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河流动力学

2020-04-09 21:01

研究河道水流、泥沙运动和河床演变力学规律及其应用的学科。

研究内容

包括:①河道水流结构。研究河道水流的内部运动特征及运动要素的时空分布,如紊流、河道水流流速分布、河道水流能量分布与转换、河流阻力、明槽副流等。②河流泥沙运动。研究河流泥沙的冲刷、搬运和堆积机理及其计算方法,如泥沙的沉速、泥沙起动、推移质、悬移质、水流挟沙能力、高含沙水流、异重流等。③天然河流河床演变。研究河床形态及其演变过程,如河型分类、不同河型的演变规律、河流自动调整作用、河相关系等。④河流再造床过程。研究因水利工程或其他人类活动引起的河床冲淤变化过程,如水库淤积、水库下游沿程冲刷、局部冲刷等。⑤河流模拟。研究模拟和预测河床冲淤变化的方法,如数学模型、物理模型等。

研究方法

①现场观测。在河流上对水流、泥沙运动和河床演变现象进行观察和测量。在河道观测中除使用传统的定位、测深和测流取沙的仪器和方法外,还广泛采用全球定位系统(GPS)、双声道回声测深仪和地理信息系统(GIS)等近代技术。②室内试验。在试验室对水流、泥沙运动和河床演变基本规律进行试验研究,或针对某具体河段和工程问题进行物理模型试验。在试验研究中,广泛使用自动控制、资料采集和处理系统以及流场流态的各自显示技术。③理论分析。利用物理学、力学、统计学等学科的原理和方法对水流、泥沙运动和河床演变问题进行理论分析,并使用数学分析方法、求出问题的理论解。④数值计算。借助电子计算机求解水流、泥沙运动和河床演变基本方程式,通过数值计算求得工程实际问题的近似解。

河流动力学广泛应用水力学、流体力学、紊流力学、边界层理论等学科的基本原理和方法来分析和解决问题,河流动力学的发展也促进了这些学科的发展。河流动力学是水利工程科学的基础学科之一,它与治河工程、防洪工程、灌溉与排水工程、水力发电工程、航道及港口工程等学科均有密切的关系。河流动力学与地理科学和环境科学也有一定联系。

对水利建设的意义和作用

河流动力学的研究对于水利工程建设有着重要的作用。洪水泛滥成灾与河流上游来沙过多并在河槽内大量堆积有关。为了防止洪水灾害,在疏通河道、构筑堤防和保护河岸时,首先要了解水流、泥沙运动和河床演变的规律。为了综合利用水利资源,可以在河流中、上游修建水库,调节洪水,蓄水灌溉,利用落差发电。但在水库蓄水过程中,也拦蓄了泥沙,库容日渐减少,甚至完全淤废。同时由于淤积段上延,回水范围日益扩大,使上游地区受到淹没和浸没的影响。在回水变动区还可能因泥沙淤积而影响航运。在水库下游因清水下泄造成河床冲刷,不仅使坝下水位降低,影响引水和航运,而且可能引起下游河势变化,影响沿河工农业生产和城市建设。对这些影响作出预测并提出预防措施,是水库修建中的重大课题。在引水灌溉的同时,也引进了一些泥沙,从而使引水口和灌溉渠道内产生淤积,减少过水能力。为此,必须采取引水防沙措施。随着水运事业的发展,在整治航道、兴建港口时,需要掌握浅滩冲淤演变和港区水流、泥沙运动规律。此外,城市给水和排水、公路和铁路桥梁、渡口建设、河滩地开发利用以及水资源环境保护等也都要用到河流动力学的知识和方法。

发展简史

中国早在2000多年前,就把河流动力学的感性知识运用到水利工程建设中去,如四川都江堰工程、广西灵渠的分流工程都是运用河流动力学的成功例子。16世纪中叶潘季驯从治理黄河实践中总结出的束水攻沙的治黄策略符合现代科学原理。古代埃及和印度也修建了大量防洪和灌溉工程。近代河流动力学的研究是在欧洲文艺复兴时代后期开始的,15世纪达·芬奇已采用科学的观测和试验方法研究河渠水力学,其中包括泥沙运动规律。1753年布拉姆斯(A.Brahms)得到泥沙的起动流速与泥沙重量的1/6次方成比例的结论。1786年迪比亚(P.-L.DuBuat)系统地研究了泥沙起动、沙波形成、断面稳定和河流形态等问题。19世纪末和20世纪初,河流动力学迅速发展,1879年杜波依斯(M.P.Du Boys)提出了推移质运动的拖曳力理论。1895年肯尼迪(R.G.Kennedy)研究了灌溉渠道稳定问题,建立了“均衡理论”。1898年恩格斯(H.Engels)创建了第1个研究河渠问题的试验室,并进行了大量松散边界水力学问题试验。1914年吉尔伯特(G.K.Gilbert)进行了大规模泥沙运动试验研究,获得了大量有价值的资料。1931~1933年,奥布赖恩(M.P.O′ Brien)和B.M.马卡维耶夫分别将紊流扩散理论用到泥沙研究中来,提出了悬移质运动的扩散理论。E.迈耶-彼德和米勒(C.R.Miller)从1934年开始采用实验方法研究了推移质运动,提出了推移质输沙率公式。1936年A.F.希尔兹根据因次分析原理,建立了起动拖曳力与泥沙粒径之间的关系。1940~1942年H.A.爱因斯坦在试验基础上应用现代流体力学方法建立了推移质运动理论,1950年又利用或然率概念导出了函数表达式,以后又与悬移质扩散理论联系起来提出了床沙质挟沙能力计算方法。20世纪40年代末至50年代初,河流动力学逐渐发展为一门独立学科。

20世纪70年代以来,河流动力学的发展很快,出现了许多新的概念、理论和计算公式。然而由于问题复杂和观测困难,许多重大问题仍未得到圆满解决。今后除更好地应用现有理论、公式和方法解决生产中提出的各种实际问题外,还应进行更广泛、更精密的现场观测和室内试验研究,以取得更多、更可靠的实际资料。在此基础上对现有理论和公式进行比较分析,选择较好的计算公式和方法,以促进河流动力学的发展。

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