分布公式作了分析，认为实测资料表明，在含沙量较高的水流中，它具有较对数公式更高 的精度。指数流速分布公式的形式为 剧 (1-8) 或沿垂线积分将其改写为如上形式 - (1-9) 式中，U为垂线平均流速：m为指数，常以上形式表示，在清水水流中均等于，流 n 67 速分布愈均匀，m值愈小(n值愈大)：在浑水水流中，含沙量高（但非高含沙水流），m值 愈大(n值愈小)，如图1一3所示。由图还可看出，在临近河床部位，式(1-8)较式(17) 更符合实际在其余部位，两式数值甚为接近 (2)确定三维河道水流流速分布的经验方法 当河道水流具有较强的三维性时，没有公式可供借鉴，而流速分布是分析研究各个方面 水流性质的极其重要的物理量，张瑞瑾建议按照下面的方法来解决这个问趣"。 在所研究的河段中进行实测，或在物理模型中进行观测，直接或间接得到所需掌握的湍 速分布资料。必要时，以这些资料为基础，建立具体表达河段流速沿垂线分布的方程式。这 种方程式，也可以被引用到条件比较类似的其它河段，但必须经过原型或模型的实测资料的 验证 ”=1.0 1.0 10101.010L01010 1.010 0.4S=0 01.33.177.119.3368.726.8210.203.6637.8d2580I n635.7244743.737 0.2=04p 0.36851530.1002740146/0. 0. 00g 0.0 0.01 7 -式(1-8)；---式(16) 图1一3流速分布的验证 二、河道水流中环流结构
前面己经提到，河道中除了主流外，还有各种副流，其中具有螺旋性或者封闭性的剧流 称为环流。本节将在介绍环流类型的基础上，着重分析河道水流最重要的因离心力引起的弯 道环流结构。 1.环流的类型 因产生原因的不同，环流可以分为因离心力产生的弯道环流、因柯里奥里(G.Coriorid) 力而产生的环流山、因水流与固体周界分离而产生的环流等等。 水流处于弯道段时，由于离心力的作用，水流表面的平衡状态被打破。表层水流的流速 大于底部水流的流速，因而表层水流所受到的离心力远大于底部水流受到的离心力，表面水 流将因为离心力的作用而流向凹岸，由于水流的连续性原理，底部水流虽然也受到离心力的 作用，但受到的离心力小于表层水流，所以只能从凹岸流向凸岸。这样从水流的横断面上看， 就形成了表层水流从凸岸流向凹岸、底部水流从凹岸流向凸岸的“旋流”，即环流。弯道环 流是河道水流中最常见、最重要的因离心惯性力而产生的环流啊。 因水流与周体周界发生分离而产生环流的情况是多式多样的，例如在河槽的一侧或两侧 突然放宽处，不可避免地要发生水流分离现象，原来贴近固体周界的水流，在分离点以下， 脱离固体周界，形成无所依附的流带。流带的一侧为正流，另一侧为封闭式环流：图14给 出了部分因边界分离引起的环流 分面 分界面、 分离 ()突然扩宽产生的整辅环流)因数弯形成的竖轴环流（⊙）过急弯道下游竖轴环流 -I 界面 分界面 分离点 平面图 断面图 (④？脊下游的斜轴环流 (©)突然加深产生的横转环流 图1一4水流与固体周界分离产生的环流 2.弯逍环流结构 水流在弯道内作曲线运动的时候，必然产生指向四岸的离心力，水流为了平衡这个力 通过调整，使得凹岸的水面升高，凸岸方向的水面降低，从而形成横比降。图15便表示这 种情况。在图15中取长、宽各一个单位的水柱来观察。这个水体沿横向(O轴的方向) 的受力情况如图16。图中P及P2为两侧的水压力，T为底部的摩擦力，F为离心力，在这
里，作了一个很重要的假设，即假设所考虑的环流是二维恒定的，在水柱的上游和下游铅直 面中都没有内摩阻力。这样，我们可以为这个水柱写出横向动力平衡方程式 图1-5弯道环流(a)平面，b)横剖面 图1-6弯道中水柱受力情况 F+T+P-P=0 (1-10) Fh+)a是 R=yh B-37(h+1.) 并考虑到水柱的底面很小，摩擦力T可以忽略不计，故得 2+)aag5-a+f-0 因系小值，上式中号可以怎路不计同可取办,故上式可驾为 或 (1-11) 由于2为离心力加速度，g为重力加速度。故」，为高心力连度和重方加速度二者的 比值。式中流速分布系数a,可根据流速分布公式求得。如果采用卡门-普兰特的对数流速
分布公式（式(1-7）)并将共改写为 (1-12) Ck 划闲 4as=l++w=1+品 因此 中忌]保 (1-13) 式中，5=方：C为谢才系数：其余符号意义同微。 沿O,轴的不同的水柱，铅直线上的纵向平均流速U,曲率半径R均不同，因而横向比 降J也不同。事实上，在弯道上横剖面中的水面线是一条曲线，而不是一条直线。 图1一6中的水压力B和P以及离心力F都是沿垂线非均匀分布的。上层流体所受的合力 向右，下层流体所受的合力向左，因而分别发生向右和向左的流动（图1一7）.如果结合图 1一7来看，也就是表层的水流向四岸，底层的水流向凸岸，在横断面上的投影将形成一个 封闭的环流。实际上横向水流与纵向水流结合在一起，将构成弯道中的螺旋流 (b) (c) d 图1一7作用于水柱的力的分布和流速分布 (a水压力分布：(b)高心力分布：()合力分布；（仙流速分布 第四节河流泥沙的来源及组成 河流中的泥沙，包括组成河床及随水流运动的泥沙，其基本特性（包括泥沙的来源、矿 物成分、几何特性、重力特性以及物理化学特性)的不同，将直接影响若河流泥沙的冲刷、 输移和沉积过程，由此改变河流的演变发展结果。水轮机叶片的磨损会因为泥沙矿物成分的 不同、硬度的不同而不同：粗细泥沙对黄河下游河道淤积抬升所起的作用不同，因此对黄河 中游水土流失严重的黄土高原的治理应该首先抓住粗泥沙来源区，等等。因此，在研究河流 14
泥沙运动规律之前，有必要先了解泥沙的基本特性 一、河流泥沙来源 泥沙来源于岩石风化，因此，河流泥沙的最根本来源是岩石的风化。 1.影响土壤侵蚀的因素 河流中运动着的泥沙，其来源主要包括流域地表的冲蚀和河床的冲刷，风沙运动给河流 带来的泥沙首先在规模上不如前二者：其次，从广义的角度也可以归入流域地表的冲蚀：再 者，风沙运动带来的泥沙绝大部分属于冲泻质，对河流的冲淤影响较小。 流域地表的侵蚀与气候、土媒、地形地貌及人类活动等因素有关，参见表1-1 表11影响土壤侵蚀的主要因素 影响因素 有关内容 主要因素 气候因素 降雨、温度、太阳能和风 降雨，特别是降雨强度 地形因素 坡度和坡长 坡度更重要 植被因素 植被冠层对水流的阻留，径流速 对降雨的阻留 度减弱，根系对土壤结构的促进 土塊因素 接纳雨水的能力，抗分散的能力抗分散能力 人类活动影响 既有减少侵蚀，又有加快侵蚀 2.流域产沙量估算 在某个断面或者特定的实际内对指定的流域实际量测的总沙量称之为该流域在该时段 内的产沙量。有多种方法研究流域产沙，如经验相关方法、概念模型法、随机理论法和物理 成因法等。如经验相关，以类国的通用土壤流失方程为代表： E-RKLSCP (1-14) 其中E为特定地块的平均年土壤流失量： R为年降雨侵蚀力因素： K为土壤因子： L和S为地块的坡度和坡长 C为作物管理措施因子： P为水土保持措施因子 3.我国土城侵蚀简况 我国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失面积约为国土面积的16。在我国 流域的水量大部分是由降雨汇集而来，土壤侵蚀本身存在若密切的水沙关系。土壤结构松散， 植物覆被较差，水土流失就比较严重。例如黄河中游的黄土地区，7一8月份降雨最多，且 多为暴雨，其它条件也较差，所以地表侵蚀最为严重：而在我国南部省份，虽然也有暴雨 但土案结构密实，植物覆被较好，所以其输沙量模数多在1000/km2·a)以下，地形对流域 的侵蚀，也起着重要的作用。坡度大则地面径流下渗量小，汇流速度大，侵蚀作用也随之增 大，侵蚀量也随坡长的增大而增加。 15