河流與人類張炯jiongzhang@山東大學通識教育選修課程河流與人類山東大學通識教育選修課程第二章河道水流第二章河道水流自然界的水循環(huán)及水量平衡；河流徑流的形成過程；河流徑流的度量方法；河道水流的基本特性。本章內容提要自然界的水循環(huán)及水量平衡；本章內容提要第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡1.1自然界的水循環(huán)以雨、雪、雹、霰等形式下降于大陸或海洋，統(tǒng)稱為降水

江、河、湖、海及大陸上的液態(tài)水或固態(tài)水，可因太陽的熱力作用而成汽態(tài)水升入天空，此稱為蒸發(fā)地表水在重力作用下，進入土壤或巖層稱為入滲沿地表及地下流動的水流，統(tǒng)稱為徑流

第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡1.1自然界的水循環(huán)第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡其中沿地表流動的水流稱為地表徑流在地下土壤或巖石裂縫中流動的水流，稱為地下徑流或基流，它是長久無雨時期河水的補給源沿河川流動的水流，稱為河川徑流降水、蒸發(fā)、徑流、入滲等現象，統(tǒng)稱為水文現象降水、徑流、蒸發(fā)及入滲等周而復始的變化過程，稱為自然界的水循環(huán)第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡其中沿地表流動的水流稱為地第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡其中發(fā)生在海洋上或陸地上的水循環(huán)，稱為小循環(huán)發(fā)生在海洋與大陸間的水循環(huán)，稱為大循環(huán)太陽是循環(huán)的總能源，而太陽輻射和地心引力則是水循環(huán)的動力，循環(huán)的源和匯都是海洋第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡其中發(fā)生在海洋上或陸地上的第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡就我國來說，水汽主要來自東南方向(太平洋)，其次是南方（印度洋）和西南方向（大西洋）。進入我國上空的水汽，大部分不參加水循環(huán)。只有12％的輸入水汽形成了徑流，其余則經我國的上空逸出。我國水汽的輸出口主要是東部上空和沿海諸河，水汽形成的徑流，大部分經河川注入太平洋，小部分流入印度洋，極小部分流入北冰洋。第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡就我國來說，水汽主要來自東南第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡1.2水量平衡

水量平衡是水循環(huán)的數量表示。降水量、蒸發(fā)量及徑流量是水量平衡的三個重要因素。因此，全球水量平衡方程式可寫為：XC+XO=ZC+ZOXC、ZC分別為大陸年均降水量及年均蒸發(fā)量；XO、ZO分別為海洋年均降水量及年均蒸發(fā)量。上式表明，全球年均降水量等于全球年均蒸發(fā)量。

第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡1.2水量平衡第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡海洋上的多余水汽隨大氣運行進入內陸；而陸面上的多余水分則以河流徑流形式回歸大海。第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡海洋上的多余水汽隨大氣運行進第二節(jié)河流徑流的形成過程沿著河槽流動的水流，稱為河流徑流。由降水開始到水流流經流域出口斷面的全部過程，稱為河流徑流形成過程。大致可分為四個階段：降水過程流域蓄滲過程（產流過程）坡面漫流過程河槽集流過程（匯流過程）第二節(jié)河流徑流的形成過程沿著河槽流動的水流，稱為河流徑第二節(jié)河流徑流的形成過程一、降水過程降水是降雨、降雪、降雹的統(tǒng)稱。水過程的特征，主要由降水量、降水強度、降水歷時、暴雨中心位置和暴雨移動路徑等物理量描述。降水三要素：降水量、降水強度、降水歷時第二節(jié)河流徑流的形成過程一、降水過程第二節(jié)河流徑流的形成過程二、流域蓄滲過程雨水首先被流域地表生長的樹木、雜草及農作物的莖葉截留一部分，稱植物截留。落到地面上的部分雨水，滲入土壤，稱為入滲。若降雨強度大于入滲強度，超過入滲強度的雨，稱超滲雨，它將產生地面徑流隨著降雨量的不斷增加，土壤中的含水量逐漸趨于飽和，入滲強度減小，達到某個穩(wěn)定值時，稱為穩(wěn)定入滲第二節(jié)河流徑流的形成過程二、流域蓄滲過程第二節(jié)河流徑流的形成過程還有一部分雨水被蓄留在坡面的坑洼里，稱為填洼

植物截留、入滲和填洼的整個過程，稱為流域蓄滲過程。這部分雨水不產生地面徑流而稱為損失，扣除損失后剩余的雨量，稱為凈雨

產流過程=降雨-損失=凈雨第二節(jié)河流徑流的形成過程還有一部分雨水被蓄留在坡面的坑洼第二節(jié)河流徑流的形成過程三、坡面漫流過程除去流域蓄滲過程的雨水損失以后，剩余雨水沿著坡面流動，稱為坡面漫流

流域內各處坡面漫流的起始時間并非同步，而往往是先從局部區(qū)域開始坡面漫流的過程也伴隨著入滲、降雨和蒸發(fā)的過程，因而坡面漫流過程是一個復雜的過程。第二節(jié)河流徑流的形成過程三、坡面漫流過程第二節(jié)河流徑流的形成過程三、坡面漫流過程除去流域蓄滲過程的雨水損失以后，剩余雨水沿著坡面流動，稱為坡面漫流

流域內各處坡面漫流的起始時間并非同步，而往往是先從局部區(qū)域開始坡面漫流的過程也伴隨著入滲、降雨和蒸發(fā)的過程，因而坡面漫流過程是一個復雜的過程。第二節(jié)河流徑流的形成過程三、坡面漫流過程第二節(jié)河流徑流的形成過程四、河槽匯流過程坡面漫流的雨水匯入溝道，順著溝道流入支流，由支流到干流，最后達到流域出口斷面的過程，稱為河槽匯流過程

對于較大的流域，河槽匯流時間較長，河槽調蓄能力較大，在降雨和坡面漫流停止后，所產生的徑流還會延長很長的時間。匯流過程，就是凈雨經坡面、地下流動和河槽調蓄的再分配過程。第二節(jié)河流徑流的形成過程四、河槽匯流過程第三節(jié)河流徑流的度量方法(1)流量Q：單位時間內流經河流某一水斷面的水量。m3/s(2)徑流總量W：一段時間內通過河流過水斷面的總水量，m3

(3)徑流模數M：單位流域面積上平均產生的流量，L/s?km2(4)徑流深度R：它是徑流總量W折算成全流域的平均水深，常用來與降水量作比較(5)徑流系數α：徑流深度R與降水量X之比，有F第三節(jié)河流徑流的度量方法(1)流量Q：單位時間內流經河流第四節(jié)河道水流的基本特性天然河道水流但與清水明渠流相比，在基本特性上有很大的差異。其主要表現在以下方面：1.兩相性2.三維性3.不恒定性4.非均勻性5.不平衡性6.紊動性7.阻力復雜性8.流速分布不均勻性9.流態(tài)特異性第四節(jié)河道水流的基本特性天然河道水流但與清水明渠流相比第四節(jié)河道水流的基本特性水力學中，把具有自由水面的水流稱為明渠水流。天然河道和人工渠道等都屬于明渠。明渠流是一種無壓流，即其水面上各點的相對壓強為零，主要作用力是重力。明渠水流按其運動要素是否隨時間變化常分為恒定流和非恒定流。對于恒定流，若明渠過水斷面的平均流速、水深等因素沿程不變，則稱為明渠均勻流，否則稱為明渠非均勻流。第四節(jié)河道水流的基本特性水力學中，把具有自由水面的水流第四節(jié)河道水流的基本特性1.兩相性清水明渠流屬于單相流(或一相流)而天然河道中的水流，總不可避免地要挾帶一定數量的固體顆粒（泥沙）此外，在沖積平原河道的河床演變中，泥沙運動在水流與河床之間的相互關系中起著紐帶作用第四節(jié)河道水流的基本特性1.兩相性第四節(jié)河道水流的基本特性2.三維性根據流場中流體質點的流速狀況與空間坐標的關系，可將水流劃分為一維流、二維流和三維流三類情況。一維流是水流的流速向量在空間坐標中只和一個空間變量（流程坐標s）有關，即u=u(s)或u＝u(s,t)，在一維流場中，同一過水斷面上各點的流速是相等的。如果流場中任一點的流速與三個空間坐標變量有關，即u＝u(x，y，z)，或u＝u(x，y，z，t)，則稱這種水流為三維流。天然河道的河槽形態(tài)很不規(guī)則，山區(qū)河流更為如此。因此，嚴格說來，天然河道水流大多數為三維流，至少也屬二維流，嚴格意義的一維流幾乎不存在。第四節(jié)河道水流的基本特性2.三維性第四節(jié)河道水流的基本特性3.不恒定性在流場中，根據液體質點的運動要素是否隨時間變化分為恒定流與非恒定流。如果在各空間點上液體質點的運動要素都不隨時間而變化，這種流動稱為恒定流；如果在任—空間點上有任何質點的運動要素隨時間而變化，則這種流動就稱為非恒定流。天然河道水流嚴格說來屬于非恒定流。其主要表現在兩個方面：一是來水來沙情況隨時間的變化而變異；二是河床經常處于沖淤演變之中。這兩個方面的變化彼此關聯(lián)。第四節(jié)河道水流的基本特性3.不恒定性第四節(jié)河道水流的基本特性4.非均勻性水力學中的均勻流，其前提條件是恒定流。因此，河道水流的非恒定性決定了其非均勻性，或者說，天然河道的水流，嚴格說來屬于非均勻流。然而，在解決天然河道實際問題時，對于比較順直的河段，如果來水來沙基本穩(wěn)定，河床基本處于不沖不淤的相對平衡狀態(tài)，過水斷面及流速沿程變化不大，水面坡度、床面坡度與水力坡度（能坡）基本平直而相互平行，則可基本視為均勻流。第四節(jié)河道水流的基本特性4.非均勻性第四節(jié)河道水流的基本特性5.不平衡性如果水相與沙相高度和諧，在運動過程中盡管水流中的泥沙與河床上的泥沙彼此交換，但若來水來沙(數量與質量)保持恒定，河床基本保持不沖不淤狀態(tài)，床面沒有粗化或細化傾向發(fā)生，這種運動過程則可稱之為河道水流的水沙平衡狀態(tài)，或簡稱為平衡狀態(tài)。然而，天然河流中的水沙運動，經常遇到的是不平衡狀態(tài)或稱“相對平衡”狀態(tài)。第四節(jié)河道水流的基本特性5.不平衡性第四節(jié)河道水流的基本特性6.紊動性當流速較小時，各流層的液體質點有條不紊的運動，互不摻混，這種型態(tài)的運動叫做層流；當流速較大時，各流層的液體質點形成渦體，在流動過程中，互相摻混，雜亂無章，這種型態(tài)的運動叫做紊流。判定層流與紊流的指標叫雷諾數，用Re表示，Re=UR/ν。其中U為水流平均流速，R為水力半徑，ν為水流運動粘滯性系數。雷諾數Re的意義代表水流的慣性力與粘滯力之比。第四節(jié)河道水流的基本特性6.紊動性第四節(jié)河道水流的基本特性試驗發(fā)現，存在某個臨界雷諾數Rec并將其作為劃分界限，當實際雷諾數大于臨界雷諾數時就認定為紊流，當實際雷諾數小于臨界雷諾數時則為層流。Rec=500大量遇到的天然河道水流，都屬于紊流，并且?guī)缀醵紝儆谖蓜訌姸容^大的阻力平方區(qū)（粗糙區(qū)）的紊流。第四節(jié)河道水流的基本特性試驗發(fā)現，存在某個臨界雷諾數Re第四節(jié)河道水流的基本特性7.阻力復雜性運動水流所受的力主要有重力、慣性力與阻力。其中阻力問題，在河道水流中，遠比普通水力學中的清水流動性質要復雜。河道水流阻力損失的大小，不僅關系到河道的泄流能力，而且影響其輸沙能力和河床變形。因此，研究河道水流阻力損失是河流動力學的基本問題之一第四節(jié)河道水流的基本特性7.阻力復雜性第四節(jié)河道水流的基本特性在水力學中，明渠恒定均勻流的沿程阻力，一般用阻力系數λ表示，或用謝才系數C、糙率系數n表示。λ與C和n三者之間的關系為：其中R為水力半徑。在上述三個系數中，λ為無量綱數，n和C帶有量綱。在實用中，λ可根據糙率系數n確定，而n則可根據明渠邊壁材料性質查表得知。第四節(jié)河道水流的基本特性在水力學中，明渠恒定均勻流的沿程第四節(jié)河道水流的基本特性對于比較簡單情形的明渠均勻流來說，只要在積累較多的經驗和資料的基礎上，可以合理準確地選定糙率系數n對于天然河道水流，其紊動尺度和紊源異常復雜。天然河道除了普通意義的粗糙邊壁外，還包括河勢、各種成型淤積體，以及河底或河岸的大凸大凹等，這些紊源的尺度是邊壁粗糙完全不能比擬的。因此，河道水流的“糙率系數”n的內涵是極為復雜的。第四節(jié)河道水流的基本特性對于比較簡單情形的明渠均勻流來說第四節(jié)河道水流的基本特性8.流速分布不均勻性河道水流流速（這里指縱向流速）沿水深的分布并非各處

均勻相等，而是自水面向河底逐漸減小，河底為零，水面最大第四節(jié)河道水流的基本特性8.流速分布不均勻性第四節(jié)河道水流的基本特性在二維均勻流情況下，表達時均流速（縱向）沿水深分布規(guī)律的公式很多，其中最為常用的是指數分布和對數分布公式。指數流速分布公式為：式中，u為距河底為y處的流速；為水面(y=h)流速；h為水深；m為指數，清水一般取1/6。第四節(jié)河道水流的基本特性在二維均勻流情況下，表達時均流速第四節(jié)河道水流的基本特性對數流速分布公式以卡曼-普蘭特爾公式運用最為廣泛，其形式為：式中，U*為摩阻流速，，g為重力加速度，J為水力坡度；k為卡曼常數第四節(jié)河道水流的基本特性對數流速分布公式以卡曼-普蘭特爾第四節(jié)河道水流的基本特性9.流態(tài)特異性河道水流的流態(tài)，遠較棱柱體明渠流為復雜，特別是山區(qū)河流。山區(qū)河流因河床形態(tài)極不規(guī)則，常有回流、泡水、漩渦、跌水、水躍、剪刀水、橫流等各種險惡奇異流態(tài)出現。在河道水流中，常見伴隨主流而存在有各種副流(又稱次生流)。副流是在水流內部產生的一種大規(guī)模的水流旋轉運動。所謂的環(huán)流便是其中的一種。第四節(jié)河道水流的基本特性9.流態(tài)特異性第四節(jié)河道水流的基本特性最為常見的河道環(huán)流是彎道環(huán)流。水流在彎道段流動時，由于離心慣性力的作用，沿外法線的方向水面增高，因而形成橫向水面坡度。由于表層水流的流速及其所受到的離心力遠大于底部水流，故而出現表面水流從凸岸流向凹岸，而底部水流則從凹岸流向凸岸的橫斷面上的“封閉式”環(huán)形流動第四節(jié)河道水流的基本特性最為常見的河道環(huán)流是彎道環(huán)流。1.人類對水循環(huán)的影響有哪些？2.黃河下游斷流與哪些自然或人為因素有關？思考題1.人類對水循環(huán)的影響有哪些？思考題謝謝大家！謝謝大家！河流與人類張炯jiongzhang@山東大學通識教育選修課程河流與人類山東大學通識教育選修課程第二章河道水流第二章河道水流自然界的水循環(huán)及水量平衡；河流徑流的形成過程；河流徑流的度量方法；河道水流的基本特性。本章內容提要自然界的水循環(huán)及水量平衡；本章內容提要第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡1.1自然界的水循環(huán)以雨、雪、雹、霰等形式下降于大陸或海洋，統(tǒng)稱為降水

江、河、湖、海及大陸上的液態(tài)水或固態(tài)水，可因太陽的熱力作用而成汽態(tài)水升入天空，此稱為蒸發(fā)地表水在重力作用下，進入土壤或巖層稱為入滲沿地表及地下流動的水流，統(tǒng)稱為徑流

第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡1.1自然界的水循環(huán)第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡其中沿地表流動的水流稱為地表徑流在地下土壤或巖石裂縫中流動的水流，稱為地下徑流或基流，它是長久無雨時期河水的補給源沿河川流動的水流，稱為河川徑流降水、蒸發(fā)、徑流、入滲等現象，統(tǒng)稱為水文現象降水、徑流、蒸發(fā)及入滲等周而復始的變化過程，稱為自然界的水循環(huán)第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡其中沿地表流動的水流稱為地第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡其中發(fā)生在海洋上或陸地上的水循環(huán)，稱為小循環(huán)發(fā)生在海洋與大陸間的水循環(huán)，稱為大循環(huán)太陽是循環(huán)的總能源，而太陽輻射和地心引力則是水循環(huán)的動力，循環(huán)的源和匯都是海洋第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡其中發(fā)生在海洋上或陸地上的第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡就我國來說，水汽主要來自東南方向(太平洋)，其次是南方（印度洋）和西南方向（大西洋）。進入我國上空的水汽，大部分不參加水循環(huán)。只有12％的輸入水汽形成了徑流，其余則經我國的上空逸出。我國水汽的輸出口主要是東部上空和沿海諸河，水汽形成的徑流，大部分經河川注入太平洋，小部分流入印度洋，極小部分流入北冰洋。第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡就我國來說，水汽主要來自東南第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡1.2水量平衡

水量平衡是水循環(huán)的數量表示。降水量、蒸發(fā)量及徑流量是水量平衡的三個重要因素。因此，全球水量平衡方程式可寫為：XC+XO=ZC+ZOXC、ZC分別為大陸年均降水量及年均蒸發(fā)量；XO、ZO分別為海洋年均降水量及年均蒸發(fā)量。上式表明，全球年均降水量等于全球年均蒸發(fā)量。

第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡1.2水量平衡第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡海洋上的多余水汽隨大氣運行進入內陸；而陸面上的多余水分則以河流徑流形式回歸大海。第一節(jié)自然界的水循環(huán)及水量平衡海洋上的多余水汽隨大氣運行進第二節(jié)河流徑流的形成過程沿著河槽流動的水流，稱為河流徑流。由降水開始到水流流經流域出口斷面的全部過程，稱為河流徑流形成過程。大致可分為四個階段：降水過程流域蓄滲過程（產流過程）坡面漫流過程河槽集流過程（匯流過程）第二節(jié)河流徑流的形成過程沿著河槽流動的水流，稱為河流徑第二節(jié)河流徑流的形成過程一、降水過程降水是降雨、降雪、降雹的統(tǒng)稱。水過程的特征，主要由降水量、降水強度、降水歷時、暴雨中心位置和暴雨移動路徑等物理量描述。降水三要素：降水量、降水強度、降水歷時第二節(jié)河流徑流的形成過程一、降水過程第二節(jié)河流徑流的形成過程二、流域蓄滲過程雨水首先被流域地表生長的樹木、雜草及農作物的莖葉截留一部分，稱植物截留。落到地面上的部分雨水，滲入土壤，稱為入滲。若降雨強度大于入滲強度，超過入滲強度的雨，稱超滲雨，它將產生地面徑流隨著降雨量的不斷增加，土壤中的含水量逐漸趨于飽和，入滲強度減小，達到某個穩(wěn)定值時，稱為穩(wěn)定入滲第二節(jié)河流徑流的形成過程二、流域蓄滲過程第二節(jié)河流徑流的形成過程還有一部分雨水被蓄留在坡面的坑洼里，稱為填洼

植物截留、入滲和填洼的整個過程，稱為流域蓄滲過程。這部分雨水不產生地面徑流而稱為損失，扣除損失后剩余的雨量，稱為凈雨

產流過程=降雨-損失=凈雨第二節(jié)河流徑流的形成過程還有一部分雨水被蓄留在坡面的坑洼第二節(jié)河流徑流的形成過程三、坡面漫流過程除去流域蓄滲過程的雨水損失以后，剩余雨水沿著坡面流動，稱為坡面漫流

流域內各處坡面漫流的起始時間并非同步，而往往是先從局部區(qū)域開始坡面漫流的過程也伴隨著入滲、降雨和蒸發(fā)的過程，因而坡面漫流過程是一個復雜的過程。第二節(jié)河流徑流的形成過程三、坡面漫流過程第二節(jié)河流徑流的形成過程三、坡面漫流過程除去流域蓄滲過程的雨水損失以后，剩余雨水沿著坡面流動，稱為坡面漫流

流域內各處坡面漫流的起始時間并非同步，而往往是先從局部區(qū)域開始坡面漫流的過程也伴隨著入滲、降雨和蒸發(fā)的過程，因而坡面漫流過程是一個復雜的過程。第二節(jié)河流徑流的形成過程三、坡面漫流過程第二節(jié)河流徑流的形成過程四、河槽匯流過程坡面漫流的雨水匯入溝道，順著溝道流入支流，由支流到干流，最后達到流域出口斷面的過程，稱為河槽匯流過程

對于較大的流域，河槽匯流時間較長，河槽調蓄能力較大，在降雨和坡面漫流停止后，所產生的徑流還會延長很長的時間。匯流過程，就是凈雨經坡面、地下流動和河槽調蓄的再分配過程。第二節(jié)河流徑流的形成過程四、河槽匯流過程第三節(jié)河流徑流的度量方法(1)流量Q：單位時間內流經河流某一水斷面的水量。m3/s(2)徑流總量W：一段時間內通過河流過水斷面的總水量，m3

(3)徑流模數M：單位流域面積上平均產生的流量，L/s?km2(4)徑流深度R：它是徑流總量W折算成全流域的平均水深，常用來與降水量作比較(5)徑流系數α：徑流深度R與降水量X之比，有F第三節(jié)河流徑流的度量方法(1)流量Q：單位時間內流經河流第四節(jié)河道水流的基本特性天然河道水流但與清水明渠流相比，在基本特性上有很大的差異。其主要表現在以下方面：1.兩相性2.三維性3.不恒定性4.非均勻性5.不平衡性6.紊動性7.阻力復雜性8.流速分布不均勻性9.流態(tài)特異性第四節(jié)河道水流的基本特性天然河道水流但與清水明渠流相比第四節(jié)河道水流的基本特性水力學中，把具有自由水面的水流稱為明渠水流。天然河道和人工渠道等都屬于明渠。明渠流是一種無壓流，即其水面上各點的相對壓強為零，主要作用力是重力。明渠水流按其運動要素是否隨時間變化常分為恒定流和非恒定流。對于恒定流，若明渠過水斷面的平均流速、水深等因素沿程不變，則稱為明渠均勻流，否則稱為明渠非均勻流。第四節(jié)河道水流的基本特性水力學中，把具有自由水面的水流第四節(jié)河道水流的基本特性1.兩相性清水明渠流屬于單相流(或一相流)而天然河道中的水流，總不可避免地要挾帶一定數量的固體顆粒（泥沙）此外，在沖積平原河道的河床演變中，泥沙運動在水流與河床之間的相互關系中起著紐帶作用第四節(jié)河道水流的基本特性1.兩相性第四節(jié)河道水流的基本特性2.三維性根據流場中流體質點的流速狀況與空間坐標的關系，可將水流劃分為一維流、二維流和三維流三類情況。一維流是水流的流速向量在空間坐標中只和一個空間變量（流程坐標s）有關，即u=u(s)或u＝u(s,t)，在一維流場中，同一過水斷面上各點的流速是相等的。如果流場中任一點的流速與三個空間坐標變量有關，即u＝u(x，y，z)，或u＝u(x，y，z，t)，則稱這種水流為三維流。天然河道的河槽形態(tài)很不規(guī)則，山區(qū)河流更為如此。因此，嚴格說來，天然河道水流大多數為三維流，至少也屬二維流，嚴格意義的一維流幾乎不存在。第四節(jié)河道水流的基本特性2.三維性第四節(jié)河道水流的基本特性3.不恒定性在流場中，根據液體質點的運動要素是否隨時間變化分為恒定流與非恒定流。如果在各空間點上液體質點的運動要素都不隨時間而變化，這種流動稱為恒定流；如果在任—空間點上有任何質點的運動要素隨時間而變化，則這種流動就稱為非恒定流。天然河道水流嚴格說來屬于非恒定流。其主要表現在兩個方面：一是來水來沙情況隨時間的變化而變異；二是河床經常處于沖淤演變之中。這兩個方面的變化彼此關聯(lián)。第四節(jié)河道水流的基本特性3.不恒定性第四節(jié)河道水流的基本特性4.非均勻性水力學中的均勻流，其前提條件是恒定流。因此，河道水流的非恒定性決定了其非均勻性，或者說，天然河道的水流，嚴格說來屬于非均勻流。然而，在解決天然河道實際問題時，對于比較順直的河段，如果來水來沙基本穩(wěn)定，河床基本處于不沖不淤的相對平衡狀態(tài)，過水斷面及流速沿程變化不大，水面坡度、床面坡度與水力坡度（能坡）基本平直而相互平行，則可基本視為均勻流。第四節(jié)河道水流的基本特性4.非均勻性第四節(jié)河道水流的基本特性5.不平衡性如果水相與沙相高度和諧，在運動過程中盡管水流中的泥沙與河床上的泥沙彼此交換，但若來水來沙(數量與質量)保持恒定，河床基本保持不沖不淤狀態(tài)，床面沒有粗化或細化傾向發(fā)生，這種運動過程則可稱之為河道水流的水沙平衡狀態(tài)，或簡稱為平衡狀態(tài)。然而，天然河流中的水沙運動，經常遇到的是不平衡狀態(tài)或稱“相對平衡”狀態(tài)。第四節(jié)河道水流的基本特性5.不平衡性第四節(jié)河道水流的基本特性6.紊動性當流速較小時，各流層的液體質點有條不紊的運動，互不摻混，這種型態(tài)的運動叫做層流；當流速較大時，各流層的液體質點形成渦體，在流動過程中，互相摻混，雜亂無章，這種型態(tài)的運動叫做紊流。判定層流與紊流的指標叫雷諾數，用Re表示，Re=UR/ν。其中U為水流平均流速，R為水力半徑，ν為水流運動粘滯性系數。雷諾數Re的意義代表水流的慣性力與粘滯力之比。第四節(jié)河道水流的基本特性6.紊動性第四節(jié)河道水流的基本特性試驗發(fā)現，存在某個臨界雷諾數Rec并將其作為劃分界限，當實際雷諾數大于臨界雷諾數時就認定為紊流，當實際雷諾數小于臨界雷諾數時則為層流。Rec=500大量遇到的天然河道水流，都屬于紊流，并且?guī)缀醵紝儆谖蓜訌姸容^大的阻力平方區(qū)（粗糙區(qū)）的紊流。第四節(jié)河道水流的基本特性試驗發(fā)現，存在某個臨界雷諾數Re第四節(jié)河道水流的基本特性7.阻力復雜性運動水流所受的力主要有重力、慣性力與阻力。其中阻力問題，在河道水流中，遠比普通水力學中的清水流動性質要復雜。河道水流阻力損失的大小，不僅關系到河道的泄流能力，而且影響其輸沙能力和河床變形。因此，研究河道水流阻力損失是河流動力學的基本問題之一第四節(jié)河道水流的基本特性7.阻力復雜性第四節(jié)河道水流的基本特性在水力學中，明渠恒定均勻流的沿程阻力，一般用阻力系數λ表示，或用謝才系數C、糙率系數n表示。λ與C和n三者之間的關系為：其