水文學(xué)原理課件1-第十一章

第十三章河道水流與坡地水流

第一節(jié)河道洪水波一洪水波的形成定義:（1）某時刻河道處于穩(wěn)定流狀態(tài),突然有一定水量注入河道,原來的水面因受到干擾而形成波動,這就是洪水波。（2）由于突然注入一定水量而在河道里增加的流量稱為波流量。DACB（3）初始穩(wěn)定流水面上的附加水體稱為洪水波體。（4）波體輪廓上任一點相對于穩(wěn)定流水面的高度稱為洪水波高。（5）波體與穩(wěn)定流水面交界的水流方向長度稱為洪水波長（AC）。DACB二洪水波的運動定義:（1）洪水波輪廓線上的每一點都占據(jù)一定的相對位置，這就是洪水波位相的概念。（2）洪水波體上某一位相點沿河道的運動速度稱為該位相點的波速。

Ck=dx/dt(3)流量Q和水位H均為河長x和時間t的函數(shù)。Q=Q(x,t);H=H(x,t)洪水波運動的兩個現(xiàn)象：一洪水波的推移流量的傳播時間二洪水波的坦化變形洪水波的推移和洪水波的坦化變形是密切相關(guān)的。對Q=Q（x,t)求t的導(dǎo)數(shù)，得第二節(jié)圣維南方程組

一引言

天然河流或人工渠道中出現(xiàn)的洪水波一般屬于波長比水深大的多的淺水波，它有兩個特征：（1）流線的曲率很小，基本上相互平行（2）動力壓力的分布大致與靜水壓力分布相同。二連續(xù)性方程Q/x+A/t=0

上式是根據(jù)質(zhì)量守恒定率原理推導(dǎo)出的，稱連續(xù)性方程。它表明不考慮河道旁側(cè)入流的情況下，河道洪水波運動過程中的過水斷面面積隨時間的變化與流量沿河長的變化是相互抵償?shù)?。三動力方程A：作用于水流元素的各項作用力：（1）壓力：-A△

x

y/xy:水深：水的容量（2）重力分量：Wx=(Asin)△x(3)

阻力：=

v2/C2C:謝才系數(shù)v：斷面平均流速B：水流的動量變化（1）局地動量變化水流元素的局地動量M1=AV△x

瞬時變化（2）遷移動量變化進入水流元素的動量M2=QV=AV2

遷移動量變化C：動力方程△

M=△M1+△M2將上述兩式代入，并運用連續(xù)性方程得：△

M=△

x(AV/t+AVV/x)根據(jù)牛頓第二定律，水流元素在運動方向上總動量變化應(yīng)等于沿流向作用力的合力，得：

VV/x+V/t+gy/x=g(i0-if)i0:底坡if：摩擦比降第三節(jié)洪水波的分類

通長按動力方程中各項作用力的對比關(guān)系，可把洪水波分為：運動波，擴散波，慣性波，動力波。運動波：考慮摩擦比降i0

，河底比降if

擴散波：考慮摩擦比降i0

，河底比降if

，附加比降y/x

慣性波：考慮附加比降y/x，慣性比降V/gt+VV/gt

動力波：考慮摩擦比降i0

，河底比降if

，附加比降y/x，慣性比降V/gt+VV/gt一運動波特征方程：dQ/dt=0運動波的波速Ck=dQ/dA=V+Adv/dACk=V:波速系數(shù)例：長江漢口波速計算二擴散波擴散波方程式中Qp:洪峰處流量Qp+1:洪峰前一個t時刻的流量。Qp-1:洪峰后一個t時刻的流量。例：湖南拓溪水電站下游江南至夫溪河段長20.1km。已知河段的p=8376m3/s,Cp=2.79m/s。試求1967年5月13-14日江南洪水過程線所相應(yīng)的夫溪洪峰衰減值。（取t=1h，在洪水過程線上查得Qp=5070m3/s,Qp-1=4790m3/s,Qp+1=4540m3/s）解：△Qp-（837620100）（4540-25070）/（2.79）336002=483m3/s第四節(jié)槽蓄原理一河段水量平衡方程式.I(t)-O(t)=dW(t)/dtI(t):河道中斷面入流過程O(t):河道中斷面出流過程W(t):河段中的蓄水過程tQ0I(t)O(t)dtdw(t)二河槽調(diào)節(jié)作用河段的容積,即槽蓄起著調(diào)節(jié)洪水的作用。這種現(xiàn)象稱為河槽調(diào)節(jié)作用。河槽調(diào)節(jié)作用與洪水波的附加比降有關(guān)，附加比降大，河槽調(diào)節(jié)作用也就大。DACBa1a2三槽蓄方程

1定義：河段的槽蓄量是流量沿程分布和斷面水位--流量關(guān)系的函數(shù)，把此函數(shù)關(guān)系稱為槽蓄方程。2在穩(wěn)定流的情況下,槽蓄方程為W=f(Q0)Q0:河道中的穩(wěn)定流量WQ03當河段中斷面水位保持不變時，河道中的槽蓄量是不會改變的，河段中斷面水位與河段槽蓄量必呈單一關(guān)系。WH中上斷面下斷面中斷面

下斷面漲洪時的流量小于落洪時的流量，中斷面水位與下斷面流量為逆時針繩套關(guān)系。4

河段中斷面水位保持不變時，中斷面水量斷面流量可能存在下列三種關(guān)系。WO下斷面漲洪時的流量等于落洪時的流量，中斷面水位與下斷面流量為單值關(guān)系。下斷面漲洪時的流量大于落洪時的流量，中斷面水位與下斷面流量為順時針繩套關(guān)系。WOWO四特征河長l

定義:能找到這樣一個河長,在其下斷面處,由于水位變化引起的流量變化正好與由于水面比降變化引起的流量變化相互抵償,以致河段的槽蓄量與其下斷面流量呈單值關(guān)系,則稱其為特征河長。上斷面下斷面中斷面WO四特征河長lL>l河段槽蓄量與下斷面流量呈逆時針繩套關(guān)系。L=l河段槽蓄量與下斷面流量呈單值關(guān)系。L<l河段槽蓄量與下斷面流量呈順時針繩套關(guān)系。上斷面下斷面中斷面WO四特征河長l特征河長的計算公式上斷面下斷面中斷面WOQ0:河段中的穩(wěn)定流量i0:河槽比降五槽蓄方程的性質(zhì)槽蓄方程的性質(zhì):槽蓄量對流量的一階倒數(shù)即為河段傳播時間第五節(jié)線性擴散波方程的解一入流過程的處理

(1)單位入流定義:始終保持單位強度的入流稱單位入流.0tH(t)10tH(t-a)1a單位入流的函數(shù)表示0tH(t)10tH(t-a)1aH(t)=0t<0

1t0H(t-a)=0t<a

1ta(2)單位矩形入流定義:在有限時段內(nèi)保持單位強度的入流稱單位矩形入流。I0a(t)=0t<0

0t>a

10taIab(t)=0t<a

0t>b1atb0tI0a(t)1aa0t

Iab(t)1b(2)單位瞬時脈沖入流定義:強度極大，歷時極短，但總量為1個單位的入流稱單位瞬時脈沖入流。

0t(t)(t)0t

(t)(t-a)a(t)=0t=0（4）單位瞬時脈沖入流與單位入流之間的關(guān)系

先構(gòu)成一個新的函數(shù)a△

t0tt(t)1/△

t

單位瞬時脈沖入流就是單位入流對時間t的一階導(dǎo)數(shù)二基本解（1）S-曲線：單位入流所形成的出流過程稱S-曲線。

S-曲線的性質(zhì)：當t=0時，S（x,t）=0，當t∞

時，S（x,t)1（2）時段單位線：單位矩形入流所形成的出流過程為時段過程線。

按河段水量平衡原理，時段單位線應(yīng)滿足下列條件（3）瞬時單位線：單位瞬時脈沖入流所形成的出流過程為瞬時單位線。三出流過程的計算計算處流過程的基本步驟：（1）確定計算時段△

t（2）按△t在上斷面入流過程線上從起漲時刻開始摘取0,△

t,2△

t,3△

t,…..等時刻的入流量I0,I1,I2,I3,…..（3）計算時段平均入流量（4）按確定的河段的時段單位線或S-曲線，計算出流過程。四參數(shù)確定

Ck=5/3V=Q0/2i0B

當研究河段上下游均有實測水位和流量資料時，有=0.5CklCk

=L/pp：洪峰在河段中的傳播時間。1）某水庫下游江南至夫溪站河段長21公里