河流动力学概论绪论
《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
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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。
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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
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》课件
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地形特征对河流的影响
地形特征决定了河流的基本特点，如流向、流速、泥沙运动等，也影响了河流的开发和治理方式。
包括径流量、流量、水位等，受到气候、地形等因素的影响。
河流水量
包括水的清澈度、污染状况等，与人类的生产和生活密切相关。
水质状况
河流水量和水质状况对人类的生产和生活具有重要影响，如灌溉、航运、发电等。
河流的演变与变化
河谷的形成与演化
河谷的形成是由于水流侵蚀和沉积作用的结果，随着时间的推移，河谷的形态和规模会发生变化。
河流的裁弯取直
在长期的演变过程中，河流会不断裁弯取直，改变河道形态，以保持稳定的流向。
河流的发育阶段
从源头开始，经历上游、中游、下游等不同阶段，每个阶段都有不同的地貌特征和演变特点。
特点
A
B
C
D
河流是地球生态系统的重要组成部分，河流动力学的研究有助于了解和保护地球生态系统。
河流是人类生产生活的重要资源，河流动力学的研究有助于合理利用和保护水资源。
河流是自然灾害的重要来源之一，河流动力学的研究有助于预测和防范自然灾害。
02
CHAPTER
河流的分类与特征
河流的分类标准
按河流的流域面积、河流水量、河流流向、流域地形等标准进行分类。
水文循环是影响河流变化的重要因素，降雨、蒸发、径流等环节都会对河流产生影响。
水文循环
气候变化
地质构造
气候变化如气温、降水等的变化会影响水文循环，进而影响河流的演变。
河流动力学论文
中国农业大学课程论文（2011-2012学年秋季学期）论文题目： 长江河道的变迁课程名称： 河流动力学概论任课教师： 陈明洪班 级： 水电091班学 号： 0909080126姓 名：蒋桃长江河道的变迁长江是我国的黄金水道，而自宜昌至河口的长江中下游更是黄金水道中的黄金段，岸线长度3 822 .2 km，沿江地区经济发达，城镇化水平较高，是我国重要的经济区和下世纪重点发展地区之一。
随着该地区经济的发展，沿江建设越来越多，经济发展对长江的依赖性越来越大。
而且我的家乡在宜宾，是三江汇合之地，站到合江门前，望着金沙江，岷江滔滔江水汇合成长江，心中顿时激动万分，澎湃万千。
所以，在这里我想谈谈关于长江河道变迁的一些内容。
长江河道的基本情况如下：长江中下游从宜昌至河口全长约1 900 km。
其中宜昌至枝城河段属从山区性河道向冲积平原河道过渡的顺直微弯型河段；枝城至藕池口段又称上荆江，属弯曲河型；藕池口至城陵矶段又称下荆江，属典型的蜿蜓河型；城陵矶至徐六泾段属分汊河型；徐六泾以下为河口段。
长江中下游水流和泥沙主要来自宜昌以上干支流。
宜昌站和大通站多年平均径流量分别为4 510亿m3 和8 940亿m3，多年平均输沙量分别为5.16亿I和4.51亿I。
宜昌站近50 年的来水来沙具有如下特点：（1）历年水沙量变化过程基本相对应，即沙量随水量增减而增减。
1954 年径流量为5 751亿m3，输沙量为7.54亿I，均居近50 年的首位；1994 年径流量为3 475亿m3，输沙量为2.1亿I，为近50 年的最小值。
（2）历年水沙量变化过程为波动变化的随机过程，径流量和输沙量无明显增加或减少趋势。
（3）近50 年来宜昌站出现的最大洪峰流量为70 800 m3 / S（1981 年），1954 年和1998 年分别为66 800 m3 / S和63 300 m3 / S；最小流量为2 770 m3 / S （1979 年）。
河流动力学复习资料(河海大学)
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09 级港航 5 班
崔超明
河海大学
5.悬浮指标（z= / U*） 反应了重力 与紊动 U*间的对比：z 小 紊动作用强 分布 均匀 ； z 大 重力作用大 分布不均匀 ；z=5 作为悬浮临界判别值 6.扩散理论三个假定： 窦国仁公式： y=m，泥沙扩散与紊动交换相同 K 0 S U3 g U U b c 对数流速分布，＝0.4，清浑相同 C02 S g 单颗粒的 静动水相同：一般没问题 式中： C 1 1 1 7.扩散理论没有考虑： C0 h 6 ， U '：止动流速 g n g 1 泥沙颗粒对水团的作用 K 0：全部近底泥沙K 0＝0.1； 2 泥沙悬浮对水流的影响 沙质推移质K 0＝0.01 3 泥沙扩散与动量扩散的差别 悬移质中床底沙 K 0＝0.09 4 没有考虑泥沙颗粒之间的相互碰撞 8.悬移质输沙率：一定的水流与河床组成条件下，水流在单位时间内通过河段下泄，所能挟 带的悬移质中床沙质的数量。 9.实际输沙和挟沙能力：两者通常是有差异的；前者大：超饱和状态，淤积；前者小：次饱 和状态，冲刷；悬移质输沙率：不冲不淤，水流处于饱和。 10 河床变化趋势： ♥ 不冲不淤或饱和状态是水流变化的方向 ♥ 超饱和 淤积 含沙量减少 饱和状态 ♥ 次饱和 冲刷 含沙量增加 饱和状态 11.总输沙率：在一定的水流与河床组成条件下，单位时间内，通过河段（断面）能够下泄 的沙量 名称：总输沙率：水流输沙能力，水流挟沙能力，水流挟沙力 床沙质总输沙率：不含冲泻质 全沙总输沙率：包括冲泻质
河流动力学1-绪论
绪论●课程的意义：我国河流众多，仅流域面积在1000m2以上的河流就有1500多条，全国正常年径流量达27100亿m3，水能蕴藏量为5.8亿kw；年均输沙量1000万吨以上的有42条，直接入海泥沙总量20亿吨，黄河长江的总输沙量占世界13条大河总量的1/3(其中黄河是世界上泥沙最多的大河，多年平均数沙量达16亿吨，长江宜昌站平均年输沙量5.3亿吨)。
●课程与专业的关系：1、水文水资源专业：河流动力学是水文水资源专业的技术基础课，也是该专业的专业方向之一，它具有双重性。
水文水资源专业是研究地球上水的运动规律及资源评价利用和开发的专业。
地表降水、产流、汇流必然产生地表的侵蚀、产沙、泥沙的输移和堆积。
对地表上水和沙的研究常常相互关联，特别是解决多沙河流的水文测验、水文预报和水力计算等问题，更需要河流动力学的基本知识。
2、港航专业及水利水电专业：河流动力学是该专业重要的技术基础课，是研究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的变化和发展的一门科学，是人类同江河作斗争的过程中诞生与成长起来的，与水利工程、港航工程建设的关系十分密切。
如：港址选择，除考虑国民经济建设需要及陆域条件外，还需弄清河道的冲淤变化情况，尽可能选择冲淤变化不大或冲淤变化朝着有利于港口建设方向发展的地方建港；在河流渠化或运河工程中必须重视泥沙及河床演变问题，例如壅水渠区泥沙淤积问题，坝下游河床冲刷问题和船闸引航道冲淤问题等。
●本章知识要点：1、课程内容及与本专业的关系2、研究对象及学科发展概括3、课程概貌、研究方法及学习特点●泥沙问题在生产实践中的重要性：1、防洪问题：洪水的泛滥成灾与上游来沙多少有关：（1）大量泥沙淤积，抬高河床，行洪能力降低。
如：黄河（2）宽浅河道，主流迁徙无常，严重降低对洪水的抵御能力。
如：黄河中下游龙门—潼关河段具有“揭河底”现象。
2、水库泥沙淤积和枢纽上下游河床演变（1）库容减小，影响水库正常调度使用，降低兴利指标。
清华河流动力学概论第1章课件1
清华大学水利系河流动力学概论
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动态系统的平衡状态
在所有动态系统中，都存在着建立和维持平衡 的趋势。平衡状态 (equilibrium) 是指一种能量最低 (lowest possible energy)的状态
滑坡 地球的各种 动态系统寻 求平衡状态 火山喷发 地震 河流改道 山体岩石寻求平衡状态 高压岩浆寻求平衡状态 板块构造寻求平衡状态 悬河洪水寻求平衡状态
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周次
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
日期
2014. 9.25 10.9 10.11(调课) 10.16 10.23 10.30 11.6 11.13 11.20 11.27 12.4 12.11 12.18 12.25 2015.1.1 2015.1.8
“平衡状态”:系统能量是最低的 Equilibrium
“处于平衡状态”：小球 对于平衡位置的小偏离， 可自动恢复。
“处于平衡位置”：小球对 于平衡位置的小偏离，很可 能会自动加大而不可恢复。
17
清华大学水利系河流动力学概论
亚稳定不是平衡状态。足够大的扰动可使看起来 很稳定的物体改变现有状态、寻求真正的平衡状态。
原有地貌消失、新的风 化或冲积地貌形成过程
结果
地球总是具有一 个年轻的表面
8
清华大学水利系河流动力学概论
地球动态系统
地球上全部水的体积
由于水的存在而 不同于其他行星 地球上全部大气的体积
清华大学水利系河流动力学概论
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月球上，数千 万年前巨石滚 动的痕迹还完 好地保留着
月球：无大气运动，无 搬运现象 ，很多古老痕 迹完整保留（这在地球 上是无法想象的）
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1962.3 泥沙淤积量达15亿吨 1964年 淤积量已达44亿吨，且淤积末端不断向上游延伸
此后被迫放弃蓄水，将已安装好的第一台机组拆迁，进行改建，延
长工期10年
河流泥沙动力学
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有关的工程问题
3、水利枢纽下游的河床变形 河道上游修建水利枢纽后，泄水将使下游河床发生两种冲
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河流动力学
河流泥沙动力学
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一、河流动力学概念
河流动力学 ——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。 即：关于河流运动发展的基本规律的系 统知识。
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二、研究意义
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有关的工程问题
河流动力学主要研究水流与河床的相互 作用规律。
泥沙运动在水流与河床交互作用中的这 种纽带作用，使得泥沙运动的基本规律 的研究成为河流动力学中的核心问题。
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五、主要研究内容
《河流动力学》主要研究内容包括 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
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四、课程特点
概念性较强 知识点相对分散 经验公式多
对于众多经验和半经验公式，不要求背诵，在了解公式推 导过程后，注意力放在弄清其物理概念，分析影响因素，注 意其建立条件和适用范围等方面，并通过一定的作业来帮助 了解掌握课程内容
推导繁琐 图表较多
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五、主要研究内容
习题
第0章 绪论
要求掌握的内容 1、 河流动力学的概念。 2、河流动力学研究的主要内容。
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第0章 绪论
一、河流动力学概念 二、研究意义及本课程作用 三、课程性质 四、课程特点 五、主要研究内容 六、本课程的主要学习内容 七、发展简史 八、研究方法
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河流动力学
河流：地面汇集径流及地下径流 河流的分段：河源、上游、中游、下游、河口
分别将紊流的扩散理论引用到悬移质运动。 1938年ROUSE关于泥沙紊动扩散理论，标志了独立学科的问
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0.2
河流动力学
天然河流总是处在不断变化和发展过程中
➢哲人说：一个人两次不能踏入同一条河流； ➢俗话说：三十河东，三十年河西(弯道、游荡型河道) ； ➢冲积河流弯道的发展规律。
河流的变化和发展是水流与河床相互作用的结果
➢河流是水流与河床两方面矛盾的统一体； ➢泥沙运动是水流与河床相互作用的媒介(泥沙的角色)。
水利工程
➢库区淤积、淹没，坝下冲刷等均需进行河流动力学研究
港口码头 航道工程 取水口 跨河桥梁 其它涉河工程
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综上，由于人们在利用河流兴建各种水利工程引 起了一系列问题，迫切需要对河流泥沙的运动规律及 与之相关的河床演变规律进行研究。
认识河流的自身的发展变化规律最终目的是利用 其为人类服务，或者引导其朝着有利于人类的方向 发展，或者最小限度地降低因改变河流自然进程所 带来的负面效应，这是河流动力学学科的根本所在。
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三、课程性质
《河流动力学》是水文专业的技术基础课，也是该专 业的研究方向之一。
河流动力学广泛应用水力学、水文学等学科的原理和 方法处理问题。河流动力学是治河工程、灌溉排水工 程、水力发电、航道及港口工程等学科的理论基础之 一。它与地理科学、环境科学有着密切的关系。
水文专业是研究地球上水的运动规律及开发利用的专 业。地表降水，产流，汇流必然产生地表的侵蚀、产 沙和泥沙的输移和堆积。对地表上的水和沙的研究常 常相互关联，特别是解决多沙河流的水文测验、水文 预报和水利计算等问题，更需要河流动力学的基本知 识。
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。
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六、本课程的主要学习内容
第一部分 河道水流 包括：河道水流的一般特性、河道水流的运动结构。
第二部分 河流泥沙运动规律 包括：泥沙来源及组成、泥沙的几何特性及重力特 性,泥沙的运动形式、推移质泥沙运动、悬移质泥沙 运动、水流挟沙力。
平均不足 2年就有一次
河流泥沙动力学
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有关的工程问题
2、水库泥沙淤积问题
水库蓄水同时拦蓄泥沙，减小库容，影响水库正常调度运用，降低
兴利效益；由于泥沙淤积，水库末端上延，库面不断扩大，使得上游河谷、 农田受到淹没和侵没的影；泥沙随水流进入发电水轮机组，造成磨损， 影响发电机寿命。
黄河三门峡水库——
16世纪中叶中国的潘季驯提出“筑堤束水，以水攻沙”的治河 原则。
1786年法国的P.杜布阿研究了泥沙起动、沙波形成、断面稳 定、粗化作用和河流形态等问题。
1879年法国的P.迪布瓦创立推移质运动的拖曳力理论。 1895年英国R.肯尼迪提出冲积回流的“均衡”理论。 1931～1933年美国的M.P.奥布赖恩和苏联的B.M.马卡韦耶夫
第三部分 河道演变规律 包括：河床演变的基本原理、分析方法，河相关系， 不同河型的演变规律。
第四部分 主要工程泥沙问题研究（*） 包括：水库泥沙问题、水利枢纽泥沙问题、引水工 程泥沙问题、港口及航道泥沙问题。
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七、发展简史
15世纪意大利的达·芬奇首先采用观测和试验方法对河流水力 学进行研究。
1、防洪问题 洪水的泛滥成灾多半与上游来沙过多并在河床上
大量堆积有关：
河床日益抬高，行洪能力降低，一遇非常洪水就可能漫堤溃决 河深宽浅，主流迁徙无常，严重降低对洪水的抵御能力
特别是黄河下游，由于含沙量非常之大，导致“二级悬河”
和“小水大灾”的出现，建国前的2500多年中，就决口泛滥1593次，
较大的改道就有26次。
刷： ❖ 较短河床上的局部高强度冲刷，将直接危及枢纽本身的安全； ❖ 较长河段上的一般冲刷，将使河床和水位在较长距离内降低，
引起护岸工程和桥梁附近的基础遭受破坏。
因此，在设计水利枢纽时，应充分认识和考虑到这种冲 刷的危害。
河流泥沙动力学
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有关的工程问题
河道两岸大堤
➢黄河属游荡型河流，如无护堤，后果无法设想