扬大水文学原理Ch11-12..ppt

'第十一章河流泥沙水文学原理 随水流运动以及构成河床的固体颗粒称为河流泥沙，又称固体径流。它不仅包括在水流中运动或相对静止的粗细泥沙，还包括河道中的砾石与卵石。泥沙运动和沉积是河流中重要的水文现象，因为泥沙对河流水文情势、河流发育以及河床演变影响极大。黄河洪水的泛滥与其水流中挟带大量泥沙有极为密切的关系，所以在了解洪水的同时，必须了解泥沙。鉴于我国大多数河流挟带泥沙，兴建水利工程和进行流域治理时，不仅需要研究河流水文情势，也要考虑与之相伴的泥沙运动情况。本章简要介绍与水文情势有关的产沙输沙问题。（1）泥沙来源（2）特征量及运动（3）产沙计算（4）输沙计算 第一节河流泥沙的来源流域内的土壤、岩石在热力、风力、水力的长期作用下，不断被风化剥蚀、侵蚀而形成了河流中的泥沙。河流泥沙主要来源于四种途径：一、坡面侵蚀流域表层的土壤或岩石碎屑在风吹日晒、水冲以及地球重力作用下，从原来所处状态剥离、冲刷、搬运而随径流注入河道的水土流失过程，称为坡面侵蚀。二、河槽冲刷河道水流冲刷河底或两岸的土壤或岩石，均称为河槽冲刷。河槽冲刷增大了河水的含沙量。三、风沙沉积强风吹过沙源区，会卷起地表的泥沙颗粒，其中，稍大沙粒因重力作用移动距离小而降落在附近的河中，稍小沙粒则会被风挟带到远处再降落到河中。 四、泥石流山区暴雨有时会形成挟带大量沙石等杂质的洪流，称为泥石流。泥石流会使河道中的泥沙量聚增。地表径流对流域表面的冲刷以及流域内岩石土壤的风化作用对河流挟带泥沙有决定性影响。因此河流泥沙含量受气候、下垫面、河道形态以及人类活动四方面的影响。第二节河流泥沙的特征与运动一、泥沙特征的表述方式河流泥沙的特征，一般可以用密度、干容重、粒径、级配和水力粗度等方式来描述。1、河流泥沙的密度——取自河流沙样中的各种颗粒的实际重量之和与各个颗粒实际占有体积的比值，即2、河流泥沙的干容重——沙样烘干后的重量与原沙样体积的比值。 式中：为孔隙比，即沉积泥沙中孔隙体积与沙粒体积的比值。3、河流泥沙的粒径——由于中等以上泥沙颗粒近似于球体，所以采用容积与泥沙颗粒容积相等的球体直径来表征泥沙粒径。如果沙粒容积为V，其等容粒径D为：实际分析中常用泥沙颗粒的长轴a，中轴b和短轴c的均值计算D，即：一般而言，河流上游因比降大、水流湍急而挟带的泥沙颗粒较大，下游比降小、水流较缓而挟带的泥沙颗粒较小。4、河流泥沙的颗粒级配——常用泥沙颗粒级配曲线来表征河流泥沙颗粒组成特征。它以泥沙颗粒的直径为横坐标，以小于这一直径的泥沙在全部沙样中所占得重量百分比为纵坐标。5、河流泥沙的水力粗度——是用泥沙的沉降速度来表示泥沙粒径的大小，又称为泥沙的水力粗度。以cm/s计。 二、泥沙运动特征分析对泥沙运动进行理论分析时，通常假定运动沙粒为球体，处于成排沙粒之上。水流经过沙粒时，沙粒迎水面压力大于背水面压力而产生推移力；沙粒在水中受到重力与浮力作用，两者的合力为有效重力，为由于河流底部存在的流速梯度而产生的上举力。为沙粒上表面受到得摩擦阻力。合力在这四种力的共同作用下，河床表面的泥沙颗粒呈两种运动状态：当方向力矩大于W对A点的逆时针方向力矩时，沙粒将向前滚动。根据泥沙运动与水流速度之间的关系，河流中泥沙可分为：悬移质、跃移质、推移质。 三、悬移质泥沙的运动规律悬移质泥沙常简称为悬沙，我国各大河流泥沙中悬沙占主要部分。水流紊动使泥沙颗粒悬浮，重力使之下沉，两种力的作用制约了悬沙的运动。1、悬沙的描述方式——悬沙计量常用含沙率、输沙率和输沙量来描述。2、水流挟沙能力——当水流挟带一定量的悬沙通过某河段时，河道既不冲刷也不淤积，则此时水流的挟沙量即为挟沙能力。水流的挟沙能力与悬沙粒径、平均沉降速度、断面平均流速和水力半径等因素有关。目前已建立了许多经验公式，如黄河水利委员会水科学研究所依据黄河干支流实测数据提出了以下的经验公式： 3、悬沙的时空变化——悬移质泥沙随时间的变化及其空间分布。悬沙随时间的变化以年为周期，最小含沙量通常出现在冬季，最大含沙量与输沙率发生于洪水期。悬沙沿水深方向的分布因重力和水流紊动作用而不均匀，一般河底大，水面小，自下而上递减。洪、枯水期有所不同，洪水期泥沙多来自坡面土壤侵蚀，颗粒较细，垂向分布均匀；枯水期泥沙则主要来自河槽冲刷，分布则不均匀。悬沙沿横断面的分布，一般主流以及局部冲刷位置含沙量较大，两岸较小，水面较小；并且与季节、水位涨落及泥沙来源等因素有关。四、推移质泥沙的运动规律常用断面输沙率表示，指单位时间内通过河流某断面的推移质重量。河流泥沙的起动流速——使推移质泥沙颗粒由不动到开始滚动的临界流速。在特定水力条件下，低于这一流速时，河床不会冲刷，有时也称为允许流速。起动流速是进行河道整治、渠道设计等的基本要素。起动流速通常用经验公式估算。 ——沙玉清公式，可适用于粗沙河细沙——沙莫夫公式，仅适用于粗沙第三节坡面产沙计算河流泥沙主要来源于坡面侵蚀，而坡面侵蚀又源于降雨径流。因而，流域年平均产沙量与气候、土壤类型、地形、土地利用情况、植被覆盖状况等因素有关。书上第205页给出了某流域年平均降水量与年平均产沙量关系图，此图表明，最大产沙量发生在年平均降水量300mm左右的地区。产沙预测类似于产流，也有两类模型一、统计模型（理解产沙的影响因素）所谓统计模型就是根据所掌握的流域实测降雨产流产沙资料，研究和建立流域产沙量与其主要影响因素之间的经验关系。——次暴雨产沙统计模型 二、物理模型为了模拟流域产沙过程，王光谦提出了坡面产沙理论模型，他们指出，坡面产沙包括溅蚀、薄层水流侵蚀、细沟侵蚀等在内的复杂物理过程。通过上述概化，且假定坡面宽度方向上侵蚀速率相同，并采用坡面流运动波方程，首先得出单位时间内单位面积上的侵蚀率，将坡面概化成矩形，求出坡面单位宽度上的侵蚀量，进而求出坡面总侵蚀量。需要进一步考虑重力侵蚀模型。第四节流域输沙主要是介绍悬移质输沙过程的计算。由于悬移质泥沙是随着河川径流运动的，所以其计算可以借鉴于流域汇流经验，提出瞬时输沙单位线方法，而瞬时输沙单位线的数学方程类似于纳希瞬时单位线，在理解时只要将净雨（产流强度）换成为泥沙（产沙强度）就可以了。计算方法还有物理概念模型。 第十二章河口水文与潮汐水文学原理 一、河口的概念河流的分段可分为：河源、上游、中游、下游、河口。河口——是指河流注入海洋、湖泊和其它河流的交接地段，广义的河口应包括支流河口、入湖河口和入海河口。而这一节要讨论的是指入海河道下游受潮汐影响的河段即着重讨论的是入海河口。入海河口——河流注入海洋的交接地段，因受到海洋潮汐的影响，也称为潮汐河口。在我国大大小小的河流是非常多的，入海河流也很多，其中最主要的长江、黄河、珠江和钱塘江等，而较著名的河口和三角洲有长江三角洲、黄河三角洲、珠江三角洲及钱塘江河口。第一节概述 二、河口的分类（一）河道型河口：1、单道河口；2、多汊河口（二）海湾型河口：1、三角港河口；2、喇叭型河口辽河河口辽河河口 二、河口的分类（一）河道型河口：1、单道河口；2、多汊河口（二）海湾型河口：1、三角港河口；2、喇叭型河口珠江河口珠江河口 二、河口的分类（二）海湾型河口：1、三角港河口；2、喇叭型河口长江河口钱塘江河口钱塘江河口长江河口 河口区应是河流与海洋之间的过渡地带，所以应根据河流情势和海洋情势的强弱来分段。通常分为：河流近海段和口外海滨段。而河流近海段又可分为河流近口段和河流河口段。三、河口区的分段（1）河流近口段：是从潮区界至潮流界之间的河段，又称为河流感潮区。（2）河流河口段：是指河流近口段下界至海边之间的河段，又称河流潮流区。（3）口外海滨段：是河口段下界到海上沿岸浅滩的外边界为止的区域。潮区界潮流界口门淡水界海洋河口区口外海滨段河口段近口段（感潮段）平均中潮位高潮位（海边） 潮流界：是指海水涨潮形成的潮波沿河上朔，潮水停止倒灌的上界，即潮水上朔到这一界限，其上朔的流速与河流水量下泄的流速相互抵消。潮区界：是由于潮水和增水顶托造成的水位抬高现象趋于消失的上界。由于海洋潮汐影响的变动、风向风力的不同及河流下泄流量的增减，这两个界限并不是固定不变的。潮区界潮流界口门淡水界海洋河口区口外海滨段河口段近口段（感潮段）平均中潮位高潮位（海边）所以入海河口的界线有潮区界、潮流界、河口口门、淡水界。 第二节河口的水文特性一、潮汐现象入海河口是河流与海洋的过渡地带，是河流与海洋两种动力相互作用与影响、互相消长的区域。所谓河流动力是指径流（有液体径流和固体径流）的下泄；而海洋动力主要是指潮汐的作用（引起潮位升降和潮流运动）。这两种动力在时间上和空间上都有各自的运动、变化和分布规律。这两种动力中各因素的不同组合，使河口区的水文情势比河流和海洋都要复杂，并明显地具有自己独特的特性。地球上各处的海水，由于受到月球和太阳的吸引力而产生的周期性的上升下降运动称为潮汐。实际上就是指海水在月球引潮力和太阳引潮力的作用下，形成了海水在垂直方向上周期性的涨落现象。如果将某地的潮水位与其出现的时刻点绘成曲线（即潮水位随着时间的变化过程线）称为潮汐曲线或潮位过程线。它是以潮水位为纵坐标，时间为横坐标。 水位水位水位海平面海平面海平面涨潮落潮高潮低潮潮差潮差落潮时涨潮时低低潮高低潮高高潮低高潮涨潮潮差落潮潮差（半日潮）（全日潮）（混合潮）低潮高潮潮差1、潮汐的特征值涨潮：海水位上涨的过程落潮：海水位下降的过程高潮或满朝：海水涨到最高的位置低潮或干潮：海水位下降到最低位置平潮：在高潮和低潮时都有一个短暂的历时，海水不涨也不落。潮差：相邻的高潮位与低潮位之差，从高潮至前一相邻的低潮之差位涨潮潮差，从高潮至下一相邻低潮之差位落潮潮差。 2、潮汐类型潮汐主要与月球运行周期有关，月球连续经过上中天的时距平均值位24小时50分钟，称平均太阴日。大部分地区在一个平均太阴日中有两次涨落过程，但有些地区在一个太阴日内只有一次涨落过程。根据周期情况，潮汐可分为以下几种。（1）半日潮——在一个太阴日内发生两次高潮和两次低潮，而且这两个高潮和两个低潮的潮差和涨落潮时几乎相等，潮位过程为对称的余弦曲线。（2）全日潮——在一个太阴日内，只有一次高潮和低潮。（3）混合潮——又分为不规则半日潮和不规则全日潮两类。不规则的半日潮是指在一个太阴日内也有两次高潮和两次低潮，但潮差不等，涨潮时和落潮时也不等；不规则全日潮则是在一个太阴日内，出现一次高潮和一次低潮，但涨落潮历时不等，不像全日潮那样规则。在半个太阴月中大多数太阴日为不规则半日潮，而不规则全日潮的天数不超过7天。由不规则的半日潮的潮水位过程线能看出，同一天的第一次高潮（低潮）与第二次高潮（低潮）存在着高度不等的现象，通常称较高的一次高潮为高高潮，较低的一次高潮为低高潮，较低的低潮为低低潮，较高的低潮为高低潮，此种现象称为日潮不等。上海地区的河流多为感潮河流，潮汐周期为半日周期，所以一日内潮位一般出现两个高潮和两个低潮。而长江口的潮汐类型为非正规的半日潮。 二、水位、流速和流量1、水位潮水河的水位变化不仅与河流上游的下泄流量有关，而且也与海滨的潮汐现象及风向、风力有关。由于海滨潮汐有周期性的变化，所以潮水河的水位变化也带有周期性的涨落。2、流速涨潮落潮流涨潮涨潮流落潮涨潮流落潮落潮流潮水位潮流速时间时间潮水河的流向由于受潮汐与河流下泄水量的共同影响，它是顺逆交替的，与潮汐相应的约12小时25分为一个周期，因此潮水河的流速变化是十分频繁的。它的变化并不完全取决于水面比降的变化。潮水河口一个潮期内水位与流速的变化过程见左边的图。因为流速是有方向的，所以以水流流向海洋为正。在落潮流转为涨潮流及涨潮流转为落潮流的过程中，都有一个短暂的时间，横断面的平均流速为零，称：“落潮憩流”和“涨潮憩流”。落潮憩流涨潮憩流 正是因为有上述的水流流向的顺逆变化，所以在潮水河的断面上的流速分布是比较复杂的。一般总是水浅和流速小的部位先转向，水深和流速大的部位转向较晚。所以在憩流前后可测得水面与河底流向相反的垂线流速分布。根据憩流的概念和特点，可得出岸边憩流的出现时间比中泓要早，底部憩流的出现时间比上层要早。 3、流量潮水河的水流属于不稳定流，流量不断随时间变化，而且流向也有顺逆变化。水位与流量之间没有稳定关系，一个潮流期（自落潮憩流时开始到下一个落潮憩流时为止）的水位流量关系一般是不规则的环形曲线。水位流量024-2-4对潮水河的某一个断面来说，在任一瞬时，其流量、流速和过水断面面积三者的关系仍符合Q=VA算式。但因过水断面面积A和断面平均流速V的瞬息变化，流量必然也瞬息变化。在一个潮流期中的流量变化过程与流速变化过程是一致的，都具有周期性的变化规律，因此对潮水河进行流量测验，必须测一个潮流期的全潮流量过程。这就要在此潮流期间适当布置测流次数，测得一个潮流期的流量过程线，然后分别计算涨潮流输入的水量和落潮流输出的水量。因为河道上游有水量下泄，所以落潮总水量应大于涨潮总水量，其差值即为河流下泄入海的水量。'