水利水电工程概论2012版本

1、水利学科导论,武汉大学水利水电学院河流工程系 2012,杨国录 教授 博导,1、序,1,水利科学导论,何谓水利学科 ！ 科学问题 何谓水利工程！ 工程问题,水利科学导论,水科学与工程问题影视,水利科学导论,大气水循环图,水利科学导论,何谓水利工程！,水利工程是指控制、调节和利用自然界的地表水和地下水，以达到除害兴利的目的而修建的各种工程。诸如：（1）防洪工程（堤防、水库、滞洪区、分洪区、涵闸和排水工程）；（2）农田水利工程（灌溉工程）；（3）水利发电工程；（4）航运航电工程；（5）城市供水排水工程。（6）水利环境工程,开发利用,开发利用,水利工程,水利科学导论,水利类本科专业设置,农田水利工程

2、 水利系,水利水电工程 水电系,港口航道及海岸工程（河流工程） 河流系,水文与水资源工程 水文水资源系,水利环境工程 水利、水电、河流、水文,授课内容,学科构成,学科背景,学科理论体系,学科工程问题与解决方法,学科基础理论、方法,学科专业理论、人才与工程的贡献,学科拓展与发展,水利科学导论,一、 学科构成,水利科学导论,学科构成体系,学科培养体系,一、学科构成体系 一级学科专业,水利工程,水利水电工程,水力学及河流动力学,水文及水资源工程,港口航道及海岸工程,农业水利工程,水利科学史,水利科学导论,一、学科构成体系 二级学科专业,港口航道及海岸工程,河流动力学,河流物理模拟,河床演变学,河流数

3、值模拟,海岸工程学,水利科学导论,港口航道工程学,防洪工程学,一、学科构成体系 二级学科专业,水力学,水力学基础,环境水力学,工程水力学,计算水力学,水利科学导论,一、学科构成体系 二级学科专业,水利科学导论,二、学科培养体系 完整完备的培养体系,水利科学导论,国家重点试验室,研究生教育 硕士、博士,本科教育,博士后流动站,管理技术人员培养,二、 学科背景,水利科学导论,1.1 学科背景,全国流域图,水利科学导论,1.2 学科背景,长江流域图,水利科学导论,1.3 学科背景,黄河流域图,水利科学导论,1.4 学科背景,珠江流域图,水利科学导论,1.5 学科背景,钱塘江模型一线潮,水利科学导论,

4、水利科学导论,钱塘江一线潮,水利科学导论,钱塘江一线潮,三、 学科理论体系,水利科学导论,主要特点-多学科交叉 隶属学科-河流动力学,学科理论体系,人类活动对泥沙 和径流的改变,泥沙输移变化和河床演变,新的 防洪形势,水土流失 水库调节 ,河道冲淤变化 河型和河势变化 江湖关系调整 ,河道过流能力变化 湖泊调蓄量变化 险工险段的调整 ,4.1 水力学及河流动力学,水利科学导论,水、运动水,水流及水流机械运动规律,水力工程,液态水特性 运动水特性 ,水流运动形态 水流运动基本规律 江湖水关系 ,渠道水力学 环境水力学 工程水力学 ,4.2 水力学,水利科学导论,古代水利史,近代科学史,现代科学史

5、,河道防洪 灌溉 ,水利工程 水利工程变迁 ,水利科技发展 水利发展信息 水利发展产业 ,4.3 水利科学史,水利科学导论,四、学科工程问题与解决方法,水利科学导论,长江防洪问题,长江中下游河势图,水利科学导论,长江防洪问题,水利科学导论,长江防洪问题,水利科学导论,长江防洪问题,水利科学导论,长江防洪问题,水利科学导论,黄河防洪工程问题,水利科学导论,黄河防洪工程备料,水沙输移问题,水利科学导论,上游 河道输沙,水库 水沙调节,下游 河道输沙,河口 泥沙输移,泥沙淤积,河道冲刷,河口蚀退,微观：泥沙输移,宏观：河床演变,泥沙输移变化 导致河床演变,河床演变改变 河道输沙,模拟的科学问题,水沙

6、输移问题,水利科学导论,河口水流泥沙问题,河口 延伸 规律 变得 复杂,河口蚀退,波浪掀沙,潮流输沙,水沙输移问题,水利科学导论,河口水流泥沙问题,水沙输移问题,水利科学导论,河道水流泥沙问题,水沙输移问题,水利科学导论,泥石流问题,水沙输移问题,水利科学导论,水电站水流泥沙问题,水沙输移问题,水利科学导论,河道泥沙淤积问题,水电工程问题,水利科学导论,长江：38个 黄河：15个 珠江：19个,水电工程问题,水利科学导论,三峡工程,水电工程问题,水利科学导论,三峡工程,水电工程问题,水利科学导论,葛洲坝工程,水电工程问题,水利科学导论,隔河岩工程,水电工程问题,水利科学导论,龙羊峡工程,小浪底

7、工程,龚嘴工程,八盘峡工程,河口治理工程问题,水利科学导论,珠江口,长江口,河口治理工程问题,水利科学导论,钱塘江河口,回头潮,一线潮,十字交叉潮,碰头潮,水土保持工程问题,水利科学导论,黄河上游水土保持工程,水土保持工程问题,水利科学导论,湿地工程,港口工程问题,水利科学导论,港口码头工程,航运工程问题,水利科学导论,内河民运工程,航运工程问题,水利科学导论,水电航运工程,海岸工程问题,水利科学导论,海岸码头工程,防洪工程问题,水利科学导论,黄河堤防工程,防洪工程问题,水利科学导论,长江堤防工程,防洪工程问题,水利科学导论,长江堤防工程,荆江大堤上起荆州市区枣林岗，下止荆州市监利县城南，相应

8、桩号810+350628+000，全长182.35千米。为国家一级堤防。荆江大堤贯穿荆州市的荆州区、沙市区、江陵县和监利县。,直接保护的范围包括荆北的1100万亩地，800万人民的生命财产安全。长江黄金水道贯通全境，沙洪公路走向与大堤平行，通过荆州城区，监仙公路可与宜黄高速公路、207国道相连，对外交通十分方便。,810+350,628+000,水利工程问题,水利科学导论,南水北调工程,东线：长江下游扬州引长江水到天津,中线：汉江淘岔引水到北京天津,西线：长江上游通天河引水到北京天津,水利工程问题,水利科学导论,闸、坝泻洪工程,水利工程问题,水利科学导论,都江堰工程,泥水环境工程问题,水利科学

9、导论,泥水环境工程问题,水利科学导论,二、学科体系,2,五、学科基础理论与方法,水利科学导论,水力学科基础理论与方法,河流动力学基础理论与方法,河床演变学基础理论与方法,河流物理模型理论及方法,河流数学模型基础理论与方法,5.1 水力学基础理论与方法,水利科学导论,静水压强及其分布规律,水流运动的能量守恒及其转化规律,水从能量高的向能量低的地方运动,5.1 水力学基础理论与方法,水利科学导论,计算水力学,非恒定流水面线计算,5.1 水力学基础理论与方法,水利科学导论,工程水力学,堰流及闸孔出流水力计算 坝、堰、闸下流消能计算 渗流计算 管道水击计算 高速水流计算,水利科学导论,5.2河流动力学

10、基础理论与方法,长江水真浑,黄河水真黄,黄河水电站排出的是水吗,?,?,?,水利科学导论,5.2 河流动力学基础理论与方法,水流能够输沙吗,黄河怎么了？沙多、输得远、淤得多,水电站能通航吗,?,?,?,水利科学导论,5.2河流动力学基础理论与方法,电站何时淤死,长江不排洪水吗,河道上建筑物不防碍行洪吗,?,?,?,水利科学导论,5.2河流动力学基础理论与方法,在明渠水流运动下，研究液态中的固态运动,主要研究：泥沙的冲泻质、悬移质、推移质的基本运动规律,冲泻质：极细颗粒，满足自动悬浮条件：泥沙颗粒重力作功对水流所提供的能量大于自身消耗的能量,这样的泥沙很难落淤到河床上，而得于远距离的输送,水利科

11、学导论,5.2河流动力学基础理论与方法,悬移质运动： 满足条件：,这样的泥杀可以在水中作悬移运动，在一定的水流条件下，它可以转变为推移质，或者转变为床沙质，在床面淤存下来，使河床发生变化。 描述悬移质运动的理论有：扩散理论：,水利科学导论,5.2河流动力学基础理论与方法,悬移质运动： 悬移质含沙量分布公式,H.Rouse(1938) 公式,重力理论：悬移质含沙量分布公式,水利科学导论,5.2河流动力学基础理论与方法,水流挟沙力： 著名的张瑞谨公式：依据制紊假说：携带悬移质运动的水流能耗，在同等条件下，较清水水流能耗为小,水利科学导论,5.2河流动力学基础理论与方法,水流挟沙力： 著名的维利堪诺

12、夫公式：依据假说：携带悬移质运动的水流能耗，在同等条件下，较清水水流能耗为大,推移质运动：,泥沙的起动公式： 著名的张瑞谨公式：上举力、推移力、脉动压力、重力、黏结力,杨国录公式,（1)同等情况下，非均匀沙挟沙水流的能耗较清水水流能耗为小。 基于这种发现，首次得到了描述非均匀沙运动的水流挟沙力公式。,非均匀沙水流挟沙力公式：,5.2河流动力学基础理论与方法,杨国录公式,（2）首次发现平面二维水流运动其提供能、损失能、传递能沿河宽成非均匀分布规律，并首次提出能量守恒律。,能量平衡方程式：,5.2河流动力学基础理论与方法,杨国录公式,（3）同等情况下，单位流条挟沙水流能耗较清水水流能耗为小，据此发

13、现得到了二维水流挟沙力公式。,平面二维水流挟沙力公式：,5.2河流动力学基础理论与方法,水利科学导论,5.2河流动力学基础理论与方法,推移质运动：,泥沙的起动公式： 著名的窦国仁公式（上举力、推移力、脉动压力、重力、黏结力、薄膜水吸附力）,推移质输沙率：,著名的 E.梅叶-彼得 公式,水利科学导论,5.2 河流动力学基础理论与方法,推移质输沙率：,著名的 爱因斯坦 公式 （从力学和统计学出发）,著名的 英格隆 公式 （从力学出发）,水利科学导论,5.3 河床演变学的基础理论与方法,广义上：指研究河道生成和发展的历史过程； 狭义上：指研究近代河道的变化。,河道演变原理： 水流不平衡输沙原理,河道

14、演变的根本动因： 水流与河床相互作用的结果，调节这对矛盾的介质是泥沙。水流是矛盾的主体，河床是矛盾的辅体，泥沙则是媒体，同时泥沙也是矛盾调解结果的具体表现，最终反应在河床的抬高和降低上,水利科学导论,5.3 河床演变学的基础理论与方法,河道演变过程：绝对不变的河道是不存在的，相对不变的河道才是常存的。由于河道水流的作用，饱和挟沙水流将向河床沉淀泥沙，使河床淤积抬高变形；非饱和挟沙水流将从河床淘刷泥沙，使河床降低变形。,河道演变的“自动调整作用”：不管是冲刷还是淤积，水流对河床的作用总是从淤积到少淤积、从冲刷到少冲刷的过程发展，并逐步趋向河道平衡过程。,水利科学导论,5.3 河床演变学的基础理论

15、与方法,河道纵向变形：河道沿水流方向的纵向变化，使河道的纵向坡度发生变化。水库泥沙淤积，使河道纵坡变缓；,河道横向变形：河道横向变形使河道在平面上发生变化，微直的河道变得弯曲，弯曲的河道变得更加弯曲。绝对直的河道是不存在的。,河道演变是一种机械运动，河道不变形处于平衡状态是相对的，河道变形处于不平衡状态才使绝对的,水利科学导论,5.3 河流物理模型理论与方法,它们外观真的很象吗？,几何相似,原型,模型,水利科学导论,5.3 河流物理模型理论与方法,它们的重力成比率吗？,动力相似,原型,模型,水利科学导论,5.3 河流物理模型理论与方法,它们动得真象吗？,运动相似,原型,模型,水利科学导论,5.

16、3 河流物理模型理论与方法,它们的形变真象吗？,变形相似,变形一,变形二,原型,模型,模型,水利科学导论,5.3 河流物理模型理论与方法,变形相似,原型,模型,运动相似,重力相似,几何相似,水利科学导论,5.3 河流物理模型理论与方法 相似原理,两个机械力学范畴的物质系统相似，必须： 几何相似、运动过程的属性相同、同类性质的量具有同一比值,变形相似,运动相似,重力相似,几何相似,相似指示数等于常数为相似准则,水利科学导论,5.3 河流物理模型理论与方法 相似原理,两个机械力学范畴的物质系统相似，必须受到相似指示数控制,相似指示数等于常数为相似准则,水利科学导论,5.4 河流数学模型理论与方法,

17、物理模型以物体按一定比例来定义机械运动的物质系统,数学模型以等值物理方程数字化来定义机械运动的物质系统,自然电站大坝,通过相似律,通过物理控制方程和地理信息数字化和可视化手段,物理实体模型,数学数字模型,5.4 河流数学模型理论与方法,水利科学导论,主要特点-多学科交叉 隶属学科-河流动力学,河流动力学 河流数值模拟,5.4 河流数学模型理论与方法,水利科学导论,河流数学模型,物理系统,数学系统,理论基础,计算依据,物理系统和数学系统 理论体系-,5.4 河流数学模型理论与方法,水利科学导论,可溶性物质输移与三维动态过程,六、学科专业理论、人才培养与工程的贡献,水利科学导论,学科专业创建与完善

18、,学科专业理论突出贡献,学科专业工程建设的突出贡献,学科专业全国高层管理技术人员的培养,学科专业研究领域拓展的贡献,六、学科专业理论与工程的贡献,水利科学导论,学科专业创建与完善,1954-至今全国唯一的学科专业,两相流 动力学,水力学,水力学及 动力学,河床演 变学,河流物理 模拟,河流数学 模拟,泥沙工程 学,防洪工 程学,六、学科专业理论与工程的贡献,水利科学导论,学科专业理论突出贡献,系统的泥沙输移理论和河床演变理论,悬移质运动的制紊假说,六、学科专业理论与工程的贡献,水利科学导论,学科专业工程建设的突出贡献,长江、黄河、珠江、淮河及水利水电工程建设,静水过船 动水冲沙,三峡工程,葛州坝工程,六、学科专业理论与工程的贡献,水利科学导论,学科专业全国高层管理技术人员的培养,1954-至今全国唯一的学科专业,清华大学,河海大学,四川大学,天津大学,长江水