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1、1 河流及河流及河道水流的特性河道水流的特性河流淌力学概论一、河流的基本概念一、河流的基本概念 从水文学的定从水文学的定义来来说，在，在陆地表面上接地表面上接纳、汇合和合和输送水流的路径和通道称送水流的路径和通道称为河槽，河槽与河槽，河槽与其中流淌的水流，其中流淌的水流，统称称为河流。河流。从河流淌力学的角度来从河流淌力学的角度来说，河流是由水、泥沙，河流是由水、泥沙及河床及河床边界共同界共同组成的系成的系统，三者相互制，三者相互制约、并受外部各种因素和人并受外部各种因素和人类活活动的影响。的影响。第一第一节河流河流及河流特征及河流特征2、形成过程、形成过程 流域内，自降雨起先到水流汇合到流域
2、出口断流域内，自降雨起先到水流汇合到流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。面的整个物理过程，称为径流形成过程。降水（雨、雪、雹等）降水（雨、雪、雹等）-流域蓄渗流域蓄渗-坡面漫坡面漫流流-河槽集流河槽集流-河川径流河川径流 较大的称江、河、川、水，较小的称溪、涧、沟、曲等。如长江、黄河、钱塘江3、河段分类：、河段分类：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源头，上游源头，上游Rain and snow 雨和雪雨和雪 Lake湖湖Glacier冰川冰川Rapids 急滩急滩Waterfall 瀑布瀑布Tributary 支流
3、支流Flood plain洪积平原洪积平原Oxbow lake 牛厄湖牛厄湖 Salt marsh盐沼盐沼Delta三角洲三角洲Deposited sediment沉积沉积Ocean海洋海洋Sediment沉积物沉积物Water水水Floodplain Zone泛滥平原带泛滥平原带Transition Zone过度带，中游过度带，中游3河流分段河源：溪涧、泉水、冰川、沼泽或湖泊上游：落差大、水流急、河谷狭窄、急滩和瀑布中游：比降变缓，河槽拓宽曲折，两岸有滩地下游：河谷宽，比降和流速小，河道淤积明显，浅滩或河洲到处可见，河曲发育河口：是河流流入海洋、湖泊或其他河流的处所，泥沙淤积严峻。3、河段分
4、类：、河段分类：按地区划分按地区划分按地区划分按地区划分河段分类河段分类河段分类河段分类：按河床演变划分按河床演变划分按河床演变划分按河床演变划分山区河段山区河段山区河段山区河段平原河段平原河段平原河段平原河段峡谷性河段峡谷性河段峡谷性河段峡谷性河段稳定性河段稳定性河段稳定性河段稳定性河段次稳定性河段次稳定性河段次稳定性河段次稳定性河段变迁性河段变迁性河段变迁性河段变迁性河段游荡性河段游荡性河段游荡性河段游荡性河段宽浅性河段宽浅性河段宽浅性河段宽浅性河段冲击漫流性河段冲击漫流性河段冲击漫流性河段冲击漫流性河段溪涧急滩急滩瀑布瀑布中下游中下游沼泽沼泽河流特征水文特征水系特征长度流域面积河道流量的
5、多少水位的季节变更含沙量结冰期流速等水系形态、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途，构成脉络流域里的大大小小的水流路途，构成脉络相通的系统，称为水系（河系、河网）。相通的系统，称为水系（河系、河网）。水系是由干流干流和他的全部支流支流构成的一个独立的水道系统（河槽系统）。水系的名称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途，构成脉络流域里的大大小小的水流路途，构成脉络相通的系统，称为水系（河系、河网）。相通的系统，称为水系（河系、河网）。Horton-Strahler河流分级法：河流分级法：干脆
6、发源于河源的小河流为干脆发源于河源的小河流为1级河级河流；流；两条同级别的河流汇合而成的河两条同级别的河流汇合而成的河流级别比原来高一级；流级别比原来高一级；两条不同级别的河流汇合而成的两条不同级别的河流汇合而成的河流的级别为两条河流中较高的河河流的级别为两条河流中较高的河流的级别流的级别（1）水系的平面形）水系的平面形态 水系形水系形态是指河流的干、支流是指河流的干、支流组成的形成的形态特征，主要有特征，主要有树枝状、羽毛状、扇形枝状、羽毛状、扇形态、梳状（平行状）、向心状（放射状）等。梳状（平行状）、向心状（放射状）等。扇形羽毛状平行状混合形放射状扇形水系淮河流域南北对称状水系 长江流域黄
7、河中游黄河中游东西对称水系东西对称水系（2）河流地貌定律）河流地貌定律河数率。水系中任一级河流的数目与该级河流的河数率。水系中任一级河流的数目与该级河流的级别呈反几何级数关系级别呈反几何级数关系（2）河长率：水系中各级河流的平均河长与该河流）河长率：水系中各级河流的平均河长与该河流级别级别i近似于正几何级数关系。近似于正几何级数关系。（3）面积率：随着河道级别的增加，河道的平均流）面积率：随着河道级别的增加，河道的平均流域面积倾向于一列递增的几何数列。域面积倾向于一列递增的几何数列。（4）河流比降率：随着河道级别的增加，河道的平）河流比降率：随着河道级别的增加，河道的平均纵向比降倾向于一列递减
8、的几何数列。均纵向比降倾向于一列递减的几何数列。河道级别和各量的对数之间成直河道级别和各量的对数之间成直线回来关系线回来关系2.2.流域及其分流域及其分类 流域：流域：河口断面以上的集水区域。河口断面以上的集水区域。地地面分水面分水线包包围区域区域为地面集水区，地地面集水区，地下分水下分水线包包围区域区域为地下集水区。地下集水区。闭合流域：合流域：在垂直方向地面、地下分在垂直方向地面、地下分水水线重合，地面集水区上降水形成的重合，地面集水区上降水形成的径流正好由流域出口断面流出，一般径流正好由流域出口断面流出，一般的大中流域均属此的大中流域均属此类。非非闭合流域：合流域：地面、地下分水地面、地
9、下分水线不重不重合的流域，如岩溶地区的河流和一些合的流域，如岩溶地区的河流和一些很小的流域。很小的流域。流域几何特征流域几何特征 流域面流域面积积F F：在地形：在地形图图上上绘绘出流域的分水出流域的分水线线，分水，分水线线包包围围的面的面积积，即流域面，即流域面积积，以，以kmkm计计。(也用也用AA表示表示)河网密度河网密度D D：流域内河流干支流：流域内河流干支流总长总长度与流域面度与流域面积积的的比比值值称称为为河网密度，以河网密度，以km/km2km/km2计计。流域流域长长度度LfLf：从流域出口到流域最：从流域出口到流域最远远点的流域中点的流域中线长线长度，度，kmkm计计 平均
10、平均宽宽度度B:B=F/LfB:B=F/Lf 流域形流域形态态系数系数:K=B/Lf:K=B/LfHackHack发觉发觉河流某一限制点以上的干流河流某一限制点以上的干流长长度与度与该该点以点以上的流域面上的流域面积积之存在如下关系：之存在如下关系：L=1.27F0.6表示流域整体外形特征的还有：形形态要素：要素：流域流域圆度：度：流域狭流域狭长度：度：流域流域对称指称指标：流域几何特征流域几何特征 Ac与流域具有同一周长的圆面积Dc与流域具有同一周长的圆直径中国七大水系：珠江、长江、黄河、淮河、辽河、海河、松花江（三江四河）（1）纵断面：沿河流中线（也有取沿程各横断面上的河床最低点，即中泓线
11、）的剖面，测出中线以上（或河床最低点）地形变更转折的高程，以河长为横坐标，高程为纵坐标，即可绘出河流的纵断面图。纵断面图可以表示河流的纵坡及落差的沿程分布。沿水流方向的断面纵断面3、河流形态特征、河流形态特征-弯曲程度深浅宽窄3.河流的河流的纵纵比降比降 随意河段两端（水面或河底）的高差随意河段两端（水面或河底）的高差为为落落差，差，单单位河位河长长上的落差上的落差为为河段比降，用以河段比降，用以小数或千分数表示小数或千分数表示。河流比降公式：河流比降公式：河床底部比降越大，水面比降越大偏转力引起的横比降偏转力引起的横比降（2）横断面：水流方向垂直的断面横断面 河槽中某河槽中某处垂直于流向的断
12、面称垂直于流向的断面称为在在该处河河流的横断面。流的横断面。它的下界为河底，上界为水面线，两侧为河槽边坡，有时还包括两岸的堤防。横断面又称为过水断面，它是计算流量的重要参素。常见的断面形式有矩形断面，马蹄形断面等。3、河流形态特征、河流形态特征 河床断面特征上游：上游：连接河源，位于河流上接河源，位于河流上段，段，较大河流的上游往往高山大河流的上游往往高山夹峙，沿河有很多峡谷，河床峙，沿河有很多峡谷，河床一般窄而深。一般窄而深。特点：水流急，落差大，洪水特点：水流急，落差大，洪水涨落急落急剧，带有跌水等有跌水等险滩。中游：河流中段，多位于丘中游：河流中段，多位于丘陵地区。陵地区。特点：河面较宽
13、，河床坡度特点：河面较宽，河床坡度较平缓，水流较安静。较平缓，水流较安静。下游：河流最下一段，大河下游：河流最下一段，大河流下游位于冲流下游位于冲击平原地区。平原地区。特点：河床特点：河床较宽，复式断面，复式断面（图），河槽），河槽纵向坡度平向坡度平缓，流速流速较小。小。河口：河流终点，大河流入河口：河流终点，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，再者消逝沙漠之中。河流，再者消逝沙漠之中。河流的弯曲系数表示河流平面形河流的弯曲系数表示河流平面形态的弯曲的弯曲程度，可用河流程度，可用河流实际长度与河流两端度与河流两端间的的直直线长度之比来衡量。度之比来衡量。3、弯曲系数L
14、1L2主要包括四个方面：主要包括四个方面：（1 1）水位：）水位：确定于河流补给类型，以雨水补给的河流，水位确定于河流补给类型，以雨水补给的河流，水位变更由降水特点确定；冰川融水补给的河流，水位变变更由降水特点确定；冰川融水补给的河流，水位变更由气温特点确定更由气温特点确定（2 2）流量：）流量：以雨水补给为主的河流，看降水量的多少；流域面以雨水补给为主的河流，看降水量的多少；流域面积大，一般流量大积大，一般流量大三、河流水文特征三、河流水文特征我国河流的水量补给我国河流的水量补给 雨源、雨雪源、雪源雨源、雨雪源、雪源影响河川径流的因素影响河川径流的因素 1、气候因素：、气候因素：降雨、蒸发降
15、雨、蒸发 2、下垫面因素：、下垫面因素：流域的面积、形态、土壤、流域的面积、形态、土壤、地质、植被、湖泊、水库等地质、植被、湖泊、水库等 3、人类活动、人类活动主要包括四个方面：主要包括四个方面：（3 3）泥沙：）泥沙：确定于流域内地面植被状况确定于流域内地面植被状况静态特性包括：几何特性，重力特性，级配特性；静态特性包括：几何特性，重力特性，级配特性；动态特性包括：沉降特性，运动特性和冲淤特性动态特性包括：沉降特性，运动特性和冲淤特性 （4 4）结冰期有无或长短（最冷月月均温），水能隐藏）结冰期有无或长短（最冷月月均温），水能隐藏量（由流域内的地形、气候特征确定）。量（由流域内的地形、气候特
16、征确定）。三、河流水文特征三、河流水文特征1-2 河道水流的运河道水流的运动结构构一、河道水流的基本特性一、河道水流的基本特性 河道水流是在河谷地河道水流是在河谷地质、地貌与水文条件的作用下而构、地貌与水文条件的作用下而构成它的特性的，人成它的特性的，人为因素也可能因素也可能赐予程度不同的影响。予程度不同的影响。这种基本特性可以概括种基本特性可以概括为以下几点。以下几点。（1）河道水流的二相特性）河道水流的二相特性 自然河流属于挟自然河流属于挟带泥沙的两相明渠流泥沙的两相明渠流（2）河道水流的三）河道水流的三维性性 过水断面不水断面不规则，宽深比越小，三深比越小，三维性越性越强（3）河道水流的
17、不恒定性）河道水流的不恒定性 一是来水来沙随一是来水来沙随时空空变更，二是河床演化，河道更，二是河床演化，河道边界随界随时空空变更，两者相互依存，制更，两者相互依存，制约和相互促使和相互促使变更更发展。展。（4）河道水流的不匀整性）河道水流的不匀整性 河道水流的非恒定性致使不匀整性，河道水流的非恒定性致使不匀整性，顺直河道，河床冲淤直河道，河床冲淤相相对平衡，水流基本平衡，水流基本稳定，定，过水断面沿程水断面沿程变更更较小小时可当可当作匀整流作匀整流处理。理。1-2 河道水流的运河道水流的运动结构构二、河道水流的紊二、河道水流的紊动特征特征在水力学中将流体运在水力学中将流体运动状状态区分区分为
18、紊流和紊流和层流两大流两大类型。在紊流中又分型。在紊流中又分为光滑区、粗光滑区、粗糙区（或阻力平方区糙区（或阻力平方区)，以及介学三者之，以及介学三者之间的两个的两个过渡区。渡区。河道水流普遍具有河道水流普遍具有较大的雷大的雷诺数，从工程数，从工程观点来看，河道水流一般居于紊流阻力平方点来看，河道水流一般居于紊流阻力平方区。区。流体质点的运动极不规则，流场中各种流流体质点的运动极不规则，流场中各种流淌参数的值具有脉动现象。淌参数的值具有脉动现象。由于脉动的急剧混掺，流体动量、能量、由于脉动的急剧混掺，流体动量、能量、温度以及含有物的浓度的扩散速率较层流温度以及含有物的浓度的扩散速率较层流为大。
19、为大。紊流是有涡流淌，并且具有三维特征。紊流是有涡流淌，并且具有三维特征。（2）紊流的主要特征）紊流的主要特征1883年，O.雷诺发表了他观测层流及紊流流态的文章，并于1894年推导出索流时均流淌的基本方程雷诺方程式。20世纪20年头以来，发展了各种半阅历理论和各种紊流模型，从而对紊流问题可进行定量的分析。从30年头起，紊流统计理论，特殊是G.I.泰勒的匀整各向同性紊流理论得到了发展；40年头苏联的A.H.科尔莫戈罗夫提出了局部各向同性紊流理论。50年头中国的周培源对于匀整各向同性紊流提出了旋涡结构理论；同时，紊流的试验探讨使人们对紊流的性质也有了进一步的了解。60年头以后，氢泡法、高速摄影等
20、量测技术的运用更进一步揭示了紊流机理；电子计算机的应用也使量测数据处理简易化，从而对紊流的起源、紊流的内部结构有了深化的相识。对壁面紊流的起源提出了猝发觉象的图形。（3）紊流理论发展）紊流理论发展1-2 河道水流的运河道水流的运动结构构一、一、河道水流的河道水流的紊紊动特征特征 （1 1）紊流的形成条件）紊流的形成条件（2）紊流发生的物理过程）紊流发生的物理过程 -猝发觉象是紊流得以发生和赖以维持的物理过程猝发觉象是紊流得以发生和赖以维持的物理过程 -在流淌稳定的状况下，即使产生明显的扰动，也将在流淌稳定的状况下，即使产生明显的扰动，也将被衰减，因而流淌并不会从层流转变为紊流。被衰减，因而流淌
21、并不会从层流转变为紊流。-当流淌失去稳定，在壁面边界层流中，猝发觉象将当流淌失去稳定，在壁面边界层流中，猝发觉象将导致层流到紊流的转变，并供应维持紊流运动所须要导致层流到紊流的转变，并供应维持紊流运动所须要的大部分能量。的大部分能量。（2）紊流发生的物理过程）紊流发生的物理过程在靠近固体壁面的粘性底层中，在平面上具有顺流向在靠近固体壁面的粘性底层中，在平面上具有顺流向的高速带和低速带相间形成的带状流淌结构的高速带和低速带相间形成的带状流淌结构（2）紊流发生的物理过程）紊流发生的物理过程在低速带向下游流淌的过程中，其下游头部常缓慢上在低速带向下游流淌的过程中，其下游头部常缓慢上举，低速带与固体壁
22、面间距离渐渐增大，低速带与固举，低速带与固体壁面间距离渐渐增大，低速带与固体壁面之间产生横向漩涡。体壁面之间产生横向漩涡。二维平均流的涡丝湍流扰动使涡丝变形马蹄涡（发夹涡）（Hairpinvortex）横向漩涡在向下游运行的过程中发生变形，形成马蹄横向漩涡在向下游运行的过程中发生变形，形成马蹄形涡，或形涡，或U形涡。马蹄形涡的头部由于涡旋的诱导作形涡。马蹄形涡的头部由于涡旋的诱导作用随着向下游运动而渐渐上举。用随着向下游运动而渐渐上举。平均流的拉伸使涡量加强马蹄涡（发夹涡）（Hairpinvortex）上举后由于流场中上部流速大，马蹄形涡受到拉伸作上举后由于流场中上部流速大，马蹄形涡受到拉伸作
23、用而变形。马蹄形涡的拉伸和变形使得最终在流场中用而变形。马蹄形涡的拉伸和变形使得最终在流场中产生困难的涡量场。产生困难的涡量场。马蹄形涡的上举最终形成底部低流速流体向上层高流马蹄形涡的上举最终形成底部低流速流体向上层高流速流淌区的喷射。低速流体向上喷射将伴随上层高速速流淌区的喷射。低速流体向上喷射将伴随上层高速流体向下层俯冲而冲入形成清扫。流体向下层俯冲而冲入形成清扫。喷射和清扫形成流体内部剪切层，使断面瞬时流速呈喷射和清扫形成流体内部剪切层，使断面瞬时流速呈现相当困难的状况。现相当困难的状况。雷诺应力大部分由猝发在约25时间产生氢气泡(涡丝)马蹄涡上抛ejectionKline试验(1967
24、)下扫sweep猝发bursting再现由马蹄形涡的形成、发展到形成喷射和清扫，整个过由马蹄形涡的形成、发展到形成喷射和清扫，整个过程称为猝发觉象程称为猝发觉象边界层猝发过程的流速分布上抛上抛下扫下扫（3）紊动大小的表达）紊动大小的表达-紊动切应力紊动切应力 由于涡漩混掺引起质点动量交换而产生脉动流速由于涡漩混掺引起质点动量交换而产生脉动流速及相应紊动切应力，也称附加切应力。及相应紊动切应力，也称附加切应力。表达形式表达形式1 1：式中，式中，是指空间某点瞬时是指空间某点瞬时 和和 在某时段的时均值。在某时段的时均值。；式中，式中，为瞬时值，为瞬时值，为时均值，为时均值，为为X X方向的脉动流
25、速方向的脉动流速（3）紊动切应力）紊动切应力表达形式表达形式2 2：影响影响 mm的几个量在量测和确定上都存在不少困的几个量在量测和确定上都存在不少困难，在实际计算中，通常由切应力和时均流速难，在实际计算中，通常由切应力和时均流速分布反推分布反推 mm值。值。（3）紊动切应力）紊动切应力在恒定二元匀整明流，水深为在恒定二元匀整明流，水深为h h，水力坡度为，水力坡度为J J，作用于底壁的切应力为，作用于底壁的切应力为 ；依据理论与实测资料分析得到紊流切应力沿水依据理论与实测资料分析得到紊流切应力沿水深按直线分布：深按直线分布：表达形式表达形式3 3：普兰特依据动量传递原理或掺混长度理论得到。普
26、兰特依据动量传递原理或掺混长度理论得到。z/h 紊动剪力的垂向分布z/h 紊动强度垂线分布规律格拉斯的试验成果1-2 河道水流的运河道水流的运动结构构二、流速分布二、流速分布规律律 一般状况下，自然河道水流具有三一般状况下，自然河道水流具有三维性、性、不恒定性、不匀整性，其流速分布呈三不恒定性、不匀整性，其流速分布呈三维流速分布。流速分布。但但对宽深比深比较大的冲大的冲积河流，河道水流的河流，河道水流的流速分布接近二流速分布接近二维明渠流流速分布，明渠流流速分布，这种种状况下，可以近似地用二状况下，可以近似地用二维明渠匀整流流明渠匀整流流速分布公式来描述河道水流的流速分布。速分布公式来描述河道
27、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）对数区流速分布）对数区流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布（1）对数区流速分布）对数区流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布（1）对数区流速分布）对数区流速分布明渠水流流速分布明渠水流流速分布上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系数，其中糙为修正系数，其中糙壁壁x=1；光壁和过渡壁面；光壁和过渡壁面x是是ks和和的函数
28、。）的函数。）卡门常数卡门常数爱因斯坦公式爱因斯坦公式8.5糙壁糙壁光壁和过渡壁面光壁和过渡壁面（2）外层区流速分布）外层区流速分布外层区的流速分布偏离对数分布，有一流速增值，外层区的流速分布偏离对数分布，有一流速增值，可以用一尾迹函数来表示：可以用一尾迹函数来表示：明渠水流流速分布明渠水流流速分布三、自然（冲三、自然（冲积宽浅）河流流速分布浅）河流流速分布规律律（1）对数型流速分布公式，卡曼数型流速分布公式，卡曼普普兰特特尔（Th.von.Karman-L.prandtl）公式）公式 （1-1）umax,u,u*分分别为水面水面处最大流速，点流速及最大流速，点流速及摩阻流速；摩阻流速；k为常
29、数，通常取常数，通常取0.4.（2）指数型流速分布公式，）指数型流速分布公式，陈永永宽（1984）（1-2）适用含沙量适用含沙量较高的水流。高的水流。（3）三三维河道水流流速分布的河道水流流速分布的阅历方法方法实测、模型、模型观测。泥沙运动与水流紊动紧密相关。泥沙浓度和泥沙级配沿垂线的分布是连续的，在近壁区既有推移质运动，又有悬移质泥沙在床面旁边浮游前进，他们之间也不停地存在交换。悬移质泥沙是由于水流紊动而悬浮于水体中，泥沙含量及级配影响水流运动结构，水流结构变更引起携带泥沙量的变更，两者是紧密联系在一起的。即水流紊动强度的强弱干脆确定携带泥沙的含量及粒径，水中所含泥沙也会同样影响对应的水流紊
30、动强度。因此，明渠水流中所含泥沙与水流紊动强度是存在确定关系或规律的，一方面，泥沙因水流的紊动而起动、悬浮和输移；另一方面，水流中所携带的泥沙反过来影响水流结构，故它们之间是相互制约、同时又是密不行分的。它们之间是相互影响或相互对应的关系。1-2 河道水流的运河道水流的运动结构构三、三、河道水流的主流与副流河道水流的主流与副流（1）主流（正流、元生流）主流（正流、元生流）在重力作用下在重力作用下沿河槽沿河槽总方向流淌的水流，流方向流淌的水流，流线和流速相互开和流速相互开行，并且平行于河槽的行，并且平行于河槽的轴线。（2）副流（次生流）副流（次生流）由重力或其它因素作由重力或其它因素作用下，在水
31、流内部用下，在水流内部产生一种大生一种大规模的水流旋模的水流旋转运运动。流向不限于。流向不限于纵向，有的具有复向，有的具有复归性。性。（3）环流流具有复具有复归性的次生流。是造成横性的次生流。是造成横向向输沙的主要沙的主要缘由。由。1-2 河道水流的运河道水流的运动结构构三、三、河道水流的主流与副流河道水流的主流与副流1-3 河道水流中的阻力河道水流中的阻力损失失重力、重力、惯性力与阻力性力与阻力为水流中最重要的力。与水流中最重要的力。与清水水流相比，河道水流中的力要困清水水流相比，河道水流中的力要困难得多，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。探探讨河道水流阻力河
32、道水流阻力损失的目的：主要在于确定失的目的：主要在于确定河道的泄流河道的泄流实力和力和输沙沙实力。力。对子具有确定子具有确定过水断面和比降的河道，水流的水断面和比降的河道，水流的流速有多大，不流速有多大，不仅确定能通确定能通过多大流量，而且多大流量，而且干脆与泥沙运干脆与泥沙运动的的强度有关，因此探度有关，因此探讨水流阻水流阻力力损失始失始终是河流淌力学的基本是河流淌力学的基本问题。1-3 河道水流中的阻力河道水流中的阻力损失失一、一、河道水流阻力河道水流阻力损失根源失根源一般管道或明槽水流的阻力一般管道或明槽水流的阻力损失与河道水流失与河道水流阻力阻力损失的差异主要来源于二者紊失的差异主要来
33、源于二者紊动的差的差异。异。紊源除了一般意紊源除了一般意义的粗糙的粗糙边璧外，璧外，还包括河包括河势、河相、成型淤、河相、成型淤积体、河底或河岸的大体、河底或河岸的大凸大凹、沙凸大凹、沙纹及沙波等，及沙波等，1-3 河道水流中的阻力河道水流中的阻力损失失一、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河道水流中的阻力损失二、明渠二二、明渠二维水流的阻力水流的阻力损失表达方式失表达方式对于恒定、匀整的明渠流淌，可以用水流的能坡、于恒定、匀整的明渠流淌，可以用水流的能坡、断面平均流速、水力半径和反映断面平均流速、水力半径和反映边壁粗糙状况壁粗糙状况的阻力系数的阻力系数这四个物理量建立水流
34、的断面平均四个物理量建立水流的断面平均流速公式，也可以称流速公式，也可以称为阻力方程。阻力方程。水力学中一般常用阻力系数有达西阻力系数水力学中一般常用阻力系数有达西阻力系数，糙率系数糙率系数n，和，和谢才系数才系数C表示水流阻力，其中表示水流阻力，其中阻力系数阻力系数无量无量纲，糙率系数，糙率系数n和和谢才系数才系数C是是有量有量纲的的阅历系数：系数：1775年，谢才（A.Chezy）：（1-3）1888年，达西魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）：（1-4）1890年，曼定公式：（1-5）式中，v-断面时均流速；R-水力半径；J-比降，水力坡度；g-重力加速度；（1-6）1938年，ke
35、ulegan(坎莱根)提出如下的对数型断面平均流速公式：（水力光滑区）（1-7）（水力粗糙区）（1-8）Ks边壁粗糙尺度，反映边壁粗糙突起程度。此式对不同形态断面的棱柱形明渠适用。Einstein统一公式“糙率系数糙率系数”n，也称，也称满宁宁(Manning)系数、糙率。系数、糙率。其内含是极其内含是极为困困难的。它干脆与水流中的紊源和的。它干脆与水流中的紊源和紊紊动结构有关，与大至河构有关，与大至河势，小至河床床沙粒径，小至河床床沙粒径有关。有关。自然河流中的流淌一般都自然河流中的流淌一般都处于紊流阻力平方区，于紊流阻力平方区，假如流淌可假如流淌可视为二二维的，或河岸、河底具有相同的，或河
36、岸、河底具有相同的糙率，的糙率，则n与水深无关。与水深无关。n有有时与水流状与水流状态有关，有关，这很大程度上是自然河底、很大程度上是自然河底、河岸河岸边界的可界的可变性造成的。性造成的。几个概念简析几个概念简析粗糙高粗糙高KsKs：是自然壁面的当量粗糙高，它综合反映壁面粗：是自然壁面的当量粗糙高，它综合反映壁面粗糙程度、形式和分布等因素对水流的影响。不仅只反映槽糙程度、形式和分布等因素对水流的影响。不仅只反映槽壁的粗糙程度，同时还与粗糙的形式和分布状况有关。在壁的粗糙程度，同时还与粗糙的形式和分布状况有关。在河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不匀整的，也河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布
37、都是不匀整的，也是随机的，是随机的，KsKs是反映这些因素的一个综合参数。是反映这些因素的一个综合参数。通常接受实测的方法来确定通常接受实测的方法来确定KsKs，即测出河槽的流速分布和，即测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。也有人用床沙状况来初估也有人用床沙状况来初估KsKs，如对于匀整床沙，接受，如对于匀整床沙，接受Ks=0.7dKs=0.7d，d d为床沙粒径；如对于非匀整床沙，接受为床沙粒径；如对于非匀整床沙，接受Ks=d65Ks=d65，d65d65为床沙组成中出现概率是为床沙组成中出现概率是65%65%的粒径；不同的粒径；不同试验条件不同，仅供参考。试验条件不同，仅供参考。8.5槽壁流速公式槽壁流速公式:几个概念简析摩阻流速摩阻流速U*U*：摩阻流速摩阻流速U*U*反映了水流的紊动状况，广泛应用在泥沙探讨反映了水流的紊动状况，广泛应用在泥沙探讨中。中。U*U*与脉动强度的数值大小相当。与脉动强度的数值大小相当。00是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床面剪切力。是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床面剪切力。