坡面漫流过程课件

河流与人类张炯jiongzhang@山东大学通识教育选修课程河流与人类山东大学通识教育选修课程第二章河道水流第二章河道水流自然界的水循环及水量平衡；河流径流的形成过程；河流径流的度量方法；河道水流的基本特性。本章内容提要自然界的水循环及水量平衡；本章内容提要第一节自然界的水循环及水量平衡第一节自然界的水循环及水量平衡第一节自然界的水循环及水量平衡1.1自然界的水循环以雨、雪、雹、霰等形式下降于大陆或海洋，统称为降水

江、河、湖、海及大陆上的液态水或固态水，可因太阳的热力作用而成汽态水升入天空，此称为蒸发地表水在重力作用下，进入土壤或岩层称为入渗沿地表及地下流动的水流，统称为径流

第一节自然界的水循环及水量平衡1.1自然界的水循环第一节自然界的水循环及水量平衡其中沿地表流动的水流称为地表径流在地下土壤或岩石裂缝中流动的水流，称为地下径流或基流，它是长久无雨时期河水的补给源沿河川流动的水流，称为河川径流降水、蒸发、径流、入渗等现象，统称为水文现象降水、径流、蒸发及入渗等周而复始的变化过程，称为自然界的水循环第一节自然界的水循环及水量平衡其中沿地表流动的水流称为地第一节自然界的水循环及水量平衡其中发生在海洋上或陆地上的水循环，称为小循环发生在海洋与大陆间的水循环，称为大循环太阳是循环的总能源，而太阳辐射和地心引力则是水循环的动力，循环的源和汇都是海洋第一节自然界的水循环及水量平衡其中发生在海洋上或陆地上的第一节自然界的水循环及水量平衡就我国来说，水汽主要来自东南方向(太平洋)，其次是南方（印度洋）和西南方向（大西洋）。进入我国上空的水汽，大部分不参加水循环。只有12％的输入水汽形成了径流，其余则经我国的上空逸出。我国水汽的输出口主要是东部上空和沿海诸河，水汽形成的径流，大部分经河川注入太平洋，小部分流入印度洋，极小部分流入北冰洋。第一节自然界的水循环及水量平衡就我国来说，水汽主要来自东南第一节自然界的水循环及水量平衡1.2水量平衡

水量平衡是水循环的数量表示。降水量、蒸发量及径流量是水量平衡的三个重要因素。因此，全球水量平衡方程式可写为：XC+XO=ZC+ZOXC、ZC分别为大陆年均降水量及年均蒸发量；XO、ZO分别为海洋年均降水量及年均蒸发量。上式表明，全球年均降水量等于全球年均蒸发量。

第一节自然界的水循环及水量平衡1.2水量平衡第一节自然界的水循环及水量平衡海洋上的多余水汽随大气运行进入内陆；而陆面上的多余水分则以河流径流形式回归大海。第一节自然界的水循环及水量平衡海洋上的多余水汽随大气运行进第二节河流径流的形成过程沿着河槽流动的水流，称为河流径流。由降水开始到水流流经流域出口断面的全部过程，称为河流径流形成过程。大致可分为四个阶段：降水过程流域蓄渗过程（产流过程）坡面漫流过程河槽集流过程（汇流过程）第二节河流径流的形成过程沿着河槽流动的水流，称为河流径第二节河流径流的形成过程一、降水过程降水是降雨、降雪、降雹的统称。水过程的特征，主要由降水量、降水强度、降水历时、暴雨中心位置和暴雨移动路径等物理量描述。降水三要素：降水量、降水强度、降水历时第二节河流径流的形成过程一、降水过程第二节河流径流的形成过程二、流域蓄渗过程雨水首先被流域地表生长的树木、杂草及农作物的茎叶截留一部分，称植物截留。落到地面上的部分雨水，渗入土壤，称为入渗。若降雨强度大于入渗强度，超过入渗强度的雨，称超渗雨，它将产生地面径流随着降雨量的不断增加，土壤中的含水量逐渐趋于饱和，入渗强度减小，达到某个稳定值时，称为稳定入渗第二节河流径流的形成过程二、流域蓄渗过程第二节河流径流的形成过程还有一部分雨水被蓄留在坡面的坑洼里，称为填洼

植物截留、入渗和填洼的整个过程，称为流域蓄渗过程。这部分雨水不产生地面径流而称为损失，扣除损失后剩余的雨量，称为净雨

产流过程=降雨-损失=净雨第二节河流径流的形成过程还有一部分雨水被蓄留在坡面的坑洼第二节河流径流的形成过程三、坡面漫流过程除去流域蓄渗过程的雨水损失以后，剩余雨水沿着坡面流动，称为坡面漫流

流域内各处坡面漫流的起始时间并非同步，而往往是先从局部区域开始坡面漫流的过程也伴随着入渗、降雨和蒸发的过程，因而坡面漫流过程是一个复杂的过程。第二节河流径流的形成过程三、坡面漫流过程第二节河流径流的形成过程三、坡面漫流过程除去流域蓄渗过程的雨水损失以后，剩余雨水沿着坡面流动，称为坡面漫流

流域内各处坡面漫流的起始时间并非同步，而往往是先从局部区域开始坡面漫流的过程也伴随着入渗、降雨和蒸发的过程，因而坡面漫流过程是一个复杂的过程。第二节河流径流的形成过程三、坡面漫流过程第二节河流径流的形成过程四、河槽汇流过程坡面漫流的雨水汇入沟道，顺着沟道流入支流，由支流到干流，最后达到流域出口断面的过程，称为河槽汇流过程

对于较大的流域，河槽汇流时间较长，河槽调蓄能力较大，在降雨和坡面漫流停止后，所产生的径流还会延长很长的时间。汇流过程，就是净雨经坡面、地下流动和河槽调蓄的再分配过程。第二节河流径流的形成过程四、河槽汇流过程第三节河流径流的度量方法(1)流量Q：单位时间内流经河流某一水断面的水量。m3/s(2)径流总量W：一段时间内通过河流过水断面的总水量，m3

(3)径流模数M：单位流域面积上平均产生的流量，L/s•km2(4)径流深度R：它是径流总量W折算成全流域的平均水深，常用来与降水量作比较(5)径流系数α：径流深度R与降水量X之比，有F第三节河流径流的度量方法(1)流量Q：单位时间内流经河流第四节河道水流的基本特性天然河道水流但与清水明渠流相比，在基本特性上有很大的差异。其主要表现在以下方面：1.两相性2.三维性3.不恒定性4.非均匀性5.不平衡性6.紊动性7.阻力复杂性8.流速分布不均匀性9.流态特异性第四节河道水流的基本特性天然河道水流但与清水明渠流相比第四节河道水流的基本特性水力学中，把具有自由水面的水流称为明渠水流。天然河道和人工渠道等都属于明渠。明渠流是一种无压流，即其水面上各点的相对压强为零，主要作用力是重力。明渠水流按其运动要素是否随时间变化常分为恒定流和非恒定流。对于恒定流，若明渠过水断面的平均流速、水深等因素沿程不变，则称为明渠均匀流，否则称为明渠非均匀流。第四节河道水流的基本特性水力学中，把具有自由水面的水流第四节河道水流的基本特性1.两相性清水明渠流属于单相流(或一相流)而天然河道中的水流，总不可避免地要挟带一定数量的固体颗粒（泥沙）此外，在冲积平原河道的河床演变中，泥沙运动在水流与河床之间的相互关系中起着纽带作用第四节河道水流的基本特性1.两相性第四节河道水流的基本特性2.三维性根据流场中流体质点的流速状况与空间坐标的关系，可将水流划分为一维流、二维流和三维流三类情况。一维流是水流的流速向量在空间坐标中只和一个空间变量（流程坐标s）有关，即u=u(s)或u＝u(s,t)，在一维流场中，同一过水断面上各点的流速是相等的。如果流场中任一点的流速与三个空间坐标变量有关，即u＝u(x，y，z)，或u＝u(x，y，z，t)，则称这种水流为三维流。天然河道的河槽形态很不规则，山区河流更为如此。因此，严格说来，天然河道水流大多数为三维流，至少也属二维流，严格意义的一维流几乎不存在。第四节河道水流的基本特性2.三维性第四节河道水流的基本特性3.不恒定性在流场中，根据液体质点的运动要素是否随时间变化分为恒定流与非恒定流。如果在各空间点上液体质点的运动要素都不随时间而变化，这种流动称为恒定流；如果在任—空间点上有任何质点的运动要素随时间而变化，则这种流动就称为非恒定流。天然河道水流严格说来属于非恒定流。其主要表现在两个方面：一是来水来沙情况随时间的变化而变异；二是河床经常处于冲淤演变之中。这两个方面的变化彼此关联。第四节河道水流的基本特性3.不恒定性第四节河道水流的基本特性4.非均匀性水力学中的均匀流，其前提条件是恒定流。因此，河道水流的非恒定性决定了其非均匀性，或者说，天然河道的水流，严格说来属于非均匀流。然而，在解决天然河道实际问题时，对于比较顺直的河段，如果来水来沙基本稳定，河床基本处于不冲不淤的相对平衡状态，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡度、床面坡度与水力坡度（能坡）基本平直而相互平行，则可基本视为均匀流。第四节河道水流的基本特性4.非均匀性第四节河道水流的基本特性5.不平衡性如果水相与沙相高度和谐，在运动过程中尽管水流中的泥沙与河床上的泥沙彼此交换，但若来水来沙(数量与质量)保持恒定，河床基本保持不冲不淤状态，床面没有粗化或细化倾向发生，这种运动过程则可称之为河道水流的水沙平衡状态，或简称为平衡状态。然而，天然河流中的水沙运动，经常遇到的是不平衡状态或称“相对平衡”状态。第四节河道水流的基本特性5.不平衡性第四节河道水流的基本特性6.紊动性当流速较小时，各流层的液体质点有条不紊的运动，互不掺混，这种型态的运动叫做层流；当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相掺混，杂乱无章，这种型态的运动叫做紊流。判定层流与紊流的指标叫雷诺数，用Re表示，Re=UR/ν。其中U为水流平均流速，R为水力半径，ν为水流运动粘滞性系数。雷诺数Re的意义代表水流的惯性力与粘滞力之比。第四节河道水流的基本特性6.紊动性第四节河道水流的基本特性试验发现，存在某个临界雷诺数Rec并将其作为划分界限，当实际雷诺数大于临界雷诺数时就认定为紊流，当实际雷诺数小于临界雷诺数时则为层流。Rec=500大量遇到的天然河道水流，都属于紊流，并且几乎都属于紊动强度较大的阻力平方区（粗糙区）的紊流。第四节河道水流的基本特性试验发现，存在某个临界雷诺数Re第四节河道水流的基本特性7.阻力复杂性运动水流所受的力主要有重力、惯性力与阻力。其中阻力问题，在河道水流中，远比普通水力学中的清水流动性质要复杂。河道水流阻力损失的大小，不仅关系到河道的泄流能力，而且影响其输沙能力和河床变形。因此，研究河道水流阻力损失是河流动力学的基本问题之一第四节河道水流的基本特性7.阻力复杂性第四节河道水流的基本特性在水力学中，明渠恒定均匀流的沿程阻力，一般用阻力系数λ表示，或用谢才系数C、糙率系数n表示。λ与C和n三者之间的关系为：其中R为水力半径。在上述三个系数中，λ为无量纲数，n和C带有量纲。在实用中，λ可根据糙率系数n确定，而n则可根据明渠边壁材料性质查表得知。第四节河道水流的基本特性在水力学中，明渠恒定均匀流的沿程第四节河道水流的基本特性对于比较简单情形的明渠均匀流来说，只要在积累较多的经验和资料的基础上，可以合理准确地选定糙率系数n对于天然河道水流，其紊动尺度和紊源异常复杂。天然河道除了普通意义的粗糙边壁外，还包括河势、各种成型淤积体，以及河底或河岸的大凸大凹等，这些紊源的尺度是边壁粗糙完全不能比拟的。因此，河道水流的“糙率系数”n的内涵是极为复杂的。第四节河道水流的基本特性对于比较简单情形的明渠均匀流来说第四节河道水流的基本特性8.流速分布不均匀性河道水流流速（这里指纵向流速）沿水深的分布并非各处

均匀相等，而是自水面向河底逐渐减小，河底为零，水面最大第四节河道水流的基本特性8.流速分布不均匀性第四节河道水流的基本特性在二维均匀流情况下，表达时均流速（纵向）沿水深分布规律的公式很多，其中最为常用的是指数分布和对数分布公式。指数流速分布公式为：式中，u为距河底为y处的流速；为水面(y=h)流速；h为水深；m为指数，清水一般取1/6。第四节河道水流的基本特性在二维均匀流情