第七讲河道阻力
妨碍河道行洪总结
妨碍河道行洪总结引言河道是自然界中的重要水文要素，其作用十分重要。
河道的主要功能之一是行洪。
行洪是指河道在暴雨、洪水等自然灾害来临时，承受大量水流的能力和过程。
然而，在实际情况中，我们经常会发现一些妨碍河道行洪的情况。
本文将对这些妨碍河道行洪的因素进行总结和分析。
妨碍河道行洪的因素1. 具体地形河道所经过的地形特点是影响河道行洪的重要因素之一。
如果河道地势较高而河道本身较窄，就会造成河流水位上涨，进而导致河流水量增大，增加了行洪的风险。
此外，如果河道地势陡峭、多峡谷地形，水流速度也会增加，加重了行洪的威胁。
2. 城市化进程随着城市化进程的不断推进，城市化现象对河道行洪产生了巨大影响。
大量的建筑物、道路和排水系统的建设改变了自然河道的原貌，加剧了行洪风险。
例如，城市中大量的硬化地面，如水泥路面、建筑物和停车场等，导致降雨无法自然渗透入地下，使得雨水很快流入河道，进而加大了河道的水流量，形成洪水。
3. 河道淤塞河道淤塞也是妨碍河道行洪的重要因素之一。
河道淤塞是指由于沉积物、垃圾和植被等的堆积，导致河道断面变窄、水流速度减缓的现象。
如果河道淤塞严重，那么在洪水到来时，河道的水流容量将大打折扣，行洪能力将受到极大的限制。
此外，淤塞还使得水流在河道内的分布不均匀，增加了沿岸地区的淹水风险。
4. 河道中的障碍物河道中存在的障碍物也是妨碍河道行洪的重要因素。
这些障碍物包括浮木、岩石、建筑物和桥梁等。
这些障碍物会阻碍水流的正常通行，增加河道的水流阻力，进而影响河道的行洪能力。
此外，由于障碍物的存在，水流可能会形成漩涡，引发局部的水位上涨，加剧洪水的危险性。
影响妨碍河道行洪的结果1. 水灾风险的增加妨碍河道行洪导致的直接结果就是水灾风险的增加。
行洪受阻，河道的水位上涨，增加了沿岸地区的淹水风险。
在严重情况下，洪水可能会席卷城市和农田，对人类、动物和农作物造成严重损失。
2. 生态系统破坏河道是一个复杂的生态系统，其中存在着众多的动植物。
河流总阻力=摩擦阻力+形态阻力
河流总阻力=摩擦阻力+形态阻力一、概述河流是自然界中重要的水域系统，对于生态环境以及人类社会发展都具有重要意义。
而河流的流动受到各种阻力的影响，其中包括摩擦阻力和形态阻力。
本文将从理论与实践的角度探讨河流总阻力的计算方法及影响因素。
二、摩擦阻力1. 摩擦阻力的定义摩擦阻力是指水流在河道中因与河床和河岸的摩擦作用而产生的阻碍水流流动的力量。
摩擦阻力与水流的速度成正比，河道的粗糙程度和水流的黏度也会影响摩擦阻力的大小。
2. 计算方法摩擦阻力可根据流体力学理论和实验数据进行计算，通常采用Prandtl-Colebrook公式或Nikuradse公式来计算摩擦阻力的大小。
这些计算方法需要考虑水流的流速、粘度以及河道的粗糙度等因素。
3. 影响因素河流的摩擦阻力受到多种因素的影响，包括水流速度、河道横截面形状、水的粘度、河床和岸边的材质等。
不同的河流具有不同的摩擦阻力特征，因此在工程实践中需要针对具体情况进行分析和计算。
三、形态阻力1. 形态阻力的定义形态阻力是指水流由于河道的形态变化而产生的阻碍水流流动的力量。
河流的曲折、弯曲、河床起伏等形态特征都会对水流产生影响，形态阻力是由这些形态特征引起的。
2. 计算方法形态阻力的计算方法相对复杂，通常需要进行水工模型试验或者数值模拟分析。
通过测量水流在不同形态条件下的流速和水位变化，可以得到形态阻力的大小。
3. 影响因素河流的形态阻力受到河道曲率、河床起伏、河道交叉等因素的影响。
不同形态特征会对水流产生不同的阻力作用，因此在河道设计和水利工程规划中需要充分考虑形态阻力的影响。
四、河流总阻力的计算河流总阻力是摩擦阻力和形态阻力的综合效应，其计算需要综合考虑摩擦阻力和形态阻力的大小和分布特征。
通常可以采用专业的水工模型试验或数值模拟方法来进行河流总阻力的计算，以更精确地评估水流在河道中的阻力情况。
五、结论河流总阻力的计算涉及多个复杂的因素，其中摩擦阻力和形态阻力是影响水流阻力的重要因素。
CH1河道水流、泥沙特性
• 河湾水流：是河道中常见的水流现象，一种三元流动。实 际是横向运动与纵向运动结合的螺旋流。
不同情况下的环流结果
河道水流的流速分布
卡曼-普兰特尔（Th.von.Darman-L.Prandtl）对数流速分布公式
umax u 1 1n h
• 水土流失（soil Loss) 包括水和土的流失两个方 面。它与土壤侵蚀概念不同。从侵蚀作用 力来看， 为水力侵蚀，水土流失量是指离开某一范围的地 表物质总和，一般土壤侵蚀量大于水土流失量。
• 土壤侵蚀与产沙（sediment yield)
• 也是两个不同的概念，产沙是指侵蚀的土壤量能 够到达流域出口的泥沙量。因此，产沙小于侵蚀 量，两者之间用泥沙输移比表示。如以长江上游 宜昌，20世纪80年代平均侵蚀量为15.7亿吨，同 期宜昌站输出沙量5.49亿吨
通常采用实测的方法来确定Ks，即测出河槽的流速分布和 U*，再用槽壁流速公式反推粗糙高。
也有人用床沙情况来初估Ks，如对于均匀床沙，采用 Ks=0.7d，d为床沙粒径；如对于非均匀床沙，采用 Ks=d65，d65为床沙组成中出现概率是65%的粒径；不同 实验条件不同，仅供参考。
槽壁流速公式:
8.5
几个概念简析
0.5
3.30 15.3 41.1 71.9 93.5 98.8 100
• 习题3
• 用规范公式和张瑞谨公式分别计算水温24 ℃ （相应ν ＝0.0091cm2/s)，粒径d分别为0.01、 0.05、0.1、0.5、1.0、2.0、10.0、20.0mm的 沙粒的沉降速度，取 s 2.65 g / cm3
摩阻流速U*：
τ U*= gRJ =
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。
近期长江下游河床阻力变化特征
近期长江下游河床阻力变化特征冲积河流阻力是泥沙运动力学的基本问题,它与河流的泄流能力及挟沙能力直接相关。
其与一般定床明渠水流阻力不同,由沙粒阻力、沙波阻力、边壁阻力等组成。
其中,沙粒阻力和沙波阻力又统称为河床阻力,在宽深比较大的天然河流中,它是冲积河流阻力最为重要的组成部分。
河床阻力反映了水流对河床作用力的大小,决定着泥沙运动的强度。
近年来,人类活动作为第三驱动力对于长江下游的影响日益增大,尤其是长江三峡及南水北调等工程的兴建,导致上游来沙减少约2/3,三峡大坝下游,河床沉积物粗化的河段有不断下移的趋势,势必会引发长江下游河道河床阻力自适应调整。
因此,亟需重新认识和研究新形势下长江下游河床阻力的分布特征,为该河段的航道整治,航运安全及防洪提供较为可靠的参考依据。
影响河床阻力的因素有河床的糙率、形状、水力半径和水深、水流流态和含沙量等,为获得更为精确的河床阻力参数,本文通过对2014年至2016年间长江九江至长江口河段河床床面沉积物、形态、水深和流速开展粒度样品现场采集与室内分析、多波束测深系统、双频ADCP的测量与分析,计算九江至长江口河段河床阻力,探讨长江下游河床阻力的分布特征及影响因素分析。
另一方面,河床阻力系数尤其曼宁系数是数值模拟的一个重要参数,直接控制着流量、速度、深度等水力要素的模拟结果和精度,在天然河道、明渠、管道的过水能力计算、洪水演进预报准确度和精度发挥关键作用。
因此,基于以上实测数据计算的河床阻力系数,通过Delft3D数值模型模拟分析在超警戒水位下,长江南京河段洪水位与流量过程,以期为防洪管理提供较为可靠的技术和数据支撑。
主要研究结果如下:(1)三峡蓄水前(2003年),长江下游自九江至吴淞口河道沙粒阻力最大134 N/m~2,最小2.2 N/m~2,平均沙粒阻力为54.6 N/m~2。
而三峡蓄水后(2014~2016年),长江下游自九江至吴淞口河道河床沙粒阻力最大40 N/m~2,最小5.8 N/m~2,平均沙粒阻力为20 N/m~2。
rAAA水流阻力和水头损失共17页文档
hj 22 g1 222 2 g1212 g 22
将 2A 1 1/2和 1A 22/A 1代入得：
hj 121g2 11A A1 22
一、定性规律
1.
Re2000层流，
64 Re
与理论结果一致，fRe实验
点落在ab上。
2. 20 0R0 e40过0渡0区，实用意义不大。
3. Re4000
（a）实验点落在直线cd上，紊流光滑区，fRe， r 0
的不同决定于离开此曲线早晚不同。
（b）实验点落在cd线与ef线之间，紊流过渡区，
2.阻力平方区：
1
2
2
lg 3.7
d
3.过渡粗糙区：很复杂，人工粗糙管与自然粗糙管有所区别。
柯列布鲁克公式： 11.742lgr0R1e8 .7
三、穆地图
1938年，蔡克士大，矩形明渠中实验，规律与尼 古拉兹相同。
四、谢才系数的计算
曼宁公式： c 1 R1/6
1904年，普朗特提出： u0.99u0
两个区域：
外部势流(Potential flow)区：理想流体的无旋运动，0 固体边界很薄的区域：剪切层，流动有旋，0实际流体 du x
dy
很大，需考虑液体的粘滞性，边界层厚度 x
很薄，u01m/s,t20 0,L1m,L毫米数量级
4.6 局部水头损失(Local head loss) 的计算
hj
2 2g
——局部水头损失系数
圆管突然扩大：
由能量方程得：
hj z1z2p 1p 22222 g112
北江下游河道阻力分析研究
糙率 是由河道的形 态及断面形状所决定的 ， 另外北江下游河 床是泥沙质河床 ，它 的沙粒 阻力也 可以 由公式推导 求出 ， 经
床面形态一方面与水流 的流态有密切关 系 ， 另一方 面也
分析研究影 响北江下游糙 率的 主要 因素就是 河道河 床的变 化和沙粒 阻力 的大小 。 由石角站历年来 的实测资料计算分析 （ １ 可知 ， 表 ） 其糙 率是 不断变化 的 ， 糙率 的大小直 接影 响断 面平均流速 的大小 ，进而影 响着河道水 流对河床 的作用力 ，
岸 壁 状 况 以 及 水 温 变 化 引起 的 阻力 变 化 等 。
断 面 的 流量 进 行 计 算 和 分 析 。
２ 河道 糙 率
河道糙率作为表征水流能量沿程损 失的重要参数 ， 不仅
是河 流水 沙输移模拟 中必须考虑 的问题 ， 而且该参数 的取值 对河道治 理规划设计也起 到至关 重要 的作用。 根据大量资料
（） １
变的， 因此无论 是沿 程阻力还是局部 阻力都处 于经常变化之 中， 其综合 糙率系数将不 再是一个常数 ， 其床 面形态 与河流 的流动结构 、水流阻力 和泥沙运输 等问题有密 切 的内在联
系。
．
—
径 ；
卜
比降 。
决定河床 阻力 的因素有很多 ， 主要包括河槽 的沿 程阻力
收稿 日期 ：０ ０ ０ — ０ ２ １— ５ １
作者简 介 ： 朱昆鹏 （９ ９ ）男 ， １７ 一 ， 广东人 ， 工程师 ， 主要从事水文水资源研究 。
但对于天然河流 ， 多采 用曼宁糙 率 ｎ表示水流阻力 系数的大 小， 糙率 ｎ实 际上又是通过如下 的谢 才公 式反求的 ， 即 亦
ｖ ：Ｊ， ： ， ， ｚ
北方河流冰期水流阻力分析
[文章编号]1009-2846(2008)09-0001-03北方河流冰期水流阻力分析孙建儒,孙景春[收稿日期]2008-03-28[作者简介]孙建儒(1982-)男,大专,现从事水文水资源勘测工作。
(吉林省白城水文水资源勘测局,吉林 白城 137000)[摘要] 本文通过由流速分布推求冰期河道冰盖糙率系数,提出了由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法,同时考虑冰盖影响区与河床的流速分布,确定最大流速位置,阐述了冰盖对水流的阻力是研究河道冰情演变及其运动规律的依据。
并对河道冰期形成冰盖,其阻力使河道水位升高、过流能力降低、水位流量关系改变。
流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了分析。
为北方地区基层测站的冰期测验工作提供参考。
[关键词] 北方河流;冰期水流阻力;冰盖及河床糙率;流速分布;河道冰情[中图分类号] T V13112+2[文献标识码] B1 导 言常期的工作实践,我们不难得知,冰盖的形成使河道水力现象发生改变,引起水流阻力增加从而导致河道过流能力下降及能量损失增加。
对于宽浅式河道,假定冰盖很薄,则水力半径几乎减小到明流水力半径的一半。
从而给河道的冬季运行带来一系列问题:若封冻河道中流量剧烈增加,将引起冰盖破碎形成冰塞、冰坝;明流条件下建立起来的水位、流量关系不适于封冻河流。
冰盖形成对河道过流能力和泥沙运动将产生明显的影响。
结冰河道的糙率是反映河道阻力大小的主要参数。
是计算冰盖下流速、水位和流量的重要因素。
因为,冰盖下表面糙率很难直接量测得到,一般只能由流速分布进行间接估算,冰盖下的过流断面由于水中冰的堆积而发生变化。
所以冰期河道的水面比降与恒定均匀明流条件下的水面比降相等的假定并不完全正确,当有大量水中冰堆积或水流要素急剧改变时,河床糙率在有冰盖存在时,与明流条件下相比有显著的不同,这些影响因素均随时间而变。
要想掌握盖面冰对水流的阻力,研究河道冰情演变及其运动规律,则有必要对冰期河道阻力问题进行分析与探索。
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综合阻力系数与水流强度关系
7.6 基于实测资料的计算
收集计算河段不同流量下的同时水面线资 料，通过假定糙率n，看计算水位与实测水 位的差值，如偏低则加大n，反之依然，直 至基本吻合。称为试糙法。 计算时对于大型床面形态、泥沙成型淤积 体，要仔细分析形状阻力。
模型验证图
280 275 270 265
根据10条河流的资料建立了沙波阻力与水 流条件的图解关系。
U F ' " U*
水流参数（希尔兹数的倒数）：
s D35 ' ' Rb J
沙波阻力与水流参数的关系
爱因斯坦法计算步骤
假定R’ 计算U 计算ψ’，并确定U*”. 确定R” 计算R=R’+R”，确定A 用Q=VA计算Q，看与给定Q是否一致。否 则重复假定R’。
w RJ w
n p nw的划分
' " 总阻力： b b b 水力半径分割：
能坡分割法：
Rb R R
' b
" b
Jb J J
' b
" b
7.4 阻力单元的计算
7.4.1 定床沙粒阻力
床面糙率的尺寸可以用Ks来表示。 根据床沙粒径与近壁层流层厚度的比值可以把
计算值 实测值
水位（m ）
260 255 250 245 240 0 20 40 60 80 100 平距（km ） 120
一维水位验证
结束！
床面分为：粗糙区、光滑区和过渡区。 光滑床面流速分布：
u yU* 5.5 5.75log U*
粗糙床面流速分布：
统一公式：
y u 8.5 5.75log K U* s
u y 5.75log 30 . 2 U* K s
爱因斯坦动床阻力公式
爱因斯坦认为沙粒阻力仍然符合对数流速公式， 不过水力半径及摩阻流速要用沙粒阻力对应值。
U R' 5.75 log 12 .27 ' U* K s
U gR' J
' *
K s d 65
11.6 U *'
修正系数χ查图
沙波阻力
第七讲 河道阻力
黄尔 2012年4月
7 河道阻力
7.1 河道阻力的基本概念 7.2 阻力叠加原理 7.3 河道阻力单元划分 7.4 阻力单元的计算 7.5 综合阻力的计算 7.6 基于实测资料的计算
7.1 动床阻力的基本概念
在明渠水力学（定床水力学）中，阻力系 数可视为常数。 在河道水力学（动床水力学）中，由于床 面形态(比如沙波)随水流强度的变化，导致 动床阻力也相应变化。 由于流速分布公式揭示了断面流速、水力 半径、能坡、阻力系数之间的关系，知道 阻力可以预报流速及流量，所以又被称为 阻力公式。（如曼宁公式）
根据水槽试验，建立：
f '
7.5 综合阻力的计算
由部分阻力对到总阻力的方式计算很繁琐， 在工程实践中需要快速计算，经常采用综 合阻力系数的方法。
钱宁-麦乔威综合阻力公式
曼宁公式的转换：
1 2 / 3 1 / 2 0.32 1 / 6 0.32 1 / 6 U R J R gRJ R U* n n n
J J ' J "
J"
沙波阻力按局部突然扩大阻力考虑：
ha
2 2 Fr 2 Lh
转化成希尔兹数表达式：
'"
恩格隆动床阻力方法（二）
计算切应力时，仍然采用水力半径分割法。 流速分布采用恩格隆－汉森公式
R' 6 2.5 ln 2.5d gR ' J 65 U
修正系数χ与相对糙度的关系
对流速分布公式积分得到断面平均 流速公式
床面光滑：
U RU* 3.25 5.75log U*
粗糙床面流速分布：
统一公式：
R U 6.25 5.75log K U* s
U R 5.75log 12 . 27 U* K s
7.2 阻力叠加原理
阻力叠加原理：实验表明，作用在同一周 界上的总阻力等于不同的阻力单元的阻力 之和。 学习试验方法！
第一组试验
第二组试验
7.3 河道阻力单元划分
沙粒阻力：肤面摩擦 沙波阻力：迎水面与背水面压力差，形状阻力 河岸阻力：山区河流峡谷段的岸壁阻力尤为重要 滩面阻力：滩面由于植被的生长，阻力情况尤为 复杂。 河槽形态阻力：江心洲、边滩等大型淤积体的阻 力 人工建筑物的外加阻力：桥墩、丁坝、闸墩等。
U 0.32 1 / 6 R U* n
从量纲分析： n 1 K 1 / 6 s
A
钱宁公式：
nD
1/ 6 65
/ 19
李昌华-刘建民综合阻力公式
以流速与起动流速之比为参数的阻力公式：
y U D50 F U n 起动流速采用冈恰洛夫公式： c
8.8h s U c 1.07 gD50 lg D 95
例题（邵学军《河流动力学概论》 P65例题3-3）
梯形断面如图。已知流量Q=40m3/s， J=2/10000，B=5m，ν=10-6m2/s,泥沙比重 2.65，D35=0.4mm，D65=0.7mm，按爱因 斯坦公式求水深。 用Excel试算求解。
恩格隆动床阻力方法（一）
能坡分割：
7.3.1 河底阻力与河岸阻力的划分
总阻力： 0 p b pb w pw 水力半径分割法：
阻力合成：
b Rb J w Rw J
n
3/ 2
p nw
3/ 2
pw nb
3/ 2
pb
P、Pw、Pb为全断面、河岸部分、河底部分对应的湿周
能坡分割法： b RJb 综合阻力：