河流动力学C1.ppt

河流动力学 水利系焦玉倩 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 1 1基本概述 一 河流河流是水流与河床在各种自然因素及人类活动的影响下相互作用的产物 河流运动过程是水流 泥沙及可动边界的各种运动和变化叠加而成的 搬运侵蚀堆积泥沙水流河床 1 1基本概述 二 河流学在改造或适应河流的过程中 人们不断总结经验 积累成果 逐渐形成了系统的知识 成为一门学科 河流动力学 以微观力学的方法研究河流及其过程的学科 河床演变学 从宏观的角度研究河流的形成和演变的学科 1 1基本概述 水流与河床在相互作用的过程中 许多情况下要通过泥沙的运动体现出来 如 泥沙淤积 抬高河床 泥沙冲刷 降低河床 泥沙有时是河床的组成部分 有时又是河水 浑水 的组成部分 研究河流的过程实质上就是研究泥沙的产生 搬运 沉积的过程 故而研究泥沙运动是本门课程的核心 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 封闭系统 与外部环境只有热量交换 开放系统 既交换热量又交换物质 1 1基本概述 在所有的动态系统中 都存在建立和维持平衡的趋势 平衡状态指一种能量最低的状态 系统达到平衡的过程 就是不断消耗能量 直至能量降到最低点的过程 平衡状态的一种判别方法 对动态系统的微小扰动 不能使系统偏离稳定状态 1 1基本概述 1 1基本概述 四 水文系统中的主要子系统水系 地表径流对地表土壤产生侵蚀后形成的沟槽系统 涉及面蚀 槽蚀 河谷的全过程 1 大气层 海洋系统5 冰川系统2 坡面系统6 地下水系统3 河流系统7 风成沉积系统4 海岸线系统 1 2研究对象 一 泥沙受水流 风力 波浪 冰川及重力作用移动后沉积或在流体中运动的固体颗粒碎屑 泥沙颗粒是地表岩石在物理 化学作用下风化 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 流体中挟带固体泥沙颗粒 流体的物理性质与运动特性改变 称为两相流 液固流和气固流 其流动为两相流动 天然冲击河流条件下 这种运动的特点 流动边界可能都是自由面 岸壁与河床互动 1 2研究对象 二 泥沙问题的研究 一 时间尺度 1 2研究对象 二 泥沙问题的分类自然界和工程实际中 泥沙问题从物理现象上分三类 侵蚀 输运 沉积 1 土壤侵蚀 在水力 风力 重力 冰川作用及人类活动影响下流域内地表物质的移动 1 2研究对象 自然侵蚀 古代侵蚀 没有人为影响 完全天然条件下 自然界发生的土壤侵蚀 如 水蚀 风蚀 溶洞侵蚀 人为侵蚀 现代侵蚀 有人类活动参与后的侵蚀 在自然侵蚀基础上加速或延缓侵蚀 附 总侵蚀量超过古代自然侵蚀量的部分称为人类活动导致的加速侵蚀 1 2研究对象 1 2研究对象 1 2研究对象 2 泥沙输运 类型 水力输运 侵蚀产生的泥沙在河道系统中受水力作用的输移过程 自然界中的泥沙输运一般指在冲积河流中的输运 这也是工程实际的研究对象和河流动力学的主要任务 并研究这种输运对冲积河流演变过程的影响 1 2研究对象 主要是研究河流上游来沙量与水流挟沙力这两者在某一时段 某一河段或某一水工结构上 下游不平衡引发的问题 如 黄河下游含沙量年总输沙量居世界第一 为强烈堆积活动的青壮年河流 河床变形剧烈 一个河段的上游下泄的水量和水流中所携带的泥沙量是决定此河段河床变形的主要因素 称为来水来沙条件 1 2研究对象 即使上游来沙与挟沙能力平衡 修建水利工程也会对上 下游河床演变产生影响 研究泥沙输运一般针对量级百年以内的时间尺度 流域中的气候 地质构造 地貌看做不变 某流域出口控制站实测的河流泥沙总量St与该流域的地表物质侵蚀总量Se之比St Se称为泥沙输移比 1 2研究对象 风力输运在某些地质时期也占有重要地位 如黄土高原风成说 由风力搬运泥沙沉积而成 河流的主要自然功能 输运功能 水源功能 汇水功能 栖息地功能 天然屏障的功能 1 2研究对象 3 泥沙沉积与所研究问题的时间尺度和空间尺度有关 一般把数十年的冲淤变化归结为泥沙输运 而泥沙沉积指量级大于百年 千 万年 和完整流域 水系上大规模的地质沉积 如 河口三角洲的延伸堆积成平原 海洋中造成陆地等 1 2研究对象 三 流域系统与泥沙问题每一条河流都在一定范围内汇集地面径流 也就是在一定范围内的地面径流由该河流宣泄出去 这个集水区 排水区 即流域 相邻流域的界限为分水岭 泥沙与整个流域 自然和人文社会条件密切相关 一个流域有许多组成部分 如 坡地 河道 水系等 每一组成部分都是一个小系统 其相互影响形成大系统 故研究 1 2研究对象 和解决泥沙问题时必须从流域系统角度出发 1 自然条件的影响对流域系统起决定性作用的主要是气候 河谷 地形 植被 岩性或土质 气候为主其他几项也会随之变化 气候变迁对流域的生态环境及土壤侵蚀的影响重大 2 人类活动的影响通过影响植被和土壤 或改变局部地形 进而影响到整个流域 1 2研究对象 3 工程泥沙问题 产生 大规模农牧业生产及现代化工业的出现使人对自然环境的破坏超过自然界的允许限度 流域中引发了一系列问题 植被锐减 土壤退化 环境污染 生态失衡 水资源短缺及因水土流失加剧而产生的 1 2研究对象 解决途径 从长远看 要减少人为的加速侵蚀 恢复流域的植被 保护和改善生态系统 减少水土流失 这需要巨大的财力投入且生态环境的恢复过程很慢 因此在相当长的时间内 泥沙问题仍十分严峻 还需依靠符合自然规律的正确工程措施加以解决 这就需要详细研究河流泥沙运动的规律 1 3研究方法 一 原型观测 数千年前 为流域规划 工程设计 洪水预报等提供第一手资料 水利测量新技术 二维测力仪 激光流速仪 超声波流速仪 颗粒成像的流场量测 二 实体模型 20世纪初 在原型资料基础上 根据一定的相似原理 将原始地形按一定比例缩小后进行水流 1 3研究方法 泥沙运动的复演 以期对河流变化进行预报 需了解水流运动相似准则 推移质 悬移质泥沙模拟相似准则 三 数学模型 近几十年 随计算机技术发展与提高 借助数学模型研究大范围 长周期的河流影响和变化 如 三峡水库修建后对上 下游及河口地区的影响 1 4与其它学科交叉关系 自建立之时起 河流动力学就不断与其它学科相互交叉发展 其主要体现如下 1 与地貌学交叉 河流动力地貌学采用固液两相流的基本理论描述河流地貌形态及其发展过程 2 与环境学科交叉 环境泥沙学研究推移质中重金属污染物的吸附 迁移 沉积及再起动的二次污染 悬移质携带污染物的机理等生产实际中的重大课题 1 4与其它学科交叉关系 3 与3S技术交叉 河流动力学信息系统进行与流域综合开发相关的信息调查与分析 提供快速准确的信息 有重要意义 4 与非线性数学交叉