沙莫夫公式计算起动 流速； 沙波形成及发展过程； 沙波运动河流的影响； 推移质输沙率概念及探求途径及各类公式 其思路。
• 第4章 悬移质泥沙运动
• 床沙质与冲泻质概念与特性；为何要划分？ • 悬移质泥沙的紊动扩散理论； • 悬沙垂线分布（ROUSE公式）假设；悬浮指 标概念及对含沙量垂线分布的影响，ROUSE 公式缺点；熟练掌握ROUSE公式； • 重力理论的思路及适用情况； • 水流挟沙能力概念；运用挟沙力判断河床河 床冲淤？ 张瑞谨水流挟沙力公式形式，物理意义，参 数特性；
河流动力学习题集
《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。
上海海事大学河流动力学复习资料
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。
河流动力学总结
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。
清华大学河流动力学概论第5章课件2
[例5-2]某河流的平均水深为h=1.5 m，断面平均流速为U=1.1 m/s，水力坡 解：这个例题的第一种方法是用Einstein法计算。
1) 首先计算基本水力要素：
床面剪切应力：τ0=γhJ = 9800×1.5×0.0003 = 4.41 N/m2 = 4.41 Pa， 剪切流速：U* = (τ0 /ρ)1/2 = (4.41/1000)1/2 = 0.066m/s， 故
h h
Z
U(y)·1 y
1
U·1·Δy·Sv·γs
Δy U Sv
清华大学水利系河流动力学概论
悬移质单宽输沙率的概念 – 垂线积分型:均匀沙的Einstein公式 –
垂线平均型:维利卡诺夫公式 和 Bagnold公式
垂线积分型公式: Einstein悬移质重量输沙率理论
积分得到重量单宽输沙率： 其中的积分函数 I1, I2为：
⎫ ⎧ ⎡ 30.2 Hχ ⎤ ′aS va ⎨2.303lg ⎢ g s = 11.6γ sU * I I 1 + 2 ⎬ ⎥ K s ⎣ ⎦ ⎭ ⎩
A Z −1 I 1 = 0 . 216 (1 − A ) Z ⎡1 − ζ ⎤ ∫ ⎢ ζ ⎥ dζ ⎦ A⎣
1 Z
U(y)·1 y
1
A Z −1 I 2 = 0 . 216 (1 − A ) Z
清华大学水利系河流动力学概论
（这个式子后面将有另外的用途）
13
悬移质单宽输沙率的概念 – 垂线积分型:均匀沙的Einstein公式 –
垂线平均型:维利卡诺夫公式 和 Bagnold公式
均匀沙的Einstein悬移质输沙率公式: 例题
降为J=3 0/000 ，均匀床沙粒径为D=0.6 mm，试求其悬移床沙质的输沙率。
[讲义]《河流动力学》大学教材课件-悬移质运动和水流挟沙力
![[讲义]《河流动力学》大学教材课件-悬移质运动和水流挟沙力](https://img.taocdn.com/s3/m/700de486581b6bd97e19ea73.png)
§5-4 水流挟沙力
3、张瑞瑾方法
“ 制紊功“假说——悬移质具有抑制紊动 的作用，使水流条件（v、h、B）相同的浑水 水流比清水在单位时间、单位流程内的能损小， 两者的差别即制紊功。
据此建立能量平衡方程：
大量存在。 ⑵ 冲泻质 悬移质中较细的一大部分泥沙，在河床中
少有或没有。
§5-1 悬移质概述
二、床沙质和冲泻质﹤仅限于悬移质﹥ 2、区别 ⑴ 床沙质有充分的供给来源，使这部分悬移质有维
持饱和的机会，其饱和含量可以从水流条件与河床组 成条件的相互关系中确定。
⑵ 冲泻质则不同，主要依赖水流从上游带来，在本 河段中得不到充分供给（若上游来量超过本河段水流 所挟带的限度则发生淤积，反之不可能取得应有的补 充），即冲泻质可能是不饱和的，其数量从上游冲蚀 条件与本河段的水流相互关系中探索。
紊动扩散作用 含沙浓度梯度ds/dy 提问：若ω一定，则υ′越大， ds/dy越小
时含沙量垂向分布变化？ 答案：趋向均匀（动态平衡）
§5-1 悬移质概述
问：细沙在静水中能否悬浮？ 答：颗粒极细的泥沙，虽然重力较水大，但
所受的重力作用十分微弱，即便放在在静止 的水中，也可以借助分子的扩散作用与重力 作用相抗衡，从而发生悬浮现象。这是悬移 质存在的一种特殊状态。
§5-2 悬移质含沙量的垂线分布
§5-2 悬移质含沙量的垂线分布
Rouse公式的缺陷： ①因不能求绝对含沙浓度，故不能推求悬移质
输沙率； ②当水面S=0时，河底S→∞，不符合实际； ③若S较大、泥沙颗粒较粗，则计算误差大； ④实际Z比计算结果小，说明实际的悬沙分布
更均匀。
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亿t（ ，涪 占陵 长 到江 全河 段 部） 输沙量(D的50=5918m.m 2)%。 (D50=0.14mm)
(D50=4mm)
寸滩水文站资料统计表明，涪陵长江河段多年平均卵石推移
质(D50研=5究1m认m为)输：沙推量移为质2输8.沙97量万与t，悬沙移质质推输移沙质量(D相50比=0，.14在m平m原) 为 60地0万区t河，流而中悬仅移占质到(D总50=的0.输03沙4m率m的)输1%沙~量5为%4；.6丘亿陵t，地占区到河全流部为输沙 量5的%9~81.57%%；。山区河流为15%~30%。
多沙河流中的泥沙输运大部分是以悬移运动的形式 进行的。
例如，长江泥沙以悬移质输沙为主，约占总输沙量的90% 。
在三峡水库蓄水卵 前石 ，推 移 长质 江宜昌站沙 多质 推 年移 平质均的卵石悬 推移 移质质
(沙D量>1约0m宜 寸 为昌 滩 m8站 站 )6年2万输t沙，量而约悬(2D 87> 为.6移9170万 7m 万 质6tm t万)(Dt5，0=沙0.0质(D 351推860=60m020.移2万 万 m1m tt质)m 年)(D输50沙=0量(.D 25则0154=.m.2066达.0亿 亿 m31到tm t)年m 5).输26
由于分子的扩散作用而进入和流出该隔离体的 染色物质的差值为 ：
( g S x v y t t ) [ g S x v t x ( g S x v ) t x ] y t x ( g S x v ) t x y t
y方向：
由于水体流动而进入和流出该隔离体的染色物 质的差值为 ：
g
S vt x
yt
U t Svt yt
[ g
Svt x
x
(
g
Svt x
)x]yt
[U t S vt
(U t Svt x
)
x]yt
g
S vt y
xt
Vt Svt xt
Svtxt
x方向：
由于水体流动而进入和流出该隔离体的染色物 质的差值为 ：
U t S v y t t [ U t S v t U t x S v t x ] y t U t x S v t x y t
扩散理论：
从泥沙颗粒在紊流中的随机运动出发对泥沙浓度垂向分布 进行研究，称为扩散理论。是通过把泥沙颗粒或液体微团的运 动与分子热运动相比拟而得出的.
基本论点：
当空间不同部位存在某种物质的浓度差异时，则此种物质 将从浓度大的一方朝浓度小的一方扩散，其扩散强度，即单位 时间穿过单位截面的扩散量，应与浓度梯度成正比，等于浓度 梯度与扩散系数的乘积，扩散系数的大小决定于产生扩散现象 的原动力。
河 流 动 力 学 概 论
黄河壶口瀑布
第五章 悬移质运动和水流挟沙力
5.1 泥沙扩散方程 5.2 悬移质含沙量的垂线分布
扩散理论、泥沙扩散系数的试验研究、重力理论
5.3 悬移质输沙率
Einstein公式、维利卡诺夫和张瑞谨公式、Bagnold 公式
5.4 水流挟沙力
理论公式、经验或半经验公式、天然河流挟沙力公式
v t S v x t t [ V t S v t V t y S v ty ] x t V t y S v tx y t
由于分子的扩散作用而进入和流出该隔离体的 染色物质的差值为 ：
( g S y v t x t ) [ g S y v t y ( g S y v ) t y ] x t y ( g S y v ) t x y t
研究泥沙的扩散时，由于泥沙比水重，沙粒还将以 速度ω下沉。
在扩散物质到达的断面取一个长度为Δx，高度 为Δy，厚度为1的水体，分析在时间Δt内进入或者离 开这个水体上下左右四面染色物质的体积。
[εgSyvty(εgSyvt)y]xt
[Vt Svt
(Vt Svt ) y
y]xt
[Sv
Svt y
y]xt
对于紊动水流，流速和浓度均具有脉动，可将流速和含 沙浓度的瞬时值分解成时均值和脉动值，即：
Ut=U+u，Vt=V+v , Ｓvt=Sv+sv
式中大写字符为时均值，小写字符为脉动值，将上式代 入(5-2)式，取长时间平均, 且脉动值的长时间平均为零， 分子扩散系数为常数。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，U/x=0，最后得出泥沙的 扩散方程。
由于泥沙下沉而进入和流出该隔离体的染色物 质的差值为 ：
[S v S y v ty ] x tS v x t S y v tx y t
根据质量守恒定律，当进入和离开隔离水体的染色 物质的体积不等时，将引起水体内染色物质的浓度随 时间的变化如下：
S t v t x y t ( U t x S v ) t ( V t y S v ) tω S y v t x ( ε g S x v ) t y ( ε g y v ) t x y t
基本方法：
用梯度型扩散(如Fick扩散定律)来描述颗粒随机运动的宏观 结果。
Fick扩散定律：
德国生物学家A.Fick 认为热在导体中的传导规 律可用于解释盐分在溶液中的扩散现象：
Dn
n
dsvt dn
即单位时间内通过单位面积的溶解物质Dn与溶质
浓度Svt在该面积的法线方向n的梯度成正比。式中n
为n方向的扩散系数，对于泥沙扩散的情况，Svt即代 表瞬时含沙浓度。
§5.1 泥沙扩散方程
以悬移形式运动的泥沙颗粒具有较细的粒径，可 以随着水流的紊动在水体中随机运动。
在垂向上，泥沙颗粒的运动可以看成是两种运动的 叠加，即重力驱动下的沉降运动和水流紊动驱动下的 随机运动。
当颗粒的数量很大时，宏观上将形成泥沙垂向运 动的动态平衡，此时泥沙浓度在垂向上有一个稳定的 分布。
式中负号表示溶解物质总是从浓度高的地方向低 的地方扩散。
在二维水流中，设Ut、Vt分别为纵垂向的瞬时流速, Svt为瞬时含沙浓度。如果在水中注入一团染色物质，由 于水流的扩散作用，这团染色物质随着水流向前运动的 同时，将不断向上下左右扩散。由于垂向上的时均流速 为零，所以垂向上的染色水体扩大与时均运动无关，而 是纯粹的扩散作用引起；纵向上的染色水体扩大与扩散 作用和时均剪切离散作用都有关。