河道水流的特性模板学习教案

1、会计学1河道水流河道水流(shuli)的特性模板的特性模板第一页，共86页。第1页/共85页第二页，共86页。较大的称江、河、川、水，较小的称溪、涧、沟、曲等。如长江(chn jin)、黄河、钱塘江第2页/共85页第三页，共86页。河流的分段：河源、上游、中游、下游河流的分段：河源、上游、中游、下游(xiyu)、河口、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 支流支流Flood plain洪积平原洪积平原Oxbow lake 牛厄湖牛厄湖 Sal

2、t 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，中游第3页/共85页第四页，共86页。第4页/共85页第五页，共86页。第5页/共85页第六页，共86页。第6页/共85页第七页，共86页。：第7页/共85页第八页，共86页。第8页/共85页第九页，共86页。急滩急滩(j tn)第9页/共85页第十页，共86页。瀑布瀑布(pb)第10页/共85页第十一页，共86页。中下游中下游第11页/共85页第十

3、二页，共86页。第12页/共85页第十三页，共86页。河流(hli)特征水文(shuwn)特征水系(shux)特征长度流域面积河道流量的多少水位的季节变化含沙量结冰期流速等水系形态、河流密度、支流流向第13页/共85页第十四页，共86页。1 1、河系：、河系： 流域里的大大小小的水流路线，构成脉络相通流域里的大大小小的水流路线，构成脉络相通的系统的系统(xtng)(xtng)，称为水系（河系、河网）。，称为水系（河系、河网）。 水系是由干流和他的全部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(zh r)的湖泊命名。 二、河流二、河流(hli)水系特征水系特征第1

4、4页/共85页第十五页，共86页。1 1、河系：、河系： 流域里的大大小小的水流路线，构成脉络相通流域里的大大小小的水流路线，构成脉络相通(xingtng)(xingtng)的系统，称为水系（河系、河网）。的系统，称为水系（河系、河网）。 Horton-Strahler河流分级法：河流分级法：直接发源直接发源(fyun)于河源的小河流为于河源的小河流为1级河流；级河流；两条同级别的河流汇合而成的河流两条同级别的河流汇合而成的河流级别比原来高一级；级别比原来高一级；两条不同级别的河流汇合而成的河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流的流的级别为两条河流中较高的河流的级别级别

5、第15页/共85页第十六页，共86页。扇形羽毛状平行状混合形放射状第16页/共85页第十七页，共86页。扇形(shn xn)水系淮河流域第17页/共85页第十八页，共86页。南北对称(duchn)状水系 长江流域第18页/共85页第十九页，共86页。第19页/共85页第二十页，共86页。iNiBR（2）河长率：水系中各级河流的平均河长与该河流级）河长率：水系中各级河流的平均河长与该河流级别别(jbi)i近似于正几何级数关系。近似于正几何级数关系。11iiLLL R（3）面积）面积(min j)率：随着河道级别的增加，河道的率：随着河道级别的增加，河道的平均流域面积平均流域面积(min j)倾向

6、于一列递增的几何数列。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，河道的平均）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的几何数列。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归关系线回归关系第20页/共85页第二十一页，共86页。第21页/共85页第二十二页，共86页。流域几何流域几何(j h)(j h)特征特征 L =1.27F0.6 第22页/共85页第二十三页，共86页。流域流域(liy)(liy)几何特征几何特征 2/fufLAR cucAAR/fceLDR/21/uusAAR Ac与流域(l

7、iy)具有同一周长的圆面积Dc与流域具有同一周长的圆直径第23页/共85页第二十四页，共86页。中国七大水系：珠江、长江、黄河(hun h)、淮河、辽河、海河、松花江（三江四河） 第24页/共85页第二十五页，共86页。3、河流形态特征、河流形态特征-弯曲弯曲(wnq)程度程度深浅宽窄深浅宽窄第25页/共85页第二十六页，共86页。第26页/共85页第二十七页，共86页。011122102()()()2nnnhh lhh lhh lh LJLnmmLmnJhl河流的比降自上游到下游沿程各点河底高程，两点间的距离，全河流的长度， 河床底部比降(b jin)越大，水面比降(b jin)越大第27页

8、/共85页第二十八页，共86页。偏转偏转(pinzhun)力引起力引起的横比降的横比降第28页/共85页第二十九页，共86页。3、河流形态、河流形态(xngti)特征特征 第29页/共85页第三十页，共86页。第30页/共85页第三十一页，共86页。第31页/共85页第三十二页，共86页。第32页/共85页第三十三页，共86页。第33页/共85页第三十四页，共86页。lLL1L2第34页/共85页第三十五页，共86页。三、河流三、河流(hli)水文特征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(yn s) 1、气候因素

9、、气候因素(yn s)：降雨、蒸发：降雨、蒸发 2、下垫面因素、下垫面因素(yn s)：流域的面积、形态、土：流域的面积、形态、土壤、地质、植被、湖泊、水库等壤、地质、植被、湖泊、水库等 3、人类活动、人类活动第35页/共85页第三十六页，共86页。三、河流水文三、河流水文(shuwn)特征特征第36页/共85页第三十七页，共86页。第37页/共85页第三十八页，共86页。第38页/共85页第三十九页，共86页。流体质点的运动极不规则，流场中各种流动流体质点的运动极不规则，流场中各种流动参数的值具有脉动现象。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、温由于脉动的急剧混掺，流体动

10、量、能量、温度以及度以及(yj)(yj)含有物的浓度的扩散速率较层含有物的浓度的扩散速率较层流为大。流为大。紊流是有涡流动，并且具有三维特征。紊流是有涡流动，并且具有三维特征。（2）紊流的主要）紊流的主要(zhyo)特征特征第39页/共85页第四十页，共86页。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动的基本方程雷诺方程式。20世纪20年代以来，发展了各种半经验理论和各种紊流模型，从而对紊流问题(wnt)可进行定量的分析。从30年代起，紊流统计理论，特别是G.I.泰勒的均匀各向同性紊流理论得到了发展；40年代苏联的A.H.科尔莫戈罗夫提出了局部各向同

11、性紊流理论。50年代中国的周培源对于均匀各向同性紊流提出了旋涡结构理论；同时，紊流的试验研究使人们对紊流的性质也有了进一步的了解。60年代以后，氢泡法、高速摄影等量测技术的使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入的认识。对壁面紊流的起源提出了猝发现象的图形。（3）紊流理论）紊流理论(lln)发展发展第40页/共85页第四十一页，共86页。第41页/共85页第四十二页，共86页。（2）紊流发生）紊流发生(fshng)的物理过程的物理过程 -猝发现象是紊流得以发生猝发现象是紊流得以发生(fshng)和赖以维持的物理和赖以维持的物理

12、过程过程 -在流动稳定的情况下，即使产生明显的扰动，也将在流动稳定的情况下，即使产生明显的扰动，也将被衰减，因而流动并不会从层流转变为紊流。被衰减，因而流动并不会从层流转变为紊流。 -当流动失去稳定，在壁面边界层流中，猝发现象将当流动失去稳定，在壁面边界层流中，猝发现象将导致层流到紊流的转变，并提供维持紊流运动所需要导致层流到紊流的转变，并提供维持紊流运动所需要的大部分能量。的大部分能量。第42页/共85页第四十三页，共86页。（2）紊流发生）紊流发生(fshng)的物理过程的物理过程在靠近在靠近(kojn)固体壁面的粘性底层中，在平面上具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

13、带相间形成的带状流动结构有顺流向的高速带和低速带相间形成的带状流动结构第43页/共85页第四十四页，共86页。（2）紊流发生的物理）紊流发生的物理(wl)过程过程在低速带向下游流动的过程中，其下游头部常缓慢在低速带向下游流动的过程中，其下游头部常缓慢(hunmn)上举，低速带与固体壁面间距离逐渐增大，低速上举，低速带与固体壁面间距离逐渐增大，低速带与固体壁面之间产生横向漩涡。带与固体壁面之间产生横向漩涡。第44页/共85页第四十五页，共86页。 a b二维平均(pngjn)流的涡丝湍流(tunli)扰动使涡丝变形马蹄(mt)涡（发夹涡）（Hairpin vortex）横向漩涡在向下游运行的过程

14、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用形涡。马蹄形涡的头部由于涡旋的诱导作用随着向下游运动而逐渐上举。随着向下游运动而逐渐上举。第45页/共85页第四十六页，共86页。平均(pngjn)流的拉伸使涡量加强马蹄(mt)涡（发夹涡）（Hairpin vortex）上举后由于流场中上部流速大，马蹄形涡受到拉伸作用上举后由于流场中上部流速大，马蹄形涡受到拉伸作用(zuyng)而变形。马蹄形涡的拉伸和变形使得最终在流而变形。马蹄形涡的拉伸和变形使得最终在流场中产生复杂的涡量场。场中产生复杂的涡量场。第46页/共85页第四

15、十七页，共86页。马蹄形涡的上举最终形成马蹄形涡的上举最终形成(xngchng)底部低流速流体向上底部低流速流体向上层高流速流动区的喷射。低速流体向上喷射将伴随上层层高流速流动区的喷射。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高速流体向下层俯冲而冲入形成(xngchng)清扫。清扫。第47页/共85页第四十八页，共86页。喷射和清扫形成喷射和清扫形成(xngchng)流体内部剪切层，使断面瞬流体内部剪切层，使断面瞬时流速呈现相当复杂的状况。时流速呈现相当复杂的状况。第48页/共85页第四十九页，共86页。雷诺应力(yngl)大部分由猝发在约25时间产生氢气(qn q)泡(涡丝)马

16、蹄(mt)涡上抛ejectionKline实验(1967)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，整个过程称由马蹄形涡的形成、发展到形成喷射和清扫，整个过程称为猝发现象为猝发现象第49页/共85页第五十页，共86页。边界层猝发(c f)过程的流速分布上抛上抛下扫下扫)/(smu)/(smv第50页/共85页第五十一页，共86页。（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由于涡漩混掺引起质点动量交换而产生脉动流速及相应流速及相应(xingyng)紊动切应力，也称附加切应紊动切应力，也称附加切应力。力。表

17、达形式表达形式1 1：式中，式中， 是指空间是指空间(kngjin)(kngjin)某点瞬时某点瞬时 和和 在某时段的时均在某时段的时均值。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方向的脉动流速方向的脉动流速yxuuxuyuxxxuuuyyyuuuxuxuxu第51页/共85页第五十二页，共86页。（3）紊动切应力）紊动切应力(yngl)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难，的几个量在量测和确定上都存在不少困难，在实际计算中，通常在实际计算中，通常(tngchng)(tngchng)由切应力和时均流由切应力和时均流速分布反

18、推速分布反推mm值。值。第52页/共85页第五十三页，共86页。（3）紊动切应力）紊动切应力(yngl)在恒定二元均匀明流，水深为在恒定二元均匀明流，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 ；根据理论与实测资料分析得到根据理论与实测资料分析得到(d do)(d do)紊流切应力紊流切应力沿水深按直线分布：沿水深按直线分布：表达形式表达形式3 3：普兰特根据动量传递普兰特根据动量传递(chund)原理或掺混长度理论得原理或掺混长度理论得到。到。hJRJ0)1 ()(0hyJyh22dyudlx第53页/共85页第五十四页，共86页。z/h 紊动剪力的

19、垂向分布(fnb)第54页/共85页第五十五页，共86页。z/h 紊动强度(qingd)垂线分布规律格拉斯的试验成果 第55页/共85页第五十六页，共86页。第56页/共85页第五十七页，共86页。明渠水流明渠水流(shuli)流速分布流速分布第57页/共85页第五十八页，共86页。明渠水流明渠水流(shuli)流速分布流速分布第58页/共85页第五十九页，共86页。 第59页/共85页第六十页，共86页。明渠水流流速明渠水流流速(li s)分布分布第60页/共85页第六十一页，共86页。明渠水流明渠水流(shuli)流速分布流速分布第61页/共85页第六十二页，共86页。明渠明渠(mn q)

20、水流流速分布水流流速分布第62页/共85页第六十三页，共86页。明渠明渠(mn q)水流流速分布水流流速分布第63页/共85页第六十四页，共86页。（1）对数区流速）对数区流速(li s)分布分布明渠明渠(mn q)水流流速分布水流流速分布第64页/共85页第六十五页，共86页。（1）对数）对数(du sh)区流速分布区流速分布明渠水流流速明渠水流流速(li s)分布分布第65页/共85页第六十六页，共86页。（1）对数区流速）对数区流速(li s)分布分布明渠水流流速明渠水流流速(li s)分布分布第66页/共85页第六十七页，共86页。上式为：三种上式为：三种(sn zhn)壁面的统一对数

21、流速公式，（式中，壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系为修正系数，其中糙壁数，其中糙壁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。）的函数。）卡门常数卡门常数(chngsh)爱因斯坦公式爱因斯坦公式(gngsh)8.5糙壁糙壁光壁和过渡壁面光壁和过渡壁面第67页/共85页第六十八页，共86页。（2）外层）外层(wi cn)区流速分布区流速分布外层区的流速分布外层区的流速分布(fnb)偏离对数分布偏离对数分布(fnb)，有一，有一流速增值，可以用一尾迹函数来表示：流速增值，可以用一尾迹函数来表示：明渠水流流速明渠水流流速(li s)分布分布hykyhkuuu2sin2ln1

22、2*max第68页/共85页第六十九页，共86页。yhkuuuln1*max mamxhyuu)( 0*gRJU第69页/共85页第七十页，共86页。 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附近浮游前进，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，水流结构变化引起携带泥沙量的变化，两者是紧密联系在一起的。即水流紊动强度的强弱直接决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动强度。因此，明渠水流中所含泥沙与水流紊动强度是存在一定关系(gun x)或规律

23、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、同时又是密不可分的。它们之间是相互影响或相互对应的关系(gun x)。第70页/共85页第七十一页，共86页。第71页/共85页第七十二页，共86页。第72页/共85页第七十三页，共86页。第73页/共85页第七十四页，共86页。第74页/共85页第七十五页，共86页。冲积河流阻力沿程阻力河底的床面阻力沙粒阻力沙波阻力河岸、边壁阻力局部阻力源于河流平面形态特征阻力，如主流线的摆动、河弯、河谷的突然扩宽等源于个别特大粗糙的阻力，如孤石、小岛、潜滩等。第75页/共85页第七十六页，

24、共86页。第76页/共85页第七十七页，共86页。RJCv gvRLhJf2412 21321JRnv gRnC8161 第77页/共85页第七十八页，共86页。)lg(75. 525. 3* RUUU )lg(75. 525. 6*skRUU )27.12lg(75. 5*skRUU第78页/共85页第七十九页，共86页。几个(j )概念简析第79页/共85页第八十页，共86页。几个(j )概念简析粗糙高粗糙高KsKs：是天然壁面的当量粗糙高，它综合反映壁面粗：是天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

25、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、形式和分布都是不均匀的，也河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均匀的，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。通常采用实测的方法来确定通常采用实测的方法来确定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。也有人用床沙情况来初估也有人用床沙情况来初估KsKs，如对于，如对于(duy)(duy)均匀床沙，采均匀床沙，采用用Ks=0.7

26、dKs=0.7d，d d为床沙粒径；如对于为床沙粒径；如对于(duy)(duy)非均匀床沙，非均匀床沙，采用采用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；的粒径；不同实验条件不同，仅供参考。不同实验条件不同，仅供参考。8.5槽壁流速槽壁流速(li s)(li s)公公式式: :第80页/共85页第八十一页，共86页。几个(j )概念简析摩阻流速摩阻流速U U* *： 摩阻流速摩阻流速U U* *反映了水流的紊动情况，广泛应用在泥沙研究中。反映了水流的紊动情况，广泛应用在泥沙研究中。 U U* *与脉动强度与脉动强度(qingd)(qingd)的数值大小相当。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。0*gRJU2*0URJ第81页/共85页第八十二页，共86页。常用计算(j sun)的推导KsKs和糙率和糙率n n的计算：的计算： 例：先测得河流水深例：先测得河流水深h,h,再测水流垂线上两点流速，如：从再测水流垂线上两点流速，如：从水面水面(shu min)(shu min)测得测得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分，由流速分布公式：布