水文学原理-11-13章.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 坡面侵蚀从形态可划分为层状侵蚀、浅沟侵蚀、沟壑侵蚀、陷穴侵蚀、滑坡或崩塌耕地层状面蚀,耕地层状面蚀,浅沟侵蚀,沟壑侵蚀,沟壑侵蚀,陷穴侵蚀,土石山区崩塌,黄土区崩塌,滑坡,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的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180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 沼泽、冰川与融雪径流,水文学原理,第一节 沼泽,一、沼泽的概念 二、沼泽的形成与类型 三、沼泽的作用 四、沼泽的变化,四川若尔盖沼泽,“似陆非陆，似海非海， 似湖非湖，似河非河”,,,沼泽的概念,1.沼泽的概念 沼泽：地表多年积水或土壤过湿的地段，其上主要生长着沼生植物，其下有泥炭的堆积，或土壤具有明显的潜育层 2.沼泽的基本特征 ①地表经常过湿或有薄层积水： ②其上生长湿生植物或沼生植物： ③有泥炭积累或无泥炭积累，但有潜育层存在3.沼泽的地理分布 全球沼泽面积约占陆地面积的0.8％主要分布于北半球的寒冷地区，其中以加拿大北部、欧亚大陆北部最为集中 我国沼泽总面积约11万平方公里，占全国陆地面积1.15％主要分布在以下三个地区 沿海地区 河流泛滥地区 高原高山地区,（一） 沼泽的形成,沼泽的形成和发展，一般是在温湿和冷湿气候、平坦和低洼的地形条件下，有利于它的形成和发展沼泽地段的自然条件一般是地势低平、排水不畅、蒸发量小于降水量，地表组成物质粘重不易渗透故主要分布在冷温或温湿地带其形成大致可分两种情况： 水域沼泽化 陆域沼泽化12.1.1 沼泽的形成与类型,1.水域沼泽化：主要是指海滨沼泽化、湖泊沼泽化和河流沼泽化。

(1)海滨沼泽化： （2）湖泊沼泽化与河流沼泽化：湖泊沼泽化中，浅湖沼泽化和深湖沼泽化过程有所不同 浅湖沼泽化过程，是由水生植物或湿生植物的不断生长与死亡，沉入湖底的植物残体的堆积，变成泥炭，再加上泥沙的淤积，使湖面逐渐缩小，水深变浅，水生植物和湿生植物也不断地从湖岸向湖心发展，最后整个湖泊就变成了沼泽深湖沼泽化过程是由于水中生长长根茎的漂浮植物，其根茎交织在一起，形成“浮毯”，浮毯可与湖岸相连由风或水流带入湖中的植物种子便在浮毯上生长起来以后由于植物的不断生长与死亡，植物残体便累积在浮毯层上形成泥炭当浮毯层发展到一定厚度时，浮毯层下部的植物残体在重力作用下，渐渐沉入湖底形成下部泥炭层随着时间的推移，湖泊就全部转化为沼泽 河流沼泽化过程，常发生在水浅、流速小的河段，其形成过程同浅湖沼泽化相似陆地沼泽化：森林沼泽化和草甸沼泽化 （1）森林沼泽化： 往往是由于森林的自然演替、采伐和火烧之后而形成的(迹地演化而成)在寒带和寒温带茂密的针叶林区，由于森林阻挡了阳光和风，枯枝落叶层覆盖了地面，减少了地面蒸发，枯枝落叶层又拦蓄了部分地面径流，如遇土壤底层为不易透水的岩石或沉积层，就会使土壤过湿，引起森林退化，使适合这种环境的草类、藓类植物生长，从而森林逐渐演变成沼泽。

此外，森林采伐和火烧，可使土壤表层变紧，减少了水分蒸腾，使土壤表层过湿，为沼泽植物生长发育创造了条件，因而在采伐和火烧迹地上容易引起沼泽化 （2）草甸沼泽化：常发生在地势低平、排水不畅的地方疏丛草逐渐被密丛草所代替，植物残体在水不易流通的环境里，因分解不充分而转化为泥炭，草甸植被逐渐为沼泽植被所代替，草甸转化为沼泽二）沼泽的类型,低位沼泽 中位沼泽 高位沼泽,1、按照沼泽发育阶段划分,低位沼泽,也称富营养型沼泽，它是沼泽发育的初级阶段其主要特征是；沼泽表面呈浅碟形；泥炭层不太厚；由于地表水和地下水补给丰富，水文状况尚未发生显著变化；沼泽植物以嗜养分植物为主（如莎草、芦苇等）中位沼泽,也叫过渡型沼泽或中营养型沼泽它是沼泽发育的过渡阶段其主要特征是：由于泥炭层的日益增厚，沼泽表层变得平坦；水分运动状况发生了改变；沼泽植物以中养分植物为主高位沼泽,也称贫营养型沼泽，它是沼泽发育的高级阶段其特点是：由于泥炭的不断累积，泥炭层较厚；沼泽表面中部凸起；沼泽中水文状况发生了显著的变化；沼泽植物以需养分少的为主（如水藓、羊胡子草等）2、按沼泽有无泥炭累积划分,泥炭沼泽 潜育沼泽,沼泽一般排水不畅，加以植物丛生，故沼泽水的运动十分缓慢。

沼泽的蒸发比较强烈，蒸发量大于自由水面径流特别小沼泽对水分的滞蓄可缓解洪峰（尽管很微弱） （一） 沼泽水的运动 （二）沼泽水量平衡 （三）沼泽的温度、冻结和解冻 （四）沼泽水水质特征,12.1.2 沼泽的水文特征,12.1.3 沼泽的作用,（一） 径流调节库 （二）气候调节器 （三）物种基因库 （四）环境滤清器 （五）高效资源库,12.1.4 沼泽的变化,（一） 气候与沼泽变化 （二）地质地貌与沼泽变化 （三）水文与沼泽变化 （四）人类活动因素与沼泽变化,美丽的三江湿地,湿地的作用：调节气候、 调畜水量、净化水体 、是野生生物栖息地三江平原沼泽,三江平原位于黑龙江、松花江、乌苏里江汇流处横亘于中部的完达山脉将平原分为南北两部分：北部是沼泽化低平原，面积4万多平方公里，南部是乌苏里江及其支流与兴凯湖共同形成的冲积一湖积沼泽化平原，面积8800平方公里 中国最美六大沼泽湿地：甘南若尔盖(川北) 、巴音布鲁克(新疆) 、三江平原(黑龙江) 、黄河三角洲(山东) 、扎龙保护区(黑龙江) 、辽河三角洲(辽宁) （2006.10, 《中国国家地理》 ）,,第二节 冰川,在高纬度和高山地区，气候寒冷，年平均温度多处于0℃以下，地表常被冰雪（冰川）覆盖。

冰川是指发生在陆地上，由大气固态降水演变而成的，通常处于运动状态。