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第一讲河流动力学概述
黄尔
2012年3月
水力学及河流动力学(hydraulics and river dynamics)
水力学:研究水的平衡和机械运动规律及其应用的学科。是应用力学的分支,水利科学重要的基础理论。学科特点:鲜明的实践性。
河流动力学:研究河道水流、泥沙运动和河床演变规律及应用的学科。研究基本内容:河道水流结构、河流泥沙运动、河床演变、河流模拟、工程泥沙。
学科体系
狭义河流动力学
泥沙运动力学(mechanics of sediment transport)
泥沙:受流体、冰川、重力等作用运动后沉积下来的固体颗粒。
研究泥沙在流体中冲刷、搬运、沉积规律的学科,是河流动力学的重要分支(另一分支为河床演变学)。
特点:微观角度,力学方法为主。
中国古代的治河名人(三人半?)
大禹(公元前21世纪):
从“壅防百川,随高堙(音因)痺(音毕)”到“疏川导滞”
李冰(公元前256年):
蜀守冰凿离堆,辟沫水之害,穿二江成都之中。
水旱从人,不知饥馑,时无荒年,天下谓之天府也。
王景(公元69年,东汉):分水分沙,滞洪放淤
“河、汴分流”;“十里立一水门,令更相洄注”。
黄河800年安宁。
潘季驯(公元1521-1595,明):世界第一位泥沙工程师?
从“疏、导”到“筑堤束水,以水攻沙”
“河务一团糟”,黄河无决溢最长仅10年。
近代河流动力学大事记
15世纪达·芬奇采用科学的观测和实验方法研究水力学,包括泥沙运动规律。
1879年杜波依提出推移质运动的拖曳力理论。
1895年肯尼迪研究灌溉渠道稳定问题,提出“均衡理论”。
1898 恩格斯(H. Engels)创建第一个研究河渠问题的试验室。
1914 吉尔伯特进行了大规模泥沙运动试验研究。
1933 奥布耐恩和马卡维耶夫提出悬移质扩散理论。
1934 梅耶彼特(E. Meyer Peter)推移质实验
1936 希尔兹(A. Shields)提出关于泥沙起动的希尔兹曲线
1942 爱因斯坦(H. Einstein) 推移质输沙率公式及1950年后的床沙质挟沙能力计算方法。
1975 范诺尼(V. Vanoni)《泥沙工程》
1983 钱宁《泥沙运动力学》、《河床演变学》
泥沙的利与弊
利:
重要的工程材料
建筑地基
工业原料
淤灌农田
弊:
淤塞河道,抬高洪水
水库渠系的淤积失去作用
淤塞航道、码头影响通航
磨损水轮机、泄洪工程
无坝枢纽引水防沙
千年古堰
建于公元前三世纪,是中国战国时期秦国蜀郡太守李冰及其子率众修建的一座大型水利工程,
都江堰渠首工程主要有鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分构成,科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题,消除了水患,使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。目前灌溉面积已达40余县,1998年超过一千万亩。
都江堰治水韬略
“乘势利导、因时制宜”的治水指导思想,放之四海而皆准的治水哲学
“岁必一修”的管理制度
“遇湾截角、逢正抽心”的治河原则,
“砌鱼嘴,立湃缺,深淘滩、低作堰”的引水、防沙、泄洪之管理经验和治堰准则。