第1章_河道水流的特性

1、1 河流及河流及河道水流的特性河道水流的特性河流動(dòng)力學(xué)概論一、河流的基本概念一、河流的基本概念 從水文學(xué)的定義來(lái)說(shuō)從水文學(xué)的定義來(lái)說(shuō)，在陸地表面上接納、匯在陸地表面上接納、匯集和輸送水流的路徑和通道稱為河槽，河槽與集和輸送水流的路徑和通道稱為河槽，河槽與其中流動(dòng)的水流，統(tǒng)稱為河流其中流動(dòng)的水流，統(tǒng)稱為河流。 從河流動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)從河流動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，河流是由水、泥沙河流是由水、泥沙及河床邊界共同組成的系統(tǒng)，三者相互制約、及河床邊界共同組成的系統(tǒng)，三者相互制約、并受外部各種因素和人類活動(dòng)的影響。并受外部各種因素和人類活動(dòng)的影響。第一節(jié)第一節(jié)河流河流及河流特征及河流特征2、形成過(guò)程、形成過(guò)程

2、流域內(nèi)，自降雨開(kāi)始到水流匯集到流域出口斷面的整流域內(nèi)，自降雨開(kāi)始到水流匯集到流域出口斷面的整個(gè)物理過(guò)程，稱為個(gè)物理過(guò)程，稱為徑流形成過(guò)程。徑流形成過(guò)程。 降水（雨、雪、雹等）降水（雨、雪、雹等）-流域蓄滲流域蓄滲-坡面漫流坡面漫流-河河槽集流槽集流-河川徑流河川徑流 較大的稱江、河、川、水，較小的稱溪、澗、溝、曲等。如長(zhǎng)江、黃河、錢塘江3、河段分類：、河段分類：河流的分段河流的分段：河源、上游、中游、下游、河口：河源、上游、中游、下游、河口Source Zone源頭，上游源頭，上游Rain and snow 雨和雪雨和雪 Lake湖湖Glacier冰川冰川Rapids 急灘急灘Waterfal

3、l 瀑布瀑布Tributary 支流支流Flood plain洪積平原洪積平原Oxbow lake 牛厄湖牛厄湖 Salt marsh鹽沼鹽沼Delta三角洲三角洲D(zhuǎn)eposited sediment沉積沉積Ocean海洋海洋Sediment沉積物沉積物Water水水Floodplain Zone泛濫平原帶泛濫平原帶Transition Zone過(guò)度帶，中游過(guò)度帶，中游3 河流分段 河源河源：溪澗、泉水、冰川、沼澤或湖泊 上游上游：落差大、水流急、河谷狹窄、急灘和瀑布 中游中游：比降變緩，河槽拓寬曲折，兩岸有灘地 下游下游：河谷寬，比降和流速小，河道淤積明顯，淺灘或河洲到處可見(jiàn)，河曲發(fā)育 河口

4、河口：是河流流入海洋、湖泊或其他河流的處所，泥沙淤積嚴(yán)重。3、河段分類：、河段分類：溪澗急灘急灘瀑布瀑布中下游中下游沼澤沼澤河流特征水文特征水系特征長(zhǎng)度流域面積河道流量的多少水位的季節(jié)變化含沙量結(jié)冰期流速等水系形態(tài)、河流密度、支流流向1 1、河系、河系： 流域里的大大小小的水流路線，構(gòu)成脈絡(luò)相通的系統(tǒng)，稱為水系水系（河系、河網(wǎng)河系、河網(wǎng)）。 水系是由干流干流和他的全部支支流流構(gòu)成的一個(gè)獨(dú)立的水道系統(tǒng)（河槽系統(tǒng)）。 水系的名稱通常以他的干流或注入的湖泊命名。 二、河流水系特征二、河流水系特征1 1、河系、河系： 流域里的大大小小的水流路線，構(gòu)成脈絡(luò)相通的系統(tǒng)，稱為水系水系（河系、河網(wǎng)河系、河網(wǎng)）

5、。 Horton-Strahler河流分級(jí)法：河流分級(jí)法：直接發(fā)源于河源的小河流為直接發(fā)源于河源的小河流為1級(jí)河級(jí)河流；流；兩條同級(jí)別的河流匯合而成的河兩條同級(jí)別的河流匯合而成的河流級(jí)別比原來(lái)高一級(jí)；流級(jí)別比原來(lái)高一級(jí)；兩條不同級(jí)別的河流匯合而成的兩條不同級(jí)別的河流匯合而成的河流的級(jí)別為兩條河流中較高的河河流的級(jí)別為兩條河流中較高的河流的級(jí)別流的級(jí)別（1）水系的平面形狀）水系的平面形狀 水系形狀是指河流的干、支流組成的形態(tài)特征，水系形狀是指河流的干、支流組成的形態(tài)特征，主要有樹(shù)枝狀、羽毛狀、扇形狀、梳狀（平行狀主要有樹(shù)枝狀、羽毛狀、扇形狀、梳狀（平行狀）、向心狀（放射狀）等。）、向心狀（放射狀

6、）等。 扇形羽毛狀平行狀混合形放射狀扇形水系淮河流域南北對(duì)稱狀水系 長(zhǎng)江流域（2）河流地貌定律）河流地貌定律河數(shù)率。水系中任一級(jí)河流的數(shù)目與該級(jí)河流的河數(shù)率。水系中任一級(jí)河流的數(shù)目與該級(jí)河流的級(jí)別呈反幾何級(jí)數(shù)關(guān)系級(jí)別呈反幾何級(jí)數(shù)關(guān)系iNiBR（2）河長(zhǎng)率：水系中各級(jí)河流的平均河長(zhǎng)與該河流）河長(zhǎng)率：水系中各級(jí)河流的平均河長(zhǎng)與該河流級(jí)別級(jí)別i近似于正幾何級(jí)數(shù)關(guān)系。近似于正幾何級(jí)數(shù)關(guān)系。11iiLLL R（3）面積率：隨著河道級(jí)別的增加，河道的平均流）面積率：隨著河道級(jí)別的增加，河道的平均流域面積傾向于一列遞增的幾何數(shù)列。域面積傾向于一列遞增的幾何數(shù)列。（4）河流比降率：隨著河道級(jí)別的增加，河道的平

7、）河流比降率：隨著河道級(jí)別的增加，河道的平均縱向比降傾向于一列遞減的幾何數(shù)列。均縱向比降傾向于一列遞減的幾何數(shù)列。河道級(jí)別和各量的對(duì)數(shù)之間成直河道級(jí)別和各量的對(duì)數(shù)之間成直線回歸關(guān)系線回歸關(guān)系2.2.流域及其分類流域及其分類 流域：流域：河口斷面以上的集水區(qū)域。河口斷面以上的集水區(qū)域。 地地面分水線包圍區(qū)域?yàn)榈孛婕畢^(qū)，地面分水線包圍區(qū)域?yàn)榈孛婕畢^(qū)，地下分水線包圍區(qū)域?yàn)榈叵录畢^(qū)。下分水線包圍區(qū)域?yàn)榈叵录畢^(qū)。閉合流域：閉合流域：在垂直方向地面、地下分在垂直方向地面、地下分水線重合，地面集水區(qū)上降水形成的水線重合，地面集水區(qū)上降水形成的徑流正好由流域出口斷面流出，一般徑流正好由流域出口斷面流出

8、，一般的大中流域均屬此類。的大中流域均屬此類。非閉合流域：非閉合流域：地面、地下分水線不重地面、地下分水線不重合的流域，如巖溶地區(qū)的河流和一些合的流域，如巖溶地區(qū)的河流和一些很小的流域。很小的流域。 流域幾何特征流域幾何特征 流域面積流域面積F F：在地形圖上繪出流域的分水線，分水線包圍在地形圖上繪出流域的分水線，分水線包圍的面積，即流域面積，以的面積，即流域面積，以kmkm計(jì)。計(jì)。(也用也用 A 表示表示)河網(wǎng)密度河網(wǎng)密度D D：流域內(nèi)河流干支流總長(zhǎng)度與流域面積的比值流域內(nèi)河流干支流總長(zhǎng)度與流域面積的比值稱為河網(wǎng)密度，以稱為河網(wǎng)密度，以km/kmkm/km2 2計(jì)。計(jì)。 流域長(zhǎng)度流域長(zhǎng)度 L

9、 Lf f：從流域出口到流域最遠(yuǎn)點(diǎn)的流域中線長(zhǎng)度，從流域出口到流域最遠(yuǎn)點(diǎn)的流域中線長(zhǎng)度，kmkm計(jì)計(jì)平均寬度平均寬度 B:B: B = F / Lf流域形狀系數(shù)流域形狀系數(shù): : K = B / LfL =1.27F0.6 表示流域整體外形特征的還有：形態(tài)要素：形態(tài)要素：流域圓度：流域圓度：流域狹長(zhǎng)度：流域狹長(zhǎng)度：流域?qū)ΨQ指標(biāo)：流域?qū)ΨQ指標(biāo)：流域幾何特征流域幾何特征 2/fufLAR cucAAR/fceLDR/21/uusAAR Ac與流域具有同一周長(zhǎng)的圓面積Dc與流域具有同一周長(zhǎng)的圓直徑中國(guó)七大水系：珠江、長(zhǎng)江、黃河、淮河、遼河、海河、松花江（三江四河） （1）縱斷面：沿河流中線（也有取沿

10、程各橫斷面沿河流中線（也有取沿程各橫斷面上的河床最低點(diǎn)，即中泓線）的剖面，上的河床最低點(diǎn)，即中泓線）的剖面，測(cè)出中線以上（或河床最低點(diǎn)）地形變化轉(zhuǎn)折的高程，以河長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，高程為縱坐標(biāo)，即可繪出河流的縱斷面圖?？v斷面圖可以表示河流的縱坡及落差的沿程分布。 沿水流方向的斷面縱斷面3、河流形態(tài)特征、河流形態(tài)特征-彎曲程度深淺寬窄3.河流的縱比降河流的縱比降 任意河段兩端（水面或河底）的高差為落任意河段兩端（水面或河底）的高差為落差，單位河長(zhǎng)上的落差為河段比降，用以差，單位河長(zhǎng)上的落差為河段比降，用以小數(shù)或千分?jǐn)?shù)表示小數(shù)或千分?jǐn)?shù)表示 。河流比降公式：河流比降公式：011122102()()()2nn

11、nhh lhh lhh lh LJLnmmLmnJhl河流的比降自上游到下游沿程各點(diǎn)河底高程，兩點(diǎn)間的距離，全河流的長(zhǎng)度，河床底部比降越大，水面比降越大偏轉(zhuǎn)力引起的橫比降偏轉(zhuǎn)力引起的橫比降（2）橫斷面：水流方向垂直的斷面橫斷面 河槽中某處垂直于流向的斷面稱為在該處河河槽中某處垂直于流向的斷面稱為在該處河流的橫斷面。流的橫斷面。它的下界為河底，上界為水面線，兩側(cè)為河槽邊坡，有時(shí)還包括兩岸的堤防。 橫斷面又稱為過(guò)水?dāng)嗝?，它是?jì)算流量的重要參素。 常見(jiàn)的斷面形式有矩形斷面，馬蹄形斷面等。 3、河流形態(tài)特征、河流形態(tài)特征 河床斷面特征上游：連接河源，位于河流上上游：連接河源，位于河流上段，較大河流的上

12、游往往高山段，較大河流的上游往往高山夾峙，沿河有許多峽谷，河床夾峙，沿河有許多峽谷，河床一般窄而深。一般窄而深。特點(diǎn)：水流急，落差大，洪水特點(diǎn)：水流急，落差大，洪水漲落急劇，帶有跌水等險(xiǎn)灘。漲落急劇，帶有跌水等險(xiǎn)灘。中游：河流中段，多位于丘中游：河流中段，多位于丘陵地區(qū)。陵地區(qū)。特點(diǎn)：河面較寬，河床坡度特點(diǎn)：河面較寬，河床坡度較平緩，水流較平靜。較平緩，水流較平靜。下游：河流最下一段，大河下游：河流最下一段，大河流下游位于沖擊平原地區(qū)。流下游位于沖擊平原地區(qū)。特點(diǎn)：河床較寬，復(fù)式斷面特點(diǎn)：河床較寬，復(fù)式斷面（圖），河槽縱向坡度平緩，（圖），河槽縱向坡度平緩，流速較小。流速較小。河口：河流終點(diǎn)，

13、大河流入河口：河流終點(diǎn)，大河流入海洋，小河流入湖泊或其他海洋，小河流入湖泊或其他河流，再者消失沙漠之中。河流，再者消失沙漠之中。 河流的彎曲系數(shù)表示河流平面形狀的彎曲河流的彎曲系數(shù)表示河流平面形狀的彎曲程度程度，可用河流實(shí)際長(zhǎng)度與河流兩端間的可用河流實(shí)際長(zhǎng)度與河流兩端間的直線長(zhǎng)度之比來(lái)衡量直線長(zhǎng)度之比來(lái)衡量。lL3、彎曲系數(shù)L1L2主要包括四個(gè)方面：主要包括四個(gè)方面： （1）水位：）水位： 決定于河流補(bǔ)給類型，以雨水補(bǔ)給的河流，水位變化決定于河流補(bǔ)給類型，以雨水補(bǔ)給的河流，水位變化由降水特點(diǎn)決定；冰川融水補(bǔ)給的河流，水位變化由由降水特點(diǎn)決定；冰川融水補(bǔ)給的河流，水位變化由氣溫特點(diǎn)決定氣溫特點(diǎn)決

14、定（2）流量：）流量： 以雨水補(bǔ)給為主的河流，看降水量的多少；流域面積以雨水補(bǔ)給為主的河流，看降水量的多少；流域面積大，一般流量大大，一般流量大三、河流水文特征三、河流水文特征我國(guó)河流的水量補(bǔ)給我國(guó)河流的水量補(bǔ)給 雨源、雨雪源、雪源雨源、雨雪源、雪源影響河川徑流的因素影響河川徑流的因素 1、氣候因素：、氣候因素：降雨、蒸發(fā)降雨、蒸發(fā) 2、下墊面因素：、下墊面因素：流域的面積、形態(tài)、土壤、流域的面積、形態(tài)、土壤、地質(zhì)、植被、湖泊、水庫(kù)等地質(zhì)、植被、湖泊、水庫(kù)等 3、人類活動(dòng)、人類活動(dòng)主要包括四個(gè)方面：主要包括四個(gè)方面： （3）泥沙：）泥沙： 決定于流域內(nèi)地面植被狀況決定于流域內(nèi)地面植被狀況 靜態(tài)

15、特性包括：幾何特性，重力特性，級(jí)配特性； 動(dòng)態(tài)特性包括：沉降特性，運(yùn)動(dòng)特性和沖淤特性 （4）結(jié)冰期有無(wú)或長(zhǎng)短結(jié)冰期有無(wú)或長(zhǎng)短（最冷月月均溫），水能蘊(yùn)藏（最冷月月均溫），水能蘊(yùn)藏量（由流域內(nèi)的地形、氣候特征決定）。量（由流域內(nèi)的地形、氣候特征決定）。三、河流水文特征三、河流水文特征1-2 河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)一、一、河道水流的基本特性河道水流的基本特性 河道水流是在河谷地質(zhì)、地貌與水文條件的作用下而構(gòu)成它的特性的，人為因素也可能給予程度不同的影響。這種基本特性可以概括為以下幾點(diǎn)。 （1）河道水流的河道水流的二相特性二相特性 天然河流屬于挾帶泥沙的兩相明渠流 （2）河道水流的河道水

16、流的三維性三維性 過(guò)水?dāng)嗝娌灰?guī)則，寬深比越小，三維性越強(qiáng) （3）河道水流的河道水流的不恒定性不恒定性 一是來(lái)水來(lái)沙隨時(shí)空變化，二是河床演變，河道邊界隨時(shí)空變化，兩者相互依存，制約和相互促使變化發(fā)展。 （4）河道水流的河道水流的不均勻性不均勻性 河道水流的非恒定性致使不均勻性，順直河道，河床沖淤相對(duì)平衡，水流基本穩(wěn)定，過(guò)水?dāng)嗝嫜爻套兓^小時(shí)可當(dāng)作均勻流處理。1-2 河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)二、二、河道水流的河道水流的紊動(dòng)特征紊動(dòng)特征 在水力學(xué)中將流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)區(qū)別為紊流和在水力學(xué)中將流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)區(qū)別為紊流和層流兩大類型。在紊流中又分為光滑區(qū)、層流兩大類型。在紊流中又分為光滑區(qū)、粗糙區(qū)（

17、或阻力平方區(qū)粗糙區(qū)（或阻力平方區(qū))，以及介學(xué)三者之，以及介學(xué)三者之間的兩個(gè)過(guò)渡區(qū)。間的兩個(gè)過(guò)渡區(qū)。 河道水流普遍具有較大的雷諾數(shù)，河道水流普遍具有較大的雷諾數(shù)，從工程從工程觀點(diǎn)來(lái)看，河道水流一般居于觀點(diǎn)來(lái)看，河道水流一般居于紊流紊流阻力平阻力平方區(qū)。方區(qū)。流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，流場(chǎng)中各種流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，流場(chǎng)中各種流動(dòng)參數(shù)的值具有脈動(dòng)現(xiàn)象。流動(dòng)參數(shù)的值具有脈動(dòng)現(xiàn)象。由于脈動(dòng)的急劇混摻，流體動(dòng)量、能量、由于脈動(dòng)的急劇混摻，流體動(dòng)量、能量、溫度以及含有物的濃度的擴(kuò)散速率較層流溫度以及含有物的濃度的擴(kuò)散速率較層流為大。為大。紊流是有渦流動(dòng)，并且具有三維特征。紊流是有渦流動(dòng)，并且具有三維特征。

18、（2）紊流的主要特征）紊流的主要特征1883年，O.雷諾發(fā)表了他觀測(cè)層流及紊流流態(tài)的文章，并于1894年推導(dǎo)出索流時(shí)均流動(dòng)的基本方程雷諾方程式。20世紀(jì)20年代以來(lái)，發(fā)展了各種半經(jīng)驗(yàn)理論和各種紊流模型，從而對(duì)紊流問(wèn)題可進(jìn)行定量的分析。從30年代起，紊流統(tǒng)計(jì)理論，特別是G.I.泰勒的均勻各向同性紊流理論得到了發(fā)展；40年代蘇聯(lián)的A.H.科爾莫戈羅夫提出了局部各向同性紊流理論。50年代中國(guó)的周培源對(duì)于均勻各向同性紊流提出了旋渦結(jié)構(gòu)理論；同時(shí)，紊流的試驗(yàn)研究使人們對(duì)紊流的性質(zhì)也有了進(jìn)一步的了解。60年代以后，氫泡法、高速攝影等量測(cè)技術(shù)的使用更進(jìn)一步揭示了紊流機(jī)理；電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也使量測(cè)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)易

19、化，從而對(duì)紊流的起源、紊流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了深入的認(rèn)識(shí)。對(duì)壁面紊流的起源提出了猝發(fā)現(xiàn)象的圖形。（3）紊流理論發(fā)展）紊流理論發(fā)展1-2 河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)一、一、河道水流的河道水流的紊動(dòng)特征紊動(dòng)特征 （1 1）紊流的形成條件）紊流的形成條件（2）紊流發(fā)生的物理過(guò)程）紊流發(fā)生的物理過(guò)程 -猝發(fā)現(xiàn)象是紊流得以發(fā)生和賴以維持的物理過(guò)程猝發(fā)現(xiàn)象是紊流得以發(fā)生和賴以維持的物理過(guò)程 -在流動(dòng)穩(wěn)定的情況下，即使產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)，也將在流動(dòng)穩(wěn)定的情況下，即使產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)，也將被衰減，因而流動(dòng)并不會(huì)從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。被衰減，因而流動(dòng)并不會(huì)從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌?-當(dāng)流動(dòng)失去穩(wěn)定，在壁面邊界層流中，猝發(fā)現(xiàn)

20、象將當(dāng)流動(dòng)失去穩(wěn)定，在壁面邊界層流中，猝發(fā)現(xiàn)象將導(dǎo)致層流到紊流的轉(zhuǎn)變，并提供維持紊流運(yùn)動(dòng)所需要導(dǎo)致層流到紊流的轉(zhuǎn)變，并提供維持紊流運(yùn)動(dòng)所需要的大部分能量。的大部分能量。（2）紊流發(fā)生的物理過(guò)程）紊流發(fā)生的物理過(guò)程在靠近固體壁面的粘性底層中，在平面上具有順流向在靠近固體壁面的粘性底層中，在平面上具有順流向的高速帶和低速帶相間形成的帶狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)的高速帶和低速帶相間形成的帶狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)（2）紊流發(fā)生的物理過(guò)程）紊流發(fā)生的物理過(guò)程在低速帶向下游流動(dòng)的過(guò)程中，其下游頭部常緩慢上在低速帶向下游流動(dòng)的過(guò)程中，其下游頭部常緩慢上舉，低速帶與固體壁面間距離逐漸增大，低速帶與固舉，低速帶與固體壁面間距離逐漸增大，低

21、速帶與固體壁面之間產(chǎn)生橫向漩渦。體壁面之間產(chǎn)生橫向漩渦。 a b二維平均流的渦絲湍流擾動(dòng)使渦絲變形馬蹄渦（發(fā)夾渦）（Hairpin vortex）橫向漩渦在向下游運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)生變形，形成馬蹄橫向漩渦在向下游運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)生變形，形成馬蹄形渦，或形渦，或U形渦。馬蹄形渦的頭部由于渦旋的誘導(dǎo)作形渦。馬蹄形渦的頭部由于渦旋的誘導(dǎo)作用隨著向下游運(yùn)動(dòng)而逐漸上舉。用隨著向下游運(yùn)動(dòng)而逐漸上舉。平均流的拉伸使渦量加強(qiáng)馬蹄渦（發(fā)夾渦）（Hairpin vortex）上舉后由于流場(chǎng)中上部流速大，馬蹄形渦受到拉伸作上舉后由于流場(chǎng)中上部流速大，馬蹄形渦受到拉伸作用而變形。馬蹄形渦的拉伸和變形使得最終在流場(chǎng)中用而變形

22、。馬蹄形渦的拉伸和變形使得最終在流場(chǎng)中產(chǎn)生復(fù)雜的渦量場(chǎng)。產(chǎn)生復(fù)雜的渦量場(chǎng)。馬蹄形渦的上舉最終形成底部低流速流體向上層高流馬蹄形渦的上舉最終形成底部低流速流體向上層高流速流動(dòng)區(qū)的噴射。低速流體向上噴射將伴隨上層高速速流動(dòng)區(qū)的噴射。低速流體向上噴射將伴隨上層高速流體向下層俯沖而沖入形成清掃。流體向下層俯沖而沖入形成清掃。噴射和清掃形成流體內(nèi)部剪切層，使斷面瞬時(shí)流速呈噴射和清掃形成流體內(nèi)部剪切層，使斷面瞬時(shí)流速呈現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的狀況?，F(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的狀況。雷諾應(yīng)力大部分由猝發(fā)在約25時(shí)間產(chǎn)生氫氣泡(渦絲)馬蹄渦上拋ejectionKline實(shí)驗(yàn)(1967)下掃sweep猝發(fā)bursting再現(xiàn)由馬蹄形渦的形

23、成、發(fā)展到形成噴射和清掃，整個(gè)過(guò)由馬蹄形渦的形成、發(fā)展到形成噴射和清掃，整個(gè)過(guò)程稱為猝發(fā)現(xiàn)象程稱為猝發(fā)現(xiàn)象邊界層猝發(fā)過(guò)程的流速分布上拋上拋下掃下掃)/(smu)/(smv（3）紊動(dòng)大小的表達(dá)）紊動(dòng)大小的表達(dá)-紊動(dòng)切應(yīng)力紊動(dòng)切應(yīng)力 由于渦漩混摻引起質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量交換而產(chǎn)生脈動(dòng)流速由于渦漩混摻引起質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量交換而產(chǎn)生脈動(dòng)流速及相應(yīng)紊動(dòng)切應(yīng)力，也稱附加切應(yīng)力。及相應(yīng)紊動(dòng)切應(yīng)力，也稱附加切應(yīng)力。表達(dá)形式表達(dá)形式1 1：式中，式中， 是指空間某點(diǎn)瞬時(shí)是指空間某點(diǎn)瞬時(shí) 和和 在某時(shí)段的時(shí)均值。在某時(shí)段的時(shí)均值。 ；式中，式中， 為瞬時(shí)值，為瞬時(shí)值， 為時(shí)均值，為時(shí)均值， 為為X X方向的脈動(dòng)流速方向的脈動(dòng)流速yx

24、uuxuyuxxxuuuyyyuuuxuxuxu（3）紊動(dòng)切應(yīng)力）紊動(dòng)切應(yīng)力表達(dá)形式表達(dá)形式2 2：影響影響 mm的幾個(gè)量在量測(cè)和確定上都存在不少困的幾個(gè)量在量測(cè)和確定上都存在不少困難，在實(shí)際計(jì)算中，通常由切應(yīng)力和時(shí)均流速難，在實(shí)際計(jì)算中，通常由切應(yīng)力和時(shí)均流速分布反推分布反推 mm值。值。（3）紊動(dòng)切應(yīng)力）紊動(dòng)切應(yīng)力在恒定二元均勻明流，水深為在恒定二元均勻明流，水深為h h，水力坡度為，水力坡度為J J，作用于底壁的切應(yīng)力為作用于底壁的切應(yīng)力為 ；根據(jù)理論與實(shí)測(cè)資料分析得到紊流切應(yīng)力沿水根據(jù)理論與實(shí)測(cè)資料分析得到紊流切應(yīng)力沿水深按直線分布：深按直線分布：表達(dá)形式表達(dá)形式3 3：普蘭特根據(jù)動(dòng)量

25、傳遞原理或摻混長(zhǎng)度理論得到。普蘭特根據(jù)動(dòng)量傳遞原理或摻混長(zhǎng)度理論得到。hJRJ0)1 ()(0hyJyh22dyudlxz/h 紊動(dòng)剪力的垂向分布z/h 紊動(dòng)強(qiáng)度垂線分布規(guī)律格拉斯的試驗(yàn)成果 1-2 河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)二、二、流速分布規(guī)律流速分布規(guī)律 一般情況下，天然河道水流具有三維性、一般情況下，天然河道水流具有三維性、不恒定性、不均勻性，其流速分布呈三維不恒定性、不均勻性，其流速分布呈三維流速分布。流速分布。 但對(duì)寬深比較大的沖積河流，河道水流的但對(duì)寬深比較大的沖積河流，河道水流的流速分布接近二維明渠流流速分布，這種流速分布接近二維明渠流流速分布，這種情況下，可以近似地用

26、二維明渠均勻流流情況下，可以近似地用二維明渠均勻流流速分布公式來(lái)描述河道水流的流速分布。速分布公式來(lái)描述河道水流的流速分布。明渠水流流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布 明渠水流流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布（1）對(duì)數(shù)區(qū)流速分布）對(duì)數(shù)區(qū)流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布（1）對(duì)數(shù)區(qū)流速分布）對(duì)數(shù)區(qū)流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布（1）對(duì)數(shù)區(qū)流速分布）對(duì)數(shù)區(qū)流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布上式為：三種壁面的統(tǒng)一對(duì)數(shù)流速公式，（式中，上式為：三種壁面的統(tǒng)一對(duì)數(shù)流速公式

27、，（式中，x為修正系數(shù)，其中糙為修正系數(shù)，其中糙壁壁x=1；光壁和過(guò)渡壁面；光壁和過(guò)渡壁面x是是ks和和的函數(shù)。）的函數(shù)。）卡門(mén)常數(shù)卡門(mén)常數(shù)愛(ài)因斯坦公式愛(ài)因斯坦公式8.5糙壁糙壁光壁和過(guò)渡壁面光壁和過(guò)渡壁面（2）外層區(qū)流速分布）外層區(qū)流速分布外層區(qū)的流速分布偏離對(duì)數(shù)分布，有一流速增值，外層區(qū)的流速分布偏離對(duì)數(shù)分布，有一流速增值，可以用一尾跡函數(shù)來(lái)表示：可以用一尾跡函數(shù)來(lái)表示：明渠水流流速分布明渠水流流速分布hykyhkuuu2sin2ln12*max三、天然（沖積寬淺）河流三、天然（沖積寬淺）河流流速分布規(guī)律流速分布規(guī)律（1）對(duì)數(shù)型流速分布公式，對(duì)數(shù)型流速分布公式，卡曼卡曼普蘭特爾普蘭特爾（T

28、h.von.Karman-L.prandtl）公式）公式 （1-1）umax, u, u*分別為水面處最大流速，點(diǎn)流速及摩阻流速；分別為水面處最大流速，點(diǎn)流速及摩阻流速；k為常數(shù)，通常取為常數(shù)，通常取0.4.（2）指數(shù)型流速分布公式指數(shù)型流速分布公式，陳永寬（，陳永寬（1984） （1-2）適用含沙量較高的水流。適用含沙量較高的水流。（3） 三維河道水流流速分布的經(jīng)驗(yàn)方法三維河道水流流速分布的經(jīng)驗(yàn)方法實(shí)測(cè)、模型觀測(cè)。實(shí)測(cè)、模型觀測(cè)。yhkuuuln1*max mamxhyuu)( 0*gRJU 泥沙運(yùn)動(dòng)與水流紊動(dòng)緊密相關(guān)。泥沙濃度和泥沙級(jí)配沿垂線的分布是連續(xù)的，在近壁區(qū)既有推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，又有懸移

29、質(zhì)泥沙在床面附近浮游前進(jìn)，他們之間也不停地存在交換。懸移質(zhì)泥沙是由于水流紊動(dòng)而懸浮于水體中，泥沙含量及級(jí)配影響水流運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，水流結(jié)構(gòu)變化引起攜帶泥沙量的變化，兩者是緊密聯(lián)系在一起的。即水流紊動(dòng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱直接決定攜帶泥沙的含量及粒徑，水中所含泥沙也會(huì)同樣影響對(duì)應(yīng)的水流紊動(dòng)強(qiáng)度。因此，明渠水流中所含泥沙與水流紊動(dòng)強(qiáng)度是存在一定關(guān)系或規(guī)律的，一方面，泥沙因水流的紊動(dòng)而起動(dòng)、懸浮和輸移；另一方面，水流中所攜帶的泥沙反過(guò)來(lái)影響水流結(jié)構(gòu)，故它們之間是相互制約、同時(shí)又是密不可分的。它們之間是相互影響或相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。1-2 河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)三、三、 河道水流的主流與副流河道水流的主流與副

30、流 （1）主流主流（正流、元生流）（正流、元生流）在重力作用下沿河槽總方向流動(dòng)的水流，流線和流速相互開(kāi)行，并且平行于河槽的軸線。 （2）副流（次生流）副流（次生流）由重力或其它因素作用下，在水流內(nèi)部產(chǎn)生一種大規(guī)模的水流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。流向不限于縱向，有的具有復(fù)歸性復(fù)歸性。 （3）環(huán)流環(huán)流具有復(fù)歸性的次生流。是造成橫向輸沙的主要原因。1-2 河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)河道水流的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)三、三、 河道水流的主流與副流河道水流的主流與副流1-3 河道水流中的阻力損失河道水流中的阻力損失 重力、慣性力與阻力為水流中最重要的力。與重力、慣性力與阻力為水流中最重要的力。與清水水流相比，河道水流中的力要復(fù)雜得多清水水流相

31、比，河道水流中的力要復(fù)雜得多，其所起的作用，也是很不相同的。其所起的作用，也是很不相同的。 研究河道水流阻力損失的目的研究河道水流阻力損失的目的：主要在于確定主要在于確定河道的泄流能力和輸沙能力。河道的泄流能力和輸沙能力。 對(duì)子具有一定過(guò)水?dāng)嗝婧捅冉档暮拥?，水流的?duì)子具有一定過(guò)水?dāng)嗝婧捅冉档暮拥溃鞯牧魉儆卸啻?，不僅決定能通過(guò)多大流量，而且流速有多大，不僅決定能通過(guò)多大流量，而且直接與泥沙運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度有關(guān)，因此研究水流阻直接與泥沙運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度有關(guān)，因此研究水流阻力損失一直是河流動(dòng)力學(xué)的基本問(wèn)題。力損失一直是河流動(dòng)力學(xué)的基本問(wèn)題。1-3 河道水流中的阻力損失河道水流中的阻力損失一、一、 河道水流阻

32、力損失根源河道水流阻力損失根源 一般管道或明槽水流的阻力損失與河道水一般管道或明槽水流的阻力損失與河道水流阻力損失的差異主要來(lái)源于二者紊動(dòng)的流阻力損失的差異主要來(lái)源于二者紊動(dòng)的差異差異。 紊源除了普通意義的粗糙邊璧外，還包括紊源除了普通意義的粗糙邊璧外，還包括河勢(shì)、河相、成型淤積體、河底或河岸的河勢(shì)、河相、成型淤積體、河底或河岸的大凸大凹、沙紋及沙波等大凸大凹、沙紋及沙波等，1-3 河道水流中的阻力損失河道水流中的阻力損失一、一、河床床面水流阻力的分解河床床面水流阻力的分解1-3 河道水流中的阻力損失二、二、明渠二維水流的阻力損失表達(dá)方式明渠二維水流的阻力損失表達(dá)方式 對(duì)于恒定、均勻的明渠流動(dòng)

33、，可以用水流的能對(duì)于恒定、均勻的明渠流動(dòng)，可以用水流的能坡、斷面平均流速、水力半徑和反映邊壁粗糙坡、斷面平均流速、水力半徑和反映邊壁粗糙狀況的阻力系數(shù)這四個(gè)物理量建立水流的斷面狀況的阻力系數(shù)這四個(gè)物理量建立水流的斷面平均流速公式，也可以稱為阻力方程。平均流速公式，也可以稱為阻力方程。 水力學(xué)中一般常用阻力系數(shù)有達(dá)西阻力系數(shù)，糙率系數(shù)n，和謝才系數(shù)C表示水流阻力，其中阻力系數(shù)無(wú)量綱，糙率系數(shù)n和謝才系數(shù)C是有量綱的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)：1775年，謝才（A.Chezy）： （1-3）1888年，達(dá)西魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）： （1-4）1890年，曼定公式： （1-5）式中，v-斷面時(shí)均流速

34、；R-水力半徑； J-比降，水力坡度； g-重力加速度； （1-6）RJCv gvRLhJf2412 21321JRnv gRnC8161 1938年，keulegan(坎萊根)提出如下的對(duì)數(shù)型斷面平均流速公式： （水力光滑區(qū)） （1-7） （水力粗糙區(qū)） （1-8） Ks邊壁粗糙尺度，反映邊壁粗糙突起程度。此式對(duì)不同形狀斷面的棱柱形明渠適用。Einstein統(tǒng)一公式)lg(75. 525. 3* RUUU )lg(75. 525. 6*skRUU )27.12lg(75. 5*skRUU “糙率系數(shù)糙率系數(shù)”n，也稱，也稱滿寧滿寧(Manning) 系數(shù)系數(shù)、糙率糙率。其其內(nèi)含是極為復(fù)雜的內(nèi)

35、含是極為復(fù)雜的。它直接與水流中的紊源和它直接與水流中的紊源和紊動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，與大至河勢(shì)，小至河床床沙粒徑紊動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，與大至河勢(shì)，小至河床床沙粒徑有關(guān)有關(guān)。 天然河流中的流動(dòng)一般都處于紊流阻力平方區(qū)，如果流動(dòng)可視為二維的，或河岸、河底具有相同的糙率，則n與水深無(wú)關(guān)。 n有時(shí)與水流狀態(tài)有關(guān)，這很大程度上是天然河底、河岸邊界的可變性造成的。幾個(gè)概念簡(jiǎn)析幾個(gè)概念簡(jiǎn)析粗糙高粗糙高KsKs：是天然壁面的當(dāng)量粗糙高，它綜合反映：是天然壁面的當(dāng)量粗糙高，它綜合反映壁面粗壁面粗糙程度糙程度、形式形式和和分布分布等因素對(duì)水流的影響。不僅只反映槽等因素對(duì)水流的影響。不僅只反映槽壁的壁的粗糙程度粗糙程度，同時(shí)還與粗糙的，同時(shí)還與粗糙的形式形式和和分布狀況分布狀況有關(guān)。在有關(guān)。在河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均勻的，也河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均勻的，也是隨機(jī)的，是隨機(jī)的，KsKs是反映這些因素的一個(gè)綜合參數(shù)。是反映這些因素的一個(gè)綜合參數(shù)。通常采用實(shí)測(cè)的方法來(lái)確定通常采用實(shí)測(cè)的方法來(lái)確定KsKs，即測(cè)出河槽的流速分布和，即測(cè)出河槽的流速分布和U U* *，再用槽壁流速公式反推粗糙高。，再用槽壁流速公式反推粗糙高。也有人用床沙情況來(lái)初估也有人用床沙情況來(lái)初估KsKs，如對(duì)于均勻床沙，采用，如對(duì)于均勻床沙，采用Ks=0.