水利水电工程概论2012版本课件

1、水利学科导论水利学科导论武汉大学水利水电学院河流工程系武汉大学水利水电学院河流工程系20122012杨国录杨国录 教授教授 博导博导1 1、序、序水利科学导论水利科学导论何谓水利学科何谓水利学科 ！ 科学问题科学问题何谓水利工程！何谓水利工程！ 工程问题工程问题水利科学导论水利科学导论水科学与工程问题影视水科学与工程问题影视水利科学导论水利科学导论大气水循环图大气水循环图水科学问题水科学问题水工程问题水工程问题都围绕着都围绕着“水水”展开、探索、追求展开、探索、追求水利科学导论水利科学导论何谓水利工程！何谓水利工程！水利工程是指控制、调节和利用自然界的地表水和地下水，以达到除害兴利的目的水利工

2、程是指控制、调节和利用自然界的地表水和地下水，以达到除害兴利的目的而修建的各种工程。而修建的各种工程。诸如诸如：（：（1）防洪工程（堤防、水库、滞洪区、分洪区、涵闸和防洪工程（堤防、水库、滞洪区、分洪区、涵闸和排水工程）；（排水工程）；（2）农田水利工程（灌溉工程）；（）农田水利工程（灌溉工程）；（3）水利发电工程；（）水利发电工程；（4）航运航）航运航电工程；（电工程；（5）城市供水排水工程。（）城市供水排水工程。（6）水利环境工程）水利环境工程开发利用开发利用开发利用开发利用水水利利工工程程水利科学导论水利科学导论水利类本科专业设置水利类本科专业设置农田水利工程农田水利工程 水利系水利系

3、水利水电工程水利水电工程 水电系水电系港口航道及海岸工程（河流工程）港口航道及海岸工程（河流工程） 河流系河流系水文与水资源工程水文与水资源工程 水文水资源系水文水资源系水利环境工程水利环境工程 水利、水电、河流、水文水利、水电、河流、水文学科构成学科构成学科背景学科背景学科理论体系学科理论体系学科工程问题与解决方法学科工程问题与解决方法学科基础理论、方法学科基础理论、方法学科专业理论、人才与工程的贡献学科专业理论、人才与工程的贡献学科拓展与发展学科拓展与发展水利科学导论水利科学导论一、一、 学科构成学科构成水利科学导论水利科学导论学科构成体系学科构成体系学科培养体系学科培养体系一、学科构成体

4、系一、学科构成体系 一级学科专业一级学科专业水利水利工程工程水利水电工程水利水电工程水力学及河水力学及河流动力学流动力学水文及水资源水文及水资源工程工程港口航道及海港口航道及海岸工程岸工程农业水利工程农业水利工程水利科学史水利科学史水利科学导论水利科学导论一、学科构成体系一、学科构成体系 二级学科专业二级学科专业港口航港口航道及海道及海岸工程岸工程河流动力学河流动力学河流物理模拟河流物理模拟河床演变学河床演变学河流数值模拟河流数值模拟海岸工程学海岸工程学水利科学导论水利科学导论港口航道工程学港口航道工程学防洪工程学防洪工程学一、学科构成体系一、学科构成体系 二级学科专业二级学科专业水水力力学学

5、水力学基础水力学基础环境水力学环境水力学工程水力学工程水力学计算水力学计算水力学水利科学导论水利科学导论一、学科构成体系一、学科构成体系 二级学科专业二级学科专业水利科水利科学学 史史水利史水利史科学技术史科学技术史江河发展史江河发展史水利发展与水利发展与变迁变迁水利科学导论水利科学导论二、学科培养体系二、学科培养体系 完整完备的培养体系完整完备的培养体系水利科学导论水利科学导论国家重点试验室国家重点试验室研究生教育研究生教育硕士、博士硕士、博士本科教育本科教育博士后博士后流动站流动站管理技术管理技术人员培养人员培养二、二、 学科背景学科背景水利科学导论水利科学导论七大水系七大水系长江长江黄河

6、黄河珠江珠江淮河淮河海河海河松花江松花江辽河辽河全国流域图全国流域图水利科学导论水利科学导论长江流域图长江流域图水利科学导论水利科学导论黄河流域图黄河流域图水利科学导论水利科学导论珠江流域图珠江流域图水利科学导论水利科学导论钱塘江模型一线潮钱塘江模型一线潮水利科学导论水利科学导论水利科学导论水利科学导论钱塘江一线潮钱塘江一线潮水利科学导论水利科学导论钱塘江一线潮钱塘江一线潮三、三、 学科理论体系学科理论体系水利科学导论水利科学导论水文学水文学流体流体力学力学两相流两相流动力学动力学河床河床演变学演变学计算机计算机科学科学地貌学地貌学地理学地理学生态生态环境学环境学数学数学河流河流动力学动力学河

7、流动力学河流动力学主要特点主要特点-多学科交叉多学科交叉隶属学科隶属学科-河流动力学河流动力学人类活动对泥沙人类活动对泥沙和径流的改变和径流的改变泥沙输移变化和泥沙输移变化和河床演变河床演变新的新的防洪形势防洪形势水土流失水土流失水库调节水库调节 河道冲淤变化河道冲淤变化河型和河势变化河型和河势变化江湖关系调整江湖关系调整 河道过流能力变化河道过流能力变化湖泊调蓄量变化湖泊调蓄量变化险工险段的调整险工险段的调整 水利科学导论水利科学导论水、运动水水、运动水水流及水流机械水流及水流机械运动规律运动规律水力工程水力工程液态水特性液态水特性运动水特性运动水特性 水流运动形态水流运动形态水流运动基本规

8、律水流运动基本规律江湖水关系江湖水关系 渠道水力学渠道水力学环境水力学环境水力学工程水力学工程水力学 水利科学导论水利科学导论古代水利史古代水利史近代科学史近代科学史现代科学史现代科学史河道防洪河道防洪灌溉灌溉 水利工程水利工程 水利工程变迁水利工程变迁 水利科技发展水利科技发展水利发展信息水利发展信息水利发展产业水利发展产业 水利科学导论水利科学导论四、学科工程问题与解决方法四、学科工程问题与解决方法水利科学导论水利科学导论 防洪问题防洪问题 水沙输移问题水沙输移问题 水电工程问题水电工程问题 河口治理问题河口治理问题 水土保持问题水土保持问题 港口工程问题港口工程问题航运工程问题航运工程问

9、题海岸工程问题海岸工程问题水利工程问题水利工程问题长江防洪问题长江防洪问题长江中下游河势图长江中下游河势图水利科学导论水利科学导论长江防洪问题长江防洪问题水利科学导论水利科学导论长江防洪问题长江防洪问题水利科学导论水利科学导论长江防洪问题长江防洪问题水利科学导论水利科学导论长江防洪问题长江防洪问题水利科学导论水利科学导论黄河防洪工程问题黄河防洪工程问题水利科学导论水利科学导论黄河防洪工程备料黄河防洪工程备料水沙输移问题水沙输移问题水利科学导论水利科学导论上游上游河道输沙河道输沙水库水库水沙调节水沙调节下游下游河道输沙河道输沙河口河口泥沙输移泥沙输移泥沙淤积泥沙淤积河道冲刷河道冲刷河口蚀退河口蚀

10、退微观：泥沙输移微观：泥沙输移宏观：河床演变宏观：河床演变泥沙输移变化泥沙输移变化导致河床演变导致河床演变河床演变改变河床演变改变河道输沙河道输沙模拟的科学问题模拟的科学问题水沙输移问题水沙输移问题水利科学导论水利科学导论河口河口延伸延伸规律规律变得变得复杂复杂河口蚀退河口蚀退波浪掀沙波浪掀沙潮流输沙潮流输沙水沙输移问题水沙输移问题水利科学导论水利科学导论水沙输移问题水沙输移问题水利科学导论水利科学导论水沙输移问题水沙输移问题水利科学导论水利科学导论水沙输移问题水沙输移问题水利科学导论水利科学导论水沙输移问题水沙输移问题水利科学导论水利科学导论水电工程问题水电工程问题水利科学导论水利科学导论长

11、江：长江：3838个个黄河：黄河：1515个个珠江：珠江：1919个个 水电工程问题水电工程问题水利科学导论水利科学导论水电工程问题水电工程问题水利科学导论水利科学导论水电工程问题水电工程问题水利科学导论水利科学导论水电工程问题水电工程问题水利科学导论水利科学导论水电工程问题水电工程问题水利科学导论水利科学导论河口治理工程问题河口治理工程问题水利科学导论水利科学导论河口治理工程问题河口治理工程问题水利科学导论水利科学导论回头潮回头潮一线潮一线潮十字交叉潮十字交叉潮碰头潮碰头潮水土保持工程问题水土保持工程问题水利科学导论水利科学导论水土保持工程问题水土保持工程问题水利科学导论水利科学导论港口工程

12、问题港口工程问题水利科学导论水利科学导论航运工程问题航运工程问题水利科学导论水利科学导论航运工程问题航运工程问题水利科学导论水利科学导论海岸工程问题海岸工程问题水利科学导论水利科学导论防洪工程问题防洪工程问题水利科学导论水利科学导论防洪工程问题防洪工程问题水利科学导论水利科学导论防洪工程问题防洪工程问题水利科学导论水利科学导论 荆江大堤上起荆州市区枣林岗，下止荆州市监利县城南，相应桩号810+350628+000，全长182.35千米。为国家一级堤防。荆江大堤贯穿荆州市的荆州区、沙市区、江陵县和监利县。 直接保护的范围包括荆北的1100万亩地，800万人民的生命财产安全。长江黄金水道贯通全境，

13、沙洪公路走向与大堤平行，通过荆州城区，监仙公路可与宜黄高速公路、207国道相连，对外交通十分方便。810+350 628+000 水利工程问题水利工程问题水利科学导论水利科学导论东线：长江下游东线：长江下游扬州引长江水到扬州引长江水到天津天津中线：汉江淘中线：汉江淘岔引水到北京岔引水到北京天津天津西线：长江上游西线：长江上游通天河引水到北通天河引水到北京天津京天津水利工程问题水利工程问题水利科学导论水利科学导论水利工程问题水利工程问题水利科学导论水利科学导论泥水环境工程问题泥水环境工程问题水利科学导论水利科学导论泥水环境工程问题泥水环境工程问题水利科学导论水利科学导论二、学科体系二、学科体系五

14、、学科基础理论与方法五、学科基础理论与方法水利科学导论水利科学导论水力学科基础理论与方法水力学科基础理论与方法河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法河床演变学基础理论与方法河床演变学基础理论与方法河流物理模型理论及方法河流物理模型理论及方法河流数学模型基础理论与方法河流数学模型基础理论与方法5.1 水力学基础理论与方法水力学基础理论与方法水利科学导论水利科学导论hpwhgvpzgvpz222222221111静水压强及其分布规律静水压强及其分布规律水流运动的能量守恒及其转化规律水流运动的能量守恒及其转化规律h水从能量高的向能量低的地方运动水从能量高的向能量低的地方运动5.1 水力学基

15、础理论与方法水力学基础理论与方法水利科学导论水利科学导论计算水力学计算水力学0)(02fgAJxZgAAQxtQtQtA非恒定流水面线计算非恒定流水面线计算5.1 水力学基础理论与方法水力学基础理论与方法水利科学导论水利科学导论工程水力学工程水力学堰流及闸孔出流水力计算堰流及闸孔出流水力计算坝、堰、闸下流消能计算坝、堰、闸下流消能计算渗流计算渗流计算管道水击计算管道水击计算高速水流计算高速水流计算水利科学导论水利科学导论5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法长江水真浑长江水真浑黄河水真黄黄河水真黄黄河水电站排出的是黄河水电站排出的是水吗水吗?水利科学导论水利科学导论5.2 河流

16、动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法水流能够输沙吗水流能够输沙吗黄河怎么了？沙黄河怎么了？沙多、输得远、淤多、输得远、淤得多得多水电站能通航吗水电站能通航吗?水利科学导论水利科学导论5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法电站何时淤死电站何时淤死长江不排洪水吗长江不排洪水吗河道上建筑物不防河道上建筑物不防碍行洪吗碍行洪吗?水利科学导论水利科学导论5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法在明渠水流运动下，研究液态中的固态运动在明渠水流运动下，研究液态中的固态运动主要研究：泥沙的冲泻质、悬移质、推移质的主要研究：泥沙的冲泻质、悬移质、推移质的基本运动规律基本运动

17、规律冲泻质：极细颗粒，满足自动悬浮条件：泥沙颗粒重冲泻质：极细颗粒，满足自动悬浮条件：泥沙颗粒重力作功对水流所提供的能量大于自身消耗的能量力作功对水流所提供的能量大于自身消耗的能量1*u这样的泥沙很难落淤到河床上，而得于远距离的这样的泥沙很难落淤到河床上，而得于远距离的输送输送水利科学导论水利科学导论5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法悬移质运动：悬移质运动： 满足条件：满足条件：531*u这样的泥杀可以在水中作悬移运动，在一定的水这样的泥杀可以在水中作悬移运动，在一定的水流条件下，它可以转变为推移质，或者转变为床流条件下，它可以转变为推移质，或者转变为床沙质，在床面淤存下来

18、，使河床发生变化。沙质，在床面淤存下来，使河床发生变化。描述悬移质运动的理论有：扩散理论：描述悬移质运动的理论有：扩散理论：2222zSDySDySxSutSzysx水利科学导论水利科学导论5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法悬移质运动：悬移质运动： 悬移质含沙量分布公式悬移质含沙量分布公式H.Rouse(1938) 公式公式zaahayyhSS)(重力理论：悬移质含沙量分布公式重力理论：悬移质含沙量分布公式211)()1ln()1()(,deSSa水利科学导论水利科学导论5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法水流挟沙力：水流挟沙力：著名的张瑞谨公式：依据制紊

19、假说：携带悬移质著名的张瑞谨公式：依据制紊假说：携带悬移质运动的水流能耗，在同等条件下，较清水水流能运动的水流能耗，在同等条件下，较清水水流能耗为小耗为小msssvssvsghUSEQUJQUJSQUJSEEE)()1 (3*00水利科学导论水利科学导论5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法水流挟沙力：水流挟沙力：著名的维利堪诺夫公式：依据假说：携带悬移质著名的维利堪诺夫公式：依据假说：携带悬移质运动的水流能耗，在同等条件下，较清水水流能运动的水流能耗，在同等条件下，较清水水流能耗为大耗为大ghUS3*推移质运动：推移质运动：泥沙的起动公式：泥沙的起动公式： 著名的张瑞谨公式：

20、上举著名的张瑞谨公式：上举力、推移力、脉动压力、重力、黏结力力、推移力、脉动压力、重力、黏结力2/172.0)10000000605.06.17()(dhddhUsnpj（1)1)同等情况下，非均匀沙同等情况下，非均匀沙挟沙挟沙水流的能耗较清水水流能水流的能耗较清水水流能耗为小。耗为小。 基于这种发现，基于这种发现，首次首次得到了描述非均匀沙运动的水流得到了描述非均匀沙运动的水流挟沙力公式。挟沙力公式。mkgRsUbkPknrkkvS30*的关系kgRskvS*非均匀沙水流挟沙力公式：非均匀沙水流挟沙力公式：5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法（2 2）首次首次发现平面二维水

21、流运动其提供能、损失能、传发现平面二维水流运动其提供能、损失能、传递能沿河宽成非均匀分布规律，并递能沿河宽成非均匀分布规律，并首次首次提出能量守恒律。提出能量守恒律。zHuzuHzHu能量平衡方程式：能量平衡方程式：5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法（3 3）同等情况下，单位流条挟沙水流能耗较清水水流能）同等情况下，单位流条挟沙水流能耗较清水水流能耗为小，据此发现得到了二维耗为小，据此发现得到了二维水流挟沙力公式。水流挟沙力公式。平面二维水流挟沙力公式平面二维水流挟沙力公式：miigHsumikik*iS305.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法水利科学导论

22、水利科学导论5.2河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法推移质运动：推移质运动：泥沙的起动公式：泥沙的起动公式： 著名的窦国仁公式（上举力、推移著名的窦国仁公式（上举力、推移力、脉动压力、重力、黏结力、薄膜水吸附力）力、脉动压力、重力、黏结力、薄膜水吸附力） dhhhhhgdUaaas)740111()6 .4125. 6(推移质输沙率：推移质输沙率：著名的著名的 E.梅叶梅叶-彼得彼得 公式公式)()(125.0)(047.0)/(2/12/32/3sssgdhjkkg水利科学导论水利科学导论5.2 河流动力学基础理论与方法河流动力学基础理论与方法推移质输沙率：推移质输沙率：著名的

23、著名的 爱因斯坦爱因斯坦 公式公式 （从力学和统计学出发）（从力学和统计学出发）2/1)1()(32/1gdggsss著名的著名的 英格隆英格隆 公式公式 （从力学出发）（从力学出发）)7.0)(5.16.11*ccg水利科学导论水利科学导论5.3 河床演变学的基础理论与方法河床演变学的基础理论与方法广义上：指研究河道生成和发展的历史过程；广义上：指研究河道生成和发展的历史过程；狭义上：指研究近代河道的变化。狭义上：指研究近代河道的变化。河道演变原理：河道演变原理： 水流不平衡输沙原理水流不平衡输沙原理河道演变的根本动因：河道演变的根本动因： 水流与河床相互作用的水流与河床相互作用的结果，调节

24、这对矛盾的介质是泥沙。水流是矛盾结果，调节这对矛盾的介质是泥沙。水流是矛盾的主体，河床是矛盾的辅体，泥沙则是媒体，同的主体，河床是矛盾的辅体，泥沙则是媒体，同时泥沙也是矛盾调解结果的具体表现，最终反应时泥沙也是矛盾调解结果的具体表现，最终反应在河床的抬高和降低上在河床的抬高和降低上水利科学导论水利科学导论5.3 河床演变学的基础理论与方法河床演变学的基础理论与方法河道演变过程：绝对不变的河道是不存在的，相河道演变过程：绝对不变的河道是不存在的，相对不变的河道才是常存的。由于河道水流的作用，对不变的河道才是常存的。由于河道水流的作用，饱和挟沙水流将向河床沉淀泥沙，使河床淤积抬饱和挟沙水流将向河床

25、沉淀泥沙，使河床淤积抬高变形；非饱和挟沙水流将从河床淘刷泥沙，使高变形；非饱和挟沙水流将从河床淘刷泥沙，使河床降低变形。河床降低变形。河道演变的河道演变的“自动调整作用自动调整作用”：不管是冲刷还是不管是冲刷还是淤积，水流对河床的作用总是从淤积到少淤积、淤积，水流对河床的作用总是从淤积到少淤积、从冲刷到少冲刷的过程发展，并逐步趋向河道平从冲刷到少冲刷的过程发展，并逐步趋向河道平衡过程。衡过程。水利科学导论水利科学导论5.3 河床演变学的基础理论与方法河床演变学的基础理论与方法河道纵向变形：河道沿水流方向的纵向变化，使河道纵向变形：河道沿水流方向的纵向变化，使河道的纵向坡度发生变化。水库泥沙淤积

26、，使河河道的纵向坡度发生变化。水库泥沙淤积，使河道纵坡变缓；道纵坡变缓；河道横向变形：河道横向变形使河道在平面上发河道横向变形：河道横向变形使河道在平面上发生变化，微直的河道变得弯曲，弯曲的河道变得生变化，微直的河道变得弯曲，弯曲的河道变得更加弯曲。绝对直的河道是不存在的。更加弯曲。绝对直的河道是不存在的。河道演变是一种机械运动，河道不变形处于平衡河道演变是一种机械运动，河道不变形处于平衡状态是相对的，河道变形处于不平衡状态才使绝状态是相对的，河道变形处于不平衡状态才使绝对的对的水利科学导论水利科学导论5.3 河流物理模型理论与方法河流物理模型理论与方法它们外观真的很象吗？它们外观真的很象吗？

27、几几何何相相似似原原型型模模型型水利科学导论水利科学导论5.3 河流物理模型理论与方法河流物理模型理论与方法它们的重力成比率吗？它们的重力成比率吗？动力相似动力相似原原型型模模型型水利科学导论水利科学导论5.3 河流物理模型理论与方法河流物理模型理论与方法它们动得真象吗？它们动得真象吗？运动相似运动相似原原型型模模型型水利科学导论水利科学导论5.3 河流物理模型理论与方法河流物理模型理论与方法它们的形变真象吗？它们的形变真象吗？变变形形相相似似变形一变形一变形二变形二原原型型模模型型模模型型水利科学导论水利科学导论5.3 河流物理模型理论与方法河流物理模型理论与方法变形相似变形相似原型原型模型

28、模型运动相似运动相似重力相似重力相似几何相似几何相似水利科学导论水利科学导论5.3 河流物理模型理论与方法河流物理模型理论与方法 相似原理相似原理两个机械力学范畴的物质系统相似，必须：两个机械力学范畴的物质系统相似，必须：几何相似、运动过程的属性相同、同类性质的量具几何相似、运动过程的属性相同、同类性质的量具有同一比值有同一比值变形相似变形相似运动相似运动相似重力相似重力相似几何相似几何相似lmyllumyuufmyff相似指示数等于相似指示数等于常数为相似准则常数为相似准则水利科学导论水利科学导论5.3 河流物理模型理论与方法河流物理模型理论与方法 相似原理相似原理两个机械力学范畴的物质系统

29、相似，必须受到相似两个机械力学范畴的物质系统相似，必须受到相似指示数控制指示数控制相似指示数等于常数为相似准则相似指示数等于常数为相似准则）（相似指示数则取，模型原型constumdtdumfumttuummffdtdumfdtdumfmmtfmmmmmmtfmtymuymmymfymmmmyyyy1,水利科学导论水利科学导论5.4 河流数学模型理论与方法河流数学模型理论与方法物理模型以物体按一定比例来定义机械运动的物质系统物理模型以物体按一定比例来定义机械运动的物质系统数学模型以等值物理方程数字化来定义机械运动的物数学模型以等值物理方程数字化来定义机械运动的物质系统质系统自然电站大坝自然电站

30、大坝通过相似律通过相似律通过物理控制方程和地理通过物理控制方程和地理信息数字化和可视化手段信息数字化和可视化手段物理实体模型物理实体模型数学数字模型数学数字模型5.4 河流数学模型理论与方法河流数学模型理论与方法水利科学导论水利科学导论水文学水文学流体流体力学力学两相流两相流动力学动力学河床河床演变学演变学计算机计算机科学科学地貌学地貌学地理学地理学生态生态环境学环境学数学数学河流河流动力学动力学主要特点主要特点-多学科交叉多学科交叉隶属学科隶属学科-河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流数值模拟河流数值模拟5.4 河流数学模型理论与方法河流数学模型理论与方法水利科学导论水利科学导论河流

31、数学模型河流数学模型物理系统物理系统数学系统数学系统理论基础理论基础计算依据计算依据数数值值方方法法物理数值参数物理数值参数微分方程微分方程本构方程本构方程边界条件边界条件数值方程数值方程数值边界条件数值边界条件数值本构方程数值本构方程数值参数数值参数物理系统和数学系统物理系统和数学系统理论体系理论体系-5.4 河流数学模型理论与方法河流数学模型理论与方法水利科学导论水利科学导论可溶性物质输移与三维动态过程可溶性物质输移与三维动态过程六、学科专业理论、人才培养与六、学科专业理论、人才培养与工程的贡献工程的贡献水利科学导论水利科学导论学科专业创建与完善学科专业创建与完善学科专业理论突出贡献学科专业理论突出贡献学科专业工程建设的突出贡献学科专业工程建设的突出贡献学科专业全国高层管理技术人员的培养学科专业全国高层管理技术人员的培养学科专业研究领域拓展的贡献学科专业研究领域拓展的贡献六、学科专业理论与工程的贡献六、学科专业理论与工程的贡献水利科学导论水利科学导