河流動力學(xué)-6章-hxgmzhang

主講教師：張紅霞Email:河流動力學(xué)概論Introductiontorivermechanics教材：邵學(xué)軍王興奎.

《河流動力學(xué)概論》第1版.

清華大學(xué)出版社6.1沖擊河流演變的影響因素與時間尺度6.2沖擊河道演變中的均衡狀態(tài)6.3造床流量6.4黃河上游人為活動對有效輸沙流量的影響6.5河相關(guān)系6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法-1-河道演變的基本原理第6章-2-6.3造床流量1、造床流量定義（chanlle-formingdischarge,dominantdischarge）對某一時段內(nèi)平均意義上的均衡河道形態(tài)來說，真正起控制、主導(dǎo)作用的某個中等流量。從理論上說，天然的流量變化過程所形成的均衡河道形態(tài)，可以通過在河道中恒定釋放這一中等流量和相應(yīng)含沙量而塑造出來。(Inglis，1949年)-3-6.3造床流量1、造床流量定義（chanlle-formingdischarge,dominantdischarge）解釋：不是洪峰流量，雖然其造床作用很大，但出現(xiàn)幾率低；不是枯水流量，雖然其出現(xiàn)幾率大，但造床能力太小。

-4-（1）用平灘流量代替造床流量（2）用某一頻率或重現(xiàn)期的流量作為造床流量（3）根據(jù)輸沙率與流量頻率相乘得到的地貌功曲線確定有效輸沙流量，并等同于造床流量。2、計算造床流量的方法6.3造床流量-5-3、注意：上述造床流量概念不適合與研究半干旱地區(qū)的一些季節(jié)性和間歇性河流，或人為調(diào)節(jié)作用強烈的河流。6.3造床流量-6-6.3.1平灘流量法

1、基本原理：以與河漫灘平灘水位（或簡稱平灘水位，bankfullstage）相當(dāng)?shù)牧髁孔鳛樵齑擦髁俊?、解釋為何用平灘流量代替造床流量：河道形態(tài)的演變并不是對所有的流量級都作出同樣的反應(yīng)，只有當(dāng)流量達到某一特征值時才會有明顯的形態(tài)變化，而平灘流量正是標(biāo)志了來水來沙的動力作用從塑造主槽到塑造灘地的一個轉(zhuǎn)折點。-7-3、平灘水位（bankfullstage）概念：指在灘槽分明的河道里，主槽充滿之后，與新生河漫灘表面齊平的水位。6.3.1平灘流量法-8-漫灘前，水流在主槽中集中流動，流速大，挾沙力強。漫灘后，過水面積和濕周增加，而灘面上水深小，阻

力大，流速顯著降低，導(dǎo)致大量泥沙落淤在

灘地上。

靠近主槽的部位淤積較厚，淤積顆粒較粗，形成沿主槽的自然堤。圖6-9漫灘洪水的造床作用與自然堤的形成6.3.1平灘流量法-9-（1）根據(jù)水位-寬深比(B/h)曲線，由曲線最低點判斷平灘水位，再由水位-流量曲線求平灘流量。解釋：圖6-10（a）

漫灘前，B河寬基本不變，h水深逐漸增大。隨著水深的增大，B/h逐漸減小。

漫灘后，B河寬迅速增大，h水深增大緩慢。隨著水深的增大，B/h開始增大。

即：水位-寬深比(B/h)曲線最低點對應(yīng)的水位即為平灘水位。4、平灘流量計算方法6.3.1平灘流量法-10-（2）由水位流量關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)折處得平灘流量，圖6-10（b）。解釋：

由于漫灘后河寬大幅增加，同樣的流量增幅在主槽內(nèi)引起的水位上漲幅度要小于灘地被淹沒后水位上漲幅度，因而水位流量關(guān)系曲線分成斜率不同的兩段。缺點：實測資料顯示曲線斜率變化為光滑過渡。6.3.1平灘流量法4、平灘流量計算方法-11-（1）平灘流量方法概念簡單，但沒有一個普遍適用的方法來確定其準(zhǔn)確值。平灘流量概念不適合于沒有明顯主槽或主槽變動頻繁的河流（即未達到均衡狀態(tài)的河流，如干旱、半干旱地區(qū)的間歇性河流）。（2）由于河漫灘的高程不易準(zhǔn)確確定，在運用這個方法時，宜采用較長的河段作為依據(jù)，此河段應(yīng)包括若干實測的橫斷面及水位流量資料。5、平灘流量方法探討6.3.1平灘流量法-12-6.3.2采用某一頻率或重現(xiàn)期的流量作為造床流量2、重現(xiàn)期的計算方法：（1）采用年最大洪峰系列統(tǒng)計Pmax（2）各流量級歷時法：采用日均流量資料、區(qū)分不同流量級后計算各自的歷時得到流量頻率Pdur

1、基本原理：采用某一頻率或重現(xiàn)期的流量作為平灘流量或直接作為造床流量。-13-3、Leopold和Maddock采用年平均流量代表造床流量4、WolmanLeopold用重現(xiàn)期為1～2年的流量作為造床流量。5、Hey提出卵石河床的河流，采用年最大洪峰系列統(tǒng)計得到的重現(xiàn)期為1.5年的流量作為造床流量。6.3.2采用某一頻率或重現(xiàn)期的流量作為造床流量-14-6、（補充）重現(xiàn)期：不小于或不大于一定量級的水文要素出現(xiàn)一次的平均間隔年數(shù)，以該量級水文要素出現(xiàn)頻率的倒數(shù)表示。6.3.2采用某一頻率或重現(xiàn)期的流量作為造床流量-15-6.3.3有效輸沙流量法（Wolman和Miller）基本步驟：1、將通過該斷面的流量分級Qi（日均流量）；2、確定各個分級流量Qi相應(yīng)的輸沙率Qsi、含沙量Si和出現(xiàn)的歷時Ti；3、統(tǒng)計長系列日均水沙資料，得到不同的流量級在統(tǒng)計時段內(nèi)個字輸運的泥沙總量。（6-3）-16-基本步驟：4、輸運泥沙最多的流量級就稱為輸沙流量（effectivedischarge）。6.3.3有效輸沙流量法（Wolman和Miller）-17-優(yōu)點：通過統(tǒng)計計算求得造床流量，有一定根據(jù)。缺點：對流量分級間隔比較敏感。6.3.3有效輸沙流量法（Wolman和Miller）-18-6.3造床流量注意：

采用平灘流量法，或采用某一頻率或重現(xiàn)期的流量法，或采用有效輸沙流量法，來計算造床流量時，要注意河流本身是否處于均衡狀態(tài)，否則計算所得到的流量值并不能真實反映塑造均衡河流的造床流量。-19-6.4黃河上游人為活動對有效輸沙流量的影響-20-6.5河相關(guān)系沖擊河流的河床在水流與河床的長期作用下，常取得與所在水文、泥沙條件相適應(yīng)的最合適的外形，表征這些外形的因素（如河寬、水深、曲率半徑等）與水力、泥沙因素（如流量、比降、泥沙粒徑等）之間常存在某種函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系稱為河相關(guān)系，或稱均衡關(guān)系。1、河相關(guān)系定義：-21-輸水渠道，在穩(wěn)定不變的流量Q和含沙量S下，若渠道的寬度B、水深h和比降J符合一定的關(guān)系，就能夠使得渠道在該種來水來沙條件下保持沖淤平衡狀態(tài)，稱為均衡渠道（regimechannels）。1、均衡渠道（E.S.Lindley,1919年）：6.5.1人工渠道的均衡理論-22-以給定流量Q為自變量：式中，D為泥沙粒徑（mm），對于大型渠道，可以用水面寬度B和水深h分別代替P和R。2、均衡理論（均衡渠道系列經(jīng)驗公式）6.5.1人工渠道的均衡理論（6-4）～（6-7）-23-缺點：推導(dǎo)上述公式床沙的粒徑范圍較窄，上式不適用于粒徑范圍變化較大的情況。6.5.1人工渠道的均衡理論-24-6.5.2沖擊河流的水力幾何關(guān)系1、以代表造床流量的特征流量Q為自變量：在不同流域或同一河流不同沿程斷面上實測的水動力要素和河道斷面形態(tài)資料，點匯在同一關(guān)系中，歸結(jié)為普遍適用的河相關(guān)系，Leopold和Maddock將這種關(guān)系稱為水力幾何關(guān)系。-25-達到均衡形態(tài)的天然河道斷面上存在的關(guān)系式為：（6-8）～（6-14）2、Leopold和Maddock用河流的年平均流量Q作為自變量：6.5.2沖擊河流的水力幾何關(guān)系-26-得到：2、就輸沙平衡情況而言，由水流連續(xù)性方程：6.5.2沖擊河流的水力幾何關(guān)系-27-6.5.3沿程河相關(guān)系1、相應(yīng)于某一特征流量（年平均流量、平灘流量），在同一河段的不同斷面，同一河流的不同河段，甚至不同河流，量測B、h、U等資料，將其與特征流量點匯關(guān)系，它只決定斷面的宏觀形態(tài)，而不涉及細節(jié)，稱之為沿程河相關(guān)系（downstreamhydraulicgeometry）。-28-2、表6-9沿程河相關(guān)系中的指數(shù)（1）b=0.5（2）f在0.30和0.40之間波動（3）m在0.10和0.20之間波動（4）且b+f+m=1（5）比降J中的指數(shù)z波動范圍極大。一般J與Q成反比，與含沙量S及泥沙粒徑D成正比。由于支流匯入，Q沿程增大，而含沙量S由于洪水漫灘落淤或洼地落淤沿程降低，泥沙粒徑D沿程細化，幾個綜合因素使得J沿程變小的趨勢。6.5.3沿程河相關(guān)系-29-6.5.4斷面河相關(guān)系1、同一斷面相應(yīng)于不同流量Q的河相關(guān)系，它能確定斷面形態(tài)隨流量變化的細節(jié)，稱為斷面河相關(guān)系。2、注意：此處不同流量Q不是特征流量，而是不同值的流量。3、在河流的特定斷面上，斷面河相關(guān)系更多的是一種幾何關(guān)系，它給出的水面寬度隨流量的變化并不反映河道演變的動力過程。-30-圖6-20黃河花園口站斷面河相關(guān)系6.5.4斷面河相關(guān)系-31-6.5.5沿程與斷面河相關(guān)系的內(nèi)在聯(lián)系圖6-21同一條河流上的斷面河沿程河相關(guān)系同一條河流上沿程河相關(guān)系與斷面河相關(guān)系之間可以相互轉(zhuǎn)換。不同斷面、相同頻率流量Q對應(yīng)的點，可以得到沿程河相關(guān)系。-32-6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法輸沙平衡情況下方程組：三個方程，四個未知數(shù)，需補充一個方程進行封閉求解。目的：求解B、h、J、U四個變量-33-這樣，問題就歸結(jié)為尋找一個能使方程組封閉的補充方程式。補充這個方程式的途徑有以下幾類。6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法-34-表6-1基于河寬公式的河相關(guān)系式

（1）前蘇聯(lián)根據(jù)蘇聯(lián)一些河流，主要是平原資料整理出來的寬深關(guān)系式：1、河寬經(jīng)驗公式6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法上式，B河段平均河寬，h河段平均水深，是相應(yīng)于河漫灘齊平的流量而言的，單位m。ξ稱為河相系數(shù)，卵礫河床ξ=1.4，一般沙質(zhì)河床ξ2.5，極易

沖刷的細沙河床ξ=5.5，-35-上式說明，對于不同尺度的河流，河寬的增加遠較水深的增加為快。6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法1、河寬經(jīng)驗公式（1）-36-（2）上式由阿爾圖寧整理亞細亞河流資料，認(rèn)為B的指數(shù)應(yīng)為變數(shù)。η的平均值為10。指數(shù)j變化于0.5～1.0之間，隨河流性質(zhì)而異，山區(qū)河流m值較大，約為0.8～1.0，平原河流m值較小，約為0.5～0.8。6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法1、河寬經(jīng)驗公式-37-基本理論：認(rèn)為河道橫斷面濕周上個點的泥沙均處于臨界起動狀態(tài)，即邊界剪切應(yīng)力處處等于各處邊界組成物質(zhì)的臨界起動剪切應(yīng)力，從而推導(dǎo)關(guān)于B、h、J、U的河相關(guān)系式。2、臨界起動假說6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法-38-

基本理論：由竇國仁提出，這一假說認(rèn)為在給定來水、來沙條件及河床邊界條件下，河床在沖淤變化過程中力求建立活動性最小的斷面形態(tài)。并用下式表達河床活動性指標(biāo)：3、最小活動假說6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法-39-（1）Q2%為頻率為2%的多年平均洪水流量，Qm為多年平均流量。（2）為水流對河床的相對作用力，其中U為斷面平均流速，U0b為床面泥沙的止動流量，其值約為起動流速的0.82倍。為河岸穩(wěn)定系數(shù)αw與河底穩(wěn)定系數(shù)αb的比值，這兩個系數(shù)與土壤性質(zhì)有關(guān)。6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法3、最小活動假說（6-19）-40-6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法3、最小活動假說（6-19）-41-6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法3、最小活動假說（6-19）（3）斷面寬深比B/h，其值愈大，河床可動性也愈大。取Kn對U或B或h的任一偏導(dǎo)數(shù)等于零，所得結(jié)果相同。（6-20）-42-采用懸移質(zhì)挾沙力公式：式中，Uos為懸移質(zhì)泥沙的止動流速，K為參數(shù)。6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法3、最小活動假說（6-21）-43-得到（6-22）～（6-25）關(guān)于河寬、水深和比降的關(guān)系式。6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法3、最小活動假說-44-基本原理：從能量轉(zhuǎn)換原理出發(fā)，這類理論認(rèn)為，沖擊河流根據(jù)來水來沙條件自動調(diào)整的結(jié)果，是使河流沿程的能耗率保持最?。ㄈ鐝埿⊙嗟膯挝缓娱L能耗最小假說），或者認(rèn)為當(dāng)流量變化引起水深h、河寬B、比降J改變時，三者各自的調(diào)整之和應(yīng)維持最?。ㄗ钚》讲罴僬f）。4、能量極值假說和最小方差假說6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法-45-比如：對河流的河床而言，當(dāng)采取人為措施，例如修建丁壩，使水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，阻力驟增時，水流將通過沖刷和淤積，使這種變化趨向緩和，以減少阻力損失。這就是能耗最小原則的一種表現(xiàn)形式。6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法4、能量極值假