河流動力學(xué) 水利系焦玉倩 簡介 一 概述二 泥沙顆?；咎匦匀?床面形態(tài)與水流阻力四 推移質(zhì) 泥沙的起動與推移 五 懸移質(zhì) 水流挾沙力 六 河道演變 基本原理 七 河型 第一章河流動力學(xué)概述 最早的人類是沿河流和河谷發(fā)展的 如尼羅河 黃河 印度河流域文明 從大禹治水疏導(dǎo)百川 治理江河至舉世矚目的三峽工程 都利用了河流動力學(xué)的基本原理 河流動力學(xué)的研究與發(fā)展是人類為謀求生存而對河流進行治理和利用的 它們之間有著必然聯(lián)系 1 1基本概述 一 河流河流是水流與河床在各種自然因素及人類活動的影響下相互作用的產(chǎn)物 河流運動過程是水流 泥沙及可動邊界的各種運動和變化疊加而成的 搬運侵蝕堆積泥沙水流河床 1 1基本概述 二 河流學(xué)在改造或適應(yīng)河流的過程中 人們不斷總結(jié)經(jīng)驗 積累成果 逐漸形成了系統(tǒng)的知識 成為一門學(xué)科 河流動力學(xué) 以微觀力學(xué)的方法研究河流及其過程的學(xué)科 河床演變學(xué) 從宏觀的角度研究河流的形成和演變的學(xué)科 1 1基本概述 水流與河床在相互作用的過程中 許多情況下要通過泥沙的運動體現(xiàn)出來 如 泥沙淤積 抬高河床 泥沙沖刷 降低河床 泥沙有時是河床的組成部分 有時又是河水 渾水 的組成部分 研究河流的過程實質(zhì)上就是研究泥沙的產(chǎn)生 搬運 沉積的過程 故而研究泥沙運動是本門課程的核心 1 1基本概述 三 系統(tǒng)地表上各種各樣的物質(zhì)運動可以區(qū)分成不同的自然系統(tǒng)來分別進行研究 稱為 地質(zhì)系統(tǒng) 如 火山熔巖流動形成的巖漿流 天然河流都可以看作是一個自然系統(tǒng) 在某個自然系統(tǒng)中存在能量和物質(zhì)的運動 轉(zhuǎn)換 稱為動態(tài)系統(tǒng) 1 1基本概述 系統(tǒng)的邊界既可以用天然邊界 流域的分水嶺 河流的河床 水面 也可以根據(jù)研究目的人為劃分 劃定邊界后 邊界之外的所有內(nèi)容 物質(zhì) 能量 都是外部環(huán)境 而非系統(tǒng)的組成部分 封閉系統(tǒng) 與外部環(huán)境只有熱量交換 開放系統(tǒng) 既交換熱量又交換物質(zhì) 1 1基本概述 在所有的動態(tài)系統(tǒng)中 都存在建立和維持平衡的趨勢 平衡狀態(tài)指一種能量最低的狀態(tài) 系統(tǒng)達到平衡的過程 就是不斷消耗能量 直至能量降到最低點的過程 平衡狀態(tài)的一種判別方法 對動態(tài)系統(tǒng)的微小擾動 不能使系統(tǒng)偏離穩(wěn)定狀態(tài) 1 1基本概述 1 1基本概述 四 水文系統(tǒng)中的主要子系統(tǒng)水系 地表徑流對地表土壤產(chǎn)生侵蝕后形成的溝槽系統(tǒng) 涉及面蝕 槽蝕 河谷的全過程 1 大氣層 海洋系統(tǒng)5 冰川系統(tǒng)2 坡面系統(tǒng)6 地下水系統(tǒng)3 河流系統(tǒng)7 風(fēng)成沉積系統(tǒng)4 海岸線系統(tǒng) 1 2研究對象 一 泥沙受水流 風(fēng)力 波浪 冰川及重力作用移動后沉積或在流體中運動的固體顆粒碎屑 泥沙顆粒是地表巖石在物理 化學(xué)作用下風(fēng)化 破碎形成的 在上述作用下從流域內(nèi)地表進入水系 或大氣層 在水力 風(fēng)力 作用下經(jīng)歷搬運 沉積后在新的地點成巖 往復(fù)循環(huán) 1 2研究對象 泥沙運動是地球上物質(zhì)圈 水圈 大氣圈 巖石圈 生物圈 演化過程的重要環(huán)節(jié) 流體中挾帶固體泥沙顆粒 流體的物理性質(zhì)與運動特性改變 稱為兩相流 液固流和氣固流 其流動為兩相流動 天然沖擊河流條件下 這種運動的特點 流動邊界可能都是自由面 岸壁與河床互動 1 2研究對象 二 泥沙問題的研究 一 時間尺度 1 2研究對象 二 泥沙問題的分類自然界和工程實際中 泥沙問題從物理現(xiàn)象上分三類 侵蝕 輸運 沉積 1 土壤侵蝕 在水力 風(fēng)力 重力 冰川作用及人類活動影響下流域內(nèi)地表物質(zhì)的移動 1 2研究對象 自然侵蝕 古代侵蝕 沒有人為影響 完全天然條件下 自然界發(fā)生的土壤侵蝕 如 水蝕 風(fēng)蝕 溶洞侵蝕 人為侵蝕 現(xiàn)代侵蝕 有人類活動參與后的侵蝕 在自然侵蝕基礎(chǔ)上加速或延緩侵蝕 附 總侵蝕量超過古代自然侵蝕量的部分稱為人類活動導(dǎo)致的加速侵蝕 1 2研究對象 1 2研究對象 1 2研究對象 2 泥沙輸運 類型 水力輸運 侵蝕產(chǎn)生的泥沙在河道系統(tǒng)中受水力作用的輸移過程 自然界中的泥沙輸運一般指在沖積河流中的輸運 這也是工程實際的研究對象和河流動力學(xué)的主要任務(wù) 并研究這種輸運對沖積河流演變過程的影響 1 2研究對象 主要是研究河流上游來沙量與水流挾沙力這兩者在某一時段 某一河段或某一水工結(jié)構(gòu)上 下游不平衡引發(fā)的問題 如 黃河下游含沙量年總輸沙量居世界第一 為強烈堆積活動的青壯年河流 河床變形劇烈 一個河段的上游下泄的水量和水流中所攜帶的泥沙量是決定此河段河床變形的主要因素 稱為來水來沙條件 1 2研究對象 即使上游來沙與挾沙能力平衡 修建水利工程也會對上 下游河床演變產(chǎn)生影響 研究泥沙輸運一般針對量級百年以內(nèi)的時間尺度 流域中的氣候 地質(zhì)構(gòu)造 地貌看做不變 某流域出口控制站實測的河流泥沙總量St與該流域的地表物質(zhì)侵蝕總量Se之比St Se稱為泥沙輸移比 1 2研究對象 風(fēng)力輸運在某些地質(zhì)時期也占有重要地位 如黃土高原風(fēng)成說 由風(fēng)力搬運泥沙沉積而成 河流的主要自然功能 輸運功能 水源功能 匯水功能 棲息地功能 天然屏障的功能 1 2研究對象 3 泥沙沉積與所研究問題的時間尺度和空間尺度有關(guān) 一般把數(shù)十年的沖淤變化歸結(jié)為泥沙輸運 而泥沙沉積指量級大于百年 千 萬年 和完整流域 水系上大規(guī)模的地質(zhì)沉積 如 河口三角洲的延伸堆積成平原 海洋中造成陸地等 1 2研究對象 三 流域系統(tǒng)與泥沙問題每一條河流都在一定范圍內(nèi)匯集地面徑流 也就是在一定范圍內(nèi)的地面徑流由該河流宣泄出去 這個集水區(qū) 排水區(qū) 即流域 相鄰流域的界限為分水嶺 泥沙與整個流域 自然和人文社會條件密切相關(guān) 一個流域有許多組成部分 如 坡地 河道 水系等 每一組成部分都是一個小系統(tǒng) 其相互影響形成大系統(tǒng) 故研究 1 2研究對象 和解決泥沙問題時必須從流域系統(tǒng)角度出發(fā) 1 自然條件的影響對流域系統(tǒng)起決定性作用的主要是氣候 河谷 地形 植被 巖性或土質(zhì) 氣候為主其他幾項也會隨之變化 氣候變遷對流域的生態(tài)環(huán)境及土壤侵蝕的影響重大 2 人類活動的影響通過影響植被和土壤 或改變局部地形 進而影響到整個流域 1 2研究對象 3 工程泥沙問題 產(chǎn)生 大規(guī)模農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)及現(xiàn)代化工業(yè)的出現(xiàn)使人對自然環(huán)境的破壞超過自然界的允許限度 流域中引發(fā)了一系列問題 植被銳減 土壤退化 環(huán)境污染 生態(tài)失衡 水資源短缺及因水土流失加劇而產(chǎn)生的 1 2研究對象 解決途徑 從長遠看 要減少人為的加速侵蝕 恢復(fù)流域的植被 保護和改善生態(tài)系統(tǒng) 減少水土流失 這需要巨大的財力投入且生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)過程很慢 因此在相當(dāng)長的時間內(nèi) 泥沙問題仍十分嚴峻 還需依靠符合自然規(guī)律的正確工程措施加以解決 這就需要詳細研究河流泥沙運動的規(guī)律 1 3研究方法 一 原型觀測 數(shù)千年前 為流域規(guī)劃 工程設(shè)計 洪水預(yù)報等提供第一手資料 水利測量新技術(shù) 二維測力儀 激光流速儀 超聲波流速儀 顆粒成像的流場量測 二 實體模型 20世紀初 在原型資料基礎(chǔ)上 根據(jù)一定的相似原理 將原始地形按一定比例縮小后進行水流 1 3研究方法 泥沙運動的復(fù)演 以期對河流變化進行預(yù)報 需了解水流運動相似準則 推移質(zhì) 懸移質(zhì)泥沙模擬相似準則 三 數(shù)學(xué)模型 近幾十年 隨計算機技術(shù)發(fā)展與提高 借助數(shù)學(xué)模型研究大范圍 長周期的河流影響和變化 如 三峽水庫修建后對上 下游及河口地區(qū)的影響 1 4與其它學(xué)科交叉關(guān)系 自建立之時起 河流動力學(xué)就不斷與其它學(xué)科相互交叉發(fā)展 其主要體現(xiàn)如下 1 與地貌學(xué)交叉 河流動力地貌學(xué)采用固液兩相流的基本理論描述河流地貌形態(tài)及其發(fā)展過程 2 與環(huán)境學(xué)科交叉 環(huán)境泥沙學(xué)研究推移質(zhì)中重金屬污染物的吸附 遷移 沉積及再起動的二次污染 懸移質(zhì)攜帶污染物的機理等生產(chǎn)實際中的重大課題 1 4與其它學(xué)科交叉關(guān)系 3 與3S技術(shù)交叉 河流動力學(xué)信息系統(tǒng)進行與流域綜合開發(fā)相關(guān)的信息調(diào)查與分析 提供快速準確的信息 有重要意義 4 與非線性數(shù)學(xué)交叉