第1章河道水流的特性.ppt

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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动力学概论一、河流的基本概念一、河流的基本概念 从水文学的定义来说从水文学的定义来说，在陆地表面上接纳、汇在陆地表面上接纳、汇集和输送水流的路径和通道称为河槽，河槽与集和输送水流的路径和通道称为河槽，河槽与其中流动的水流，统称为河流其中流动的水流，统称为河流。从河流动力学的角度来说从河流动力学的角度来说，河流是由水、泥沙河流是由水、泥沙及河床边界共同组成的系统，三者相互制约、及河床边界共同组成的系统，三者相互制约、并受外部各种因素和人类活动的影响。并受外部各种因素和人类活动的影响。第一节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

2、域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程，称为个物理过程，称为径流形成过程。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-坡面漫流坡面漫流-河河槽集流槽集流-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

3、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 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 河源河源：溪涧、泉水、冰川、沼泽或湖泊 上游上游：落差大、水流急、河谷狭窄、急滩和瀑布 中游中游：比降变缓，河槽拓宽曲折，两岸有滩地 下游下游：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 河口河口

4、：是河流流入海洋、湖泊或其他河流的处所，泥沙淤积严重。3、河段分类：、河段分类：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，构成脉络相通的系统，称为水系水系（河系、河网河系、河网）。水系是由干流干流和他的全部支支流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线，构成脉络相通的系统，称为水系水系（河系、河网河系、河网）。Horton

5、-Strahler河流分级法：河流分级法：直接发源于河源的小河流为直接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）水系的平面形状）水系的平面形状 水系形状是指河流的干、支流组成的形态特征，水系形状是指河流的干、支流组成的形态特征，主要有树枝状、羽毛状、扇形状、梳状（平行状主要有树枝状、羽毛状、扇形状、梳状（平行状）、向心状（放射状）等。）、向心状（放射状）等。扇形羽毛状

6、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（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iNiBR（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。11iiLLL R（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

7、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。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归关系线回归关系2.2.流域及其分类流域及其分类 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。地地面分水线包围区域为地面集水区，地面分水线包围区域为地面集水区，地下分水线包围区域为地下集水区。下分水线包围区域为地下集水区。闭合流域：闭合流域：在垂直方向地面、地下分在垂直方向地面、地下分水线重合，地面集水区上降水形成的水线重合，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

8、此类。的大中流域均属此类。非闭合流域：非闭合流域：地面、地下分水线不重地面、地下分水线不重合的流域，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 流域面积流域面积F F：在地形图上绘出流域的分水线，分水线包围在地形图上绘出流域的分水线，分水线包围的面积，即流域面积，以的面积，即流域面积，以kmkm计。计。(也用也用 A 表示表示)河网密度河网密度D D：流域内河流干支流总长度与流域面积的比值流域内河流干支流总长度与流域面积的比值称为河网密度，以称为河网密度，以km/kmkm/km2 2计。计。流域长度流域长度 L Lf f：从流域出口到

9、流域最远点的流域中线长度，从流域出口到流域最远点的流域中线长度，kmkm计计平均宽度平均宽度 B:B:B=F/Lf流域形状系数流域形状系数:K=B/LfL=1.27F0.6 表示流域整体外形特征的还有：形态要素：形态要素：流域圆度：流域圆度：流域狭长度：流域狭长度：流域对称指标：流域对称指标：流域几何特征流域几何特征 2/fufLAR cucAAR/fceLDR/21/uusAAR 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沿河流中线（也有取沿程各横断面上的河床最低

10、点，即中泓线）的剖面，上的河床最低点，即中泓线）的剖面，测出中线以上（或河床最低点）地形变化转折的高程，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.河流的纵比降河流的纵比降 任意河段两端（水面或河底）的高差为落任意河段两端（水面或河底）的高差为落差，单位河长上的落差为河段比降，用以差，单位河长上的落差为河段比降，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：011122102()()()2nnnhh lhh lhh lh LJLnmmLmnJhl河

11、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 河槽中某处垂直于流向的断面称为在该处河河槽中某处垂直于流向的断面称为在该处河流的横断面。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：连接河源，位于河流上上游：连接河源，位于河流上段，较大河流的上游往往高山段，较大河流的上游往往高山夹峙，沿河有许多峡谷，河床

12、夹峙，沿河有许多峡谷，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，洪水涨落急剧，带有跌水等险滩。涨落急剧，带有跌水等险滩。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，河床坡度特点：河面较宽，河床坡度较平缓，水流较平静。较平缓，水流较平静。下游：河流最下一段，大河下游：河流最下一段，大河流下游位于冲击平原地区。流下游位于冲击平原地区。特点：河床较宽，复式断面特点：河床较宽，复式断面（图），河槽纵向坡度平缓，（图），河槽纵向坡度平缓，流速较小。流速较小。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，

13、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。河流的弯曲系数表示河流平面形状的弯曲河流的弯曲系数表示河流平面形状的弯曲程度程度，可用河流实际长度与河流两端间的可用河流实际长度与河流两端间的直线长度之比来衡量直线长度之比来衡量。lL3、弯曲系数L1L2主要包括四个方面：主要包括四个方面：（1）水位：）水位：决定于河流补给类型，以雨水补给的河流，水位变化决定于河流补给类型，以雨水补给的河流，水位变化由降水特点决定；冰川融水补给的河流，水位变化由由降水特点决定；冰川融水补给的河流，水位变化由气温特点决定气温特点决定（2）流量：）流量：以雨水补给为主的河流，看降水量的多少；流域面积

14、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）泥沙：）泥沙：决定于流域内地面植被状况决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；动态特性包括：沉降特性，运动特性和

15、冲淤特性（4）结冰期有无或长短结冰期有无或长短（最冷月月均温），水能蕴藏（最冷月月均温），水能蕴藏量（由流域内的地形、气候特征决定）。量（由流域内的地形、气候特征决定）。三、河流水文特征三、河流水文特征1-2 河道水流的运动结构河道水流的运动结构一、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质、地貌与水文条件的作用下而构成它的特性的，人为因素也可能给予程度不同的影响。这种基本特性可以概括为以下几点。（1）河道水流的河道水流的二相特性二相特性 天然河流属于挟带泥沙的两相明渠流（2）河道水流的河道水流的三维性三维性 过水断面不规则，宽深比越小，三维性越强（3）河道水流的河道水流的

16、不恒定性不恒定性 一是来水来沙随时空变化，二是河床演变，河道边界随时空变化，两者相互依存，制约和相互促使变化发展。（4）河道水流的河道水流的不均匀性不均匀性 河道水流的非恒定性致使不均匀性，顺直河道，河床冲淤相对平衡，水流基本稳定，过水断面沿程变化较小时可当作均匀流处理。1-2 河道水流的运动结构河道水流的运动结构二、二、河道水流的河道水流的紊动特征紊动特征 在水力学中将流体运动状态区别为紊流和在水力学中将流体运动状态区别为紊流和层流两大类型。在紊流中又分为光滑区、层流两大类型。在紊流中又分为光滑区、粗糙区（或阻力平方区粗糙区（或阻力平方区)，以及介学三者之，以及介学三者之间的两个过渡区。间的两个过渡区。河道水流普遍具有较大的雷诺数，河道水流普遍具有较大的雷诺数，从工程从工程观点来看，河道水流一般居于观点来看，河道水流一般居于紊流紊流阻力平阻力平方区。方区。流体质点的运动极不规则，流场中各种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。流动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