清华河流动力学概论第1章课件1.pdf

《清华河流动力学概论第1章课件1.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《清华河流动力学概论第1章课件1.pdf（106页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、清华大学水利系河流动力学概论 河 流 动 力 学 概 论 河 流 动 力 学 概 论 2 清华大学水利系河流动力学概论 第一章 河流系统与人类活动 第二章 泥沙颗粒基本性质 第三章 床面形态与水流阻力 第四章 泥沙的起动与推移运动 第五章 悬移质运动和水流挟沙力 第六章 河道演变的基本原理 河网理论 河网分级与河网自相似 第七章 冲积河流的河型 第一章 河流系统与人类活动 第二章 泥沙颗粒基本性质 第三章 床面形态与水流阻力 第四章 泥沙的起动与推移运动 第五章 悬移质运动和水流挟沙力 第六章 河道演变的基本原理 河网理论 河网分级与河网自相似 第七章 冲积河流的河型 讲课内容讲课内容 3 清

2、华大学水利系河流动力学概论 周次日期章节内容 1 2014. 9.25第第1章河流系统、河流演变过程及人类作用章河流系统、河流演变过程及人类作用 210.9第第1，2章人类活动对河流的影响章人类活动对河流的影响, 泥沙颗粒性质泥沙颗粒性质 310.11(调课调课)第第2章泥沙颗粒性质，颗粒沉速章泥沙颗粒性质，颗粒沉速 410.16第第3章床面形态章床面形态 510.23第第3章阻力分解和计算章阻力分解和计算 610.30第第4章颗粒起动分析章颗粒起动分析, 稳定渠道断面稳定渠道断面 711.6第第4章推移质运动章推移质运动 811.13第第5章悬移质运动章悬移质运动 911.20第第5章水流挟

3、沙力章水流挟沙力 1011.27第第6章河道演变原理章河道演变原理 1112.4第第6章河相关系章河相关系, 造床流量造床流量 1212.11河网理论河网分级与河网自相似河网理论河网分级与河网自相似 1312.18河网理论自相似河网统计规律与平面填充性质河网理论自相似河网统计规律与平面填充性质 1412.25第第7章河型成因及分类，冲积河道演变章河型成因及分类，冲积河道演变 152015.1.1元旦放假元旦放假 162015.1.8第第7章、 课程总结河型判别章、 课程总结河型判别; 习题讲评，复习要点习题讲评，复习要点 17 复习，考试复习，考试 18 2 字班 河流动力学概论教学计划 二一

4、四年九月 字班 河流动力学概论教学计划 二一四年九月 二一五年一月 二一五年一月 4 清华大学水利系河流动力学概论 河流动力学概论河流动力学概论 Introduction to River Mechanics 主讲主讲: 邵学军、李铁键助教邵学军、李铁键助教: 周雄冬 上课时间每周四 周雄冬 上课时间每周四9:5010:35, 10:4011:25 上课地点四教上课地点四教 4104 成绩评定方法成绩评定方法 教材习题作业：教材习题作业：10% 河网理论大作业：河网理论大作业： 5% 满分：满分：100分 期末考试： 分 期末考试：85% 5 清华大学水利系河流动力学概论清华大学水利系河流动力

5、学概论 河源区河源区 (侵蚀侵蚀, erosion) 山区河道山区河道 (下切河道下切河道, incised channel) 平原河道平原河道 (冲积河道冲积河道, alluvial channel) 河口 径流形成径流运动径流消散 河口 径流形成径流运动径流消散 水文水文,水资源水资源 侵蚀产沙泥沙输移泥沙沉积侵蚀产沙泥沙输移泥沙沉积河流动力学河流动力学 河谷下切河道摆动河型变化河谷下切河道摆动河型变化 河流地貌学河流地貌学 1年年 100年年 110万年万年 多重时间尺度问题多重时间尺度问题 特特征时间尺度越大征时间尺度越大,样 本越有限 样 本越有限,研究难度越大研究难度越大 水的运动

6、 地表物质 的运动 水的运动 地表物质 的运动 地貌变化地貌变化 对同一现象采用不同视角来研究?不同学科对同一现象采用不同视角来研究?不同学科 因 果 关 系 因 果 关 系 6 清华大学水利系河流动力学概论 本课程的特点本课程的特点 知识碎片化：知识碎片化：水沙运动、河道演变等自然过程的机理都极 为复杂、琐碎。特别是天然泥沙颗粒的物性存在极大的差异， 不能概化为连续介质，所以流域过程的全部机理还不能像流体 力学、固体力学教科书那样精炼成一个统一的“本构方程”， 只能集成为流域模型。因此，河流动力学研究中重点是针对各 局部的自然过程进行深人研究，剖析其过程机理，进行模拟和 预测。 水沙运动、河

7、道演变等自然过程的机理都极 为复杂、琐碎。特别是天然泥沙颗粒的物性存在极大的差异， 不能概化为连续介质，所以流域过程的全部机理还不能像流体 力学、固体力学教科书那样精炼成一个统一的“本构方程”， 只能集成为流域模型。因此，河流动力学研究中重点是针对各 局部的自然过程进行深人研究，剖析其过程机理，进行模拟和 预测。 理论个性化：理论个性化：对同一问题的研究中，需要兼容不同的学术 思想和不同的学派。一位学者建立和发展某种理论的过程往往 与其个人经历、知识结构有很大关系，所以课件中介绍经典理 论的同时，也简要介绍了几位相关学者的生平。 对同一问题的研究中，需要兼容不同的学术 思想和不同的学派。一位学

8、者建立和发展某种理论的过程往往 与其个人经历、知识结构有很大关系，所以课件中介绍经典理 论的同时，也简要介绍了几位相关学者的生平。 随时要消化：随时要消化：本课程学习过程中，讲课时提到的各种概念 较为庞杂，需随时消化理解每一章中具体而琐碎的内容。否则 积累到期末复习，面对各种细节很难重新理出清晰的头绪。 本课程学习过程中，讲课时提到的各种概念 较为庞杂，需随时消化理解每一章中具体而琐碎的内容。否则 积累到期末复习，面对各种细节很难重新理出清晰的头绪。 7 清华大学水利系河流动力学概论 第一章 河流系统与人类活动第一章 河流系统与人类活动 1 河流、流域与地球的各种动态系统 动态系统与平衡的概念

9、 地质构造系统、水文系统及其子系统 2 流域侵蚀与泥沙的输运 流域内的土壤侵蚀和土地退化 河流系统中的泥沙输运 3 人类活动对流域和河流自然过程的影响 对流域水文过程的影响 对河流输沙功能的影响 人类活动的积极作用: 流域,河流和湿地的生态恢复 8 清华大学水利系河流动力学概论 地球动态系统地球动态系统地球动态系统地球动态系统 水分和大气的运动过程水分和大气的运动过程水分和大气的运动过程水分和大气的运动过程地貌过程：地球表面不断受到流水侵蚀地貌过程：地球表面不断受到流水侵蚀地貌过程：地球表面不断受到流水侵蚀地貌过程：地球表面不断受到流水侵蚀 原有地貌消失、新的风 化或冲积地貌形成过程 原有地貌

10、消失、新的风 化或冲积地貌形成过程 原有地貌消失、新的风 化或冲积地貌形成过程 原有地貌消失、新的风 化或冲积地貌形成过程 地球总是具有一 个年轻的表面 地球总是具有一 个年轻的表面 地球总是具有一 个年轻的表面 地球总是具有一 个年轻的表面 引发 导致 结果 引发 导致 结果 由于水的存在而 不同于其他行星 由于水的存在而 不同于其他行星 太阳系中其他具有固体岩石表面的 行星(水星、金星、火星和月球)上， 由于地质构造运动不显著、没有流水 侵蚀作用，它们的表面上几乎完好地 保留了地质历史上各种“古老”的遗 迹，如火山锥(火星和金星)、陨石坑 (水星和月球) 太阳系中其他具有固体岩石表面的 行

11、星(水星、金星、火星和月球)上， 由于地质构造运动不显著、没有流水 侵蚀作用，它们的表面上几乎完好地 保留了地质历史上各种“古老”的遗 迹，如火山锥(火星和金星)、陨石坑 (水星和月球) 9 清华大学水利系河流动力学概论 地球动态系统地球动态系统地球动态系统地球动态系统 由于水的存在而 不同于其他行星 由于水的存在而 不同于其他行星 地球上全部水的体积 地球上全部大气的体积 地球上全部水的体积 地球上全部大气的体积 10 清华大学水利系河流动力学概论 月球：无大气运动，无 搬运现象 ，很多古老痕 迹完整保留（这在地球 上是无法想象的） 月球上，数千 万年前巨石滚 动的痕迹还完 好地保留着 月球

12、上，数千 万年前巨石滚 动的痕迹还完 好地保留着 11 清华大学水利系河流动力学概论 地球上有丰沛的气、液、固态 水存在，有水文系统的运行，其 表面面貌完全不同于其它已知的 行星。可以说，河道水流的存在 是地球区别于其它所有已知行星 的主要标志。 12 清华大学水利系河流动力学概论 地质过程中最重要的两类动态系统地质过程中最重要的两类动态系统地质过程中最重要的两类动态系统地质过程中最重要的两类动态系统 开放系统开放系统(open system)，它与外 部环境既交换能量，又交换物质 ，它与外 部环境既交换能量，又交换物质 热能在不断地流失，但其 中的物质并没有增加或减 少 热能在不断地流失，但

13、其 中的物质并没有增加或减 少(没有蒸发、没有入渗没有蒸发、没有入渗) 例如例如: 冷却过程 中的岩浆流 冷却过程 中的岩浆流 水、泥沙和能量通过边界与 外部环境不断地进行交换 水、泥沙和能量通过边界与 外部环境不断地进行交换 例如例如: 河流， 冰川，海洋 河流， 冰川，海洋 封闭系统封闭系统(closed system)，它 与外部环境只有能量的交换 ，它 与外部环境只有能量的交换 岩浆流 河流 岩浆流 河流 13 清华大学水利系河流动力学概论 降雨不断补给河流中的水体，洪水沿途又 要挟裹两岸的物质, 所以河流是开放系统。 降雨不断补给河流中的水体，洪水沿途又 要挟裹两岸的物质, 所以河流

14、是开放系统。 河流水系是一种最常见的开放系统河流水系是一种最常见的开放系统 边界： 能量交换： 物质输入： 物质输出： 河床、水面等 水流势能的补给与沿程消耗 降水或地下水的补给 河水沿程渗漏、蒸发，或流 向海洋、内陆湖泊 14 清华大学水利系河流动力学概论 地球的各种 动态系统寻 求平衡状态 地球的各种 动态系统寻 求平衡状态 滑坡滑坡 山体岩石寻求平衡状态山体岩石寻求平衡状态 火山喷发火山喷发高压岩浆寻求平衡状态高压岩浆寻求平衡状态 地 震地 震板块构造寻求平衡状态板块构造寻求平衡状态 河流改道河流改道悬河洪水寻求平衡状态悬河洪水寻求平衡状态 在所有动态系统中，都存在着建立和维持平衡 的趋

15、势。平衡状态 在所有动态系统中，都存在着建立和维持平衡 的趋势。平衡状态(equilibrium)是指一种能量最低是指一种能量最低 (lowest possible energy)的状态的状态 动态系统的平衡状态动态系统的平衡状态 1515 清华大学水利系河流动力学概论 静平 衡 静平 衡 平衡状态的判别方法平衡状态的判别方法平衡状态的判别方法平衡状态的判别方法 对动态系统的微小扰动，不能使系统失去平衡状态。对动态系统的微小扰动，不能使系统失去平衡状态。对动态系统的微小扰动，不能使系统失去平衡状态。对动态系统的微小扰动，不能使系统失去平衡状态。 平衡状态(equilibrium)是指 一种能量

16、最低 (lowest possible energy)的状态 平衡状态(equilibrium)是指 一种能量最低 (lowest possible energy)的状态 任何扰动都 不导致失稳 任何扰动都 不导致失稳 任何扰动都 不导致失稳 任何扰动都 不导致失稳 任何扰动都 导致失稳 任何扰动都 导致失稳 任何扰动都 导致失稳 任何扰动都 导致失稳 扰动达到阈值 后导致失稳 扰动达到阈值 后导致失稳 扰动达到阈值 后导致失稳 扰动达到阈值 后导致失稳 16 清华大学水利系河流动力学概论 热力学“平衡状态”的概念与日常口语中的所谓“平衡”是不同的： 日常口语： 热力学“平衡状态”的概念与日常

17、口语中的所谓“平衡”是不同的： 日常口语：站着的人“保持了平衡”，倒下的人“失去了平衡”；站着的人“保持了平衡”，倒下的人“失去了平衡”； 热力学：热力学：站着的人“未达到平衡状态”，倒下的人“处于平衡状态”。站着的人“未达到平衡状态”，倒下的人“处于平衡状态”。 17 清华大学水利系河流动力学概论 “处于平衡状态处于平衡状态”：小球 对于平衡位置的小偏离， 可自动恢复。 ”：小球 对于平衡位置的小偏离， 可自动恢复。 “处于平衡位置处于平衡位置”：小球对 于平衡位置的小偏离，很可 能会自动加大而不可恢复。 ”：小球对 于平衡位置的小偏离，很可 能会自动加大而不可恢复。 “平衡状态”“平衡状态

18、”:系统能量是最低的系统能量是最低的 平衡位置平衡位置 (hang in the balance) 平衡状态平衡状态 (Equilibrium) Equilibrium 平衡状态的判别方法平衡状态的判别方法 18 清华大学水利系河流动力学概论 亚稳定不是平衡状态。足够大的扰动可使看起来 很稳定的物体改变现有状态、寻求真正的平衡状态。 地震时，山石滚下，砸向依山而建的住宅楼地震时，山石滚下，砸向依山而建的住宅楼 19 清华大学水利系河流动力学概论 2014年年8月月8日，地震造成巧家县包谷垴 乡红石岩村出现堰塞湖，威胁下游人民安 全。参与抢险的解放军工程兵用浮桥向堰 塞体运输挖机时，突然遭遇余震

19、，余震造 成堰塞湖上方山体滑坡，落石飞滚而下， 场景紧张到让人无法呼吸。浮桥紧急避让， 所有人员安全到达目的地。 日，地震造成巧家县包谷垴 乡红石岩村出现堰塞湖，威胁下游人民安 全。参与抢险的解放军工程兵用浮桥向堰 塞体运输挖机时，突然遭遇余震，余震造 成堰塞湖上方山体滑坡，落石飞滚而下， 场景紧张到让人无法呼吸。浮桥紧急避让， 所有人员安全到达目的地。 20 河流动力学基础 河流动力学中多年的研究表明，平原冲积 河流比较稳定的平面形态是弯曲河道，因为此 时由于河道的弯曲，使得流路较长，在整条河 流两端高差不变的条件下，达到能够输运来沙 的最小比降(单位河长上水流所提供的功率最 小), 河槽形

20、态处于稳定状态。 河流动力学中多年的研究表明，平原冲积 河流比较稳定的平面形态是弯曲河道，因为此 时由于河道的弯曲，使得流路较长，在整条河 流两端高差不变的条件下，达到能够输运来沙 的最小比降(单位河长上水流所提供的功率最 小), 河槽形态处于稳定状态。 河流动力学中多年的研究表明，平原冲积 河流比较稳定的平面形态是弯曲河道，因为此 时由于河道的弯曲，使得流路较长，在整条河 流两端高差不变的条件下，达到能够输运来沙 的最小比降(单位河长上水流所提供的功率最 小), 河槽形态处于稳定状态。 河流动力学中多年的研究表明，平原冲积 河流比较稳定的平面形态是弯曲河道，因为此 时由于河道的弯曲，使得流路

21、较长，在整条河 流两端高差不变的条件下，达到能够输运来沙 的最小比降(单位河长上水流所提供的功率最 小), 河槽形态处于稳定状态。 河流最小功率原理河流最小功率原理 河 流 有 达 到 平 衡 状 态 的 趋 势 河 流 有 达 到 平 衡 状 态 的 趋 势 能量原理与河流的平衡状态能量原理与河流的平衡状态 21 1.在封闭系统中成立的定律，能应用在开放系统中吗？ 2.这个“原理”对人类意味着什么？人类怎么对待它？ 1.在封闭系统中成立的定律，能应用在开放系统中吗？ 2.这个“原理”对人类意味着什么？人类怎么对待它？ 1.在封闭系统中成立的定律，能应用在开放系统中吗？ 2.这个“原理”对人类

22、意味着什么？人类怎么对待它？ 1.在封闭系统中成立的定律，能应用在开放系统中吗？ 2.这个“原理”对人类意味着什么？人类怎么对待它？ 在封闭系统中成立的 河流最小功率原理 在封闭系统中成立的 河流最小功率原理 “在给定的来水来沙条件下，河流最终会达到平衡状态， 即在满足输沙的前提下使河道中水流的耗能率最小。” “在给定的来水来沙条件下，河流最终会达到平衡状态， 即在满足输沙的前提下使河道中水流的耗能率最小。” 清华大学水利系河流动力学概论 能量原理与河流的平衡状态能量原理与河流的平衡状态 22 清华大学水利系河流动力学概论 三种系统：三种系统： 1）与外界没有任何能量和物质交换的系统称为孤立系

23、统； (比如，碗里的小球；有理想绝热性能的密封暖水瓶) 2）与外界有能量交换但没有物质交换的系统称为封闭系统； (碗里不断被拨动的小球；试验性质的自循环密封温室) 3）与外界既有能量交换又有物质交换的系统称为开放系统。 (自然界很多动态系统都属此类) 1）与外界没有任何能量和物质交换的系统称为孤立系统； (比如，碗里的小球；有理想绝热性能的密封暖水瓶) 2）与外界有能量交换但没有物质交换的系统称为封闭系统； (碗里不断被拨动的小球；试验性质的自循环密封温室) 3）与外界既有能量交换又有物质交换的系统称为开放系统。 (自然界很多动态系统都属此类) 23 清华大学水利系河流动力学概论 动态系统的三

24、种“稳定”状态：动态系统的三种“稳定”状态： 1） 孤立系统的平衡态：1） 孤立系统的平衡态： 指在指在没有外界影响没有外界影响的情况下，系统内各部分长时间不发 生任何变化的状态。(例如失去太阳能输入的大气层) 2） 封闭系统的定态： 的情况下，系统内各部分长时间不发 生任何变化的状态。(例如失去太阳能输入的大气层) 2） 封闭系统的定态： 指指存在外界影响、但外界条件稳定不变存在外界影响、但外界条件稳定不变的情况下，系统 内各部分长时间不发生任何变化的状态。(现在的大气层) 3）开放系统在非平衡状态下的有序结构： 的情况下，系统 内各部分长时间不发生任何变化的状态。(现在的大气层) 3）开放

25、系统在非平衡状态下的有序结构： 指在远远偏离平衡状态的情况下，指在远远偏离平衡状态的情况下，借助于外界的能流和 物质流而维持的 借助于外界的能流和 物质流而维持的一种空间或时间的有序结构，又称耗散结构。 (大平原上被“严防死守”的冲积河道悬河) 一种空间或时间的有序结构，又称耗散结构。 (大平原上被“严防死守”的冲积河道悬河) 河流是开放系统。河流是开放系统。 河流水系达到平衡态意味着地势夷平，侵蚀抵达基准点。河流水系达到平衡态意味着地势夷平，侵蚀抵达基准点。 在能量和物质强烈交换的条件下，河流可成为在能量和物质强烈交换的条件下，河流可成为有序结构有序结构。(也就 是当人工整治的力度很大时，所

26、出现的情况 也就 是当人工整治的力度很大时，所出现的情况-远远偏离平衡状态远远偏离平衡状态) 24 河 流 的 平 衡 状 态 就 意 味 着 灾 难 人 们 必 须 阻 止 河 流 趋 向 平 衡 状 态 河 流 的 平 衡 状 态 就 意 味 着 灾 难 人 们 必 须 阻 止 河 流 趋 向 平 衡 状 态 25 事物运动的表面现象背后，必有一个动力原因；现象与原 因之间必有一种因果关系，可以用数学形式严密地表达出来。 力学上的牛顿三定律就是用数学方法表达出来的宏观物体运 动现状的因果关系律。 工程应用中，需要知道泥沙冲淤、河道演变的定量细节， 而这只能靠基于牛顿定律的水沙运动方程组来提

27、供。 能量极值原理并非唯一的正确理论 用牛顿力学方法研究河道演变有其优势 能不能列出一组非线性偏微分方程，然后像预测天体 运动那样把河流各种形态演算出来？ 为什么有的河流冲刷下切，有的河流堆积抬高？ 为什么有的河道辫状、散乱，也有的河道单一、蜿蜒？ 第七章里会再探讨这个问题。 27 清华大学水利系河流动力学概论 水文系统是地球上最大、最复杂的动态系统之一，其中包含了同样复杂的 多个子系统，这些子系统通常是开放系统 水文系统是地球上最大、最复杂的动态系统之一，其中包含了同样复杂的 多个子系统，这些子系统通常是开放系统。 水文系统是地球上最大、最复杂的动态系统之一，其中包含了同样复杂的 多个子系统

28、，这些子系统通常是开放系统 水文系统是地球上最大、最复杂的动态系统之一，其中包含了同样复杂的 多个子系统，这些子系统通常是开放系统。 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 河流是水文系统中的一个主要子系统 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 水文系统及其子系统水文系统及其子系统 大气-海洋系统 坡面系统 冰川系统 滨岸系统 风成沉积系统 河流系统 大气-海洋系统 坡面系统 冰川系统 滨岸系统 风成沉积系统 河流系统 清华大学水利系河流

29、动力学概论 28 29 清华大学水利系河流动力学概论 子系统: 大气层-海洋系统子系统: 大气层-海洋系统 (Atmosphere-ocean system) 1. 其本质是个热对流系统，输运水、热； 2. 这个系统有稳定的格局； 3.人类对它的影响很小，它对人类的影响很大。 1. 其本质是个热对流系统，输运水、热； 2. 这个系统有稳定的格局； 3.人类对它的影响很小，它对人类的影响很大。 30 清华大学水利系河流动力学概论 全球大气环流全球大气环流 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 ( (W. K. Ham

30、blin & E. H. Christiansen, Earths Dynamic Systems, 10th ed., Prentice-Hall Inc./Pearson Education Ltd., 2003) 哈 德 莱 元 胞 哈 德 莱 元 胞 南北贸易 风汇聚带 南半球贸易风带 西风带 西风带 副热带高 空急流带 极地冷锋高 空急流带 北回归线 南回归线 极地东风带 极地东风带 极地冷锋高 空急流带 南北贸易 风汇聚带 南半球贸易风带 西风带 西风带 副热带高 空急流带 极地冷锋高 空急流带 北回归线 南回归线 极地东风带 极地东风带 极地冷锋高 空急流带 北半球贸易风带北半球

31、贸易风带 赤道赤道 31 清华大学水利系河流动力学概论 全球气候格局(图示为全球气候格局(图示为7月上旬)月上旬) 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 ( (W. K. Hamblin & E. H. Christiansen, Earths Dynamic Systems, 10th ed., Prentice-Hall Inc./Pearson Education Ltd., 2003) 哈 德 莱 元 胞 剖 面 图 哈 德 莱 元 胞 剖 面 图 南北贸易风汇聚带 副热带高压 极 地 冷 锋 北回归线 南

32、回归线 北极圈 极 地 冷 锋 副热带高压 南北贸易风汇聚带 副热带高压 极 地 冷 锋 北回归线 南回归线 北极圈 极 地 冷 锋 副热带高压 南极圈 赤道 图中陆地上的等值色块 表示多年平均月降雨量 南极圈 赤道 图中陆地上的等值色块 表示多年平均月降雨量 32 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 由图可见，哈德莱环流元胞 落地处 由图可见，哈德莱环流元胞 落地处(北纬、南纬的北纬、南纬的30o附近附近) 均为沙漠均为沙漠(因落下来的是脱水的 干燥冷空气 因落下来的是脱水的 干燥冷空气)。但受地形起伏影 响，

33、也有例外。例如青藏高原 对大气循环的干扰，使得中国 东南部成为湿润的地区；北美 的落基山脉对美国东南部的影 响是类似的。 。但受地形起伏影 响，也有例外。例如青藏高原 对大气循环的干扰，使得中国 东南部成为湿润的地区；北美 的落基山脉对美国东南部的影 响是类似的。 换句话说，想要通过改变 地形来影响气候，那至少要 有几千米的地形起伏变化。 所以“三峡大坝引起了气候 变化”的说法实在是过高估 计了人类的能力。 换句话说，想要通过改变 地形来影响气候，那至少要 有几千米的地形起伏变化。 所以“三峡大坝引起了气候 变化”的说法实在是过高估 计了人类的能力。 清华大学水利系河流动力学概论 中国的水汽路

34、径示意图 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 33 河流动力学基础 42.0% 23.5% 22.5% 12.0% 平均年输入水汽量：平均年输入水汽量：182154亿亿m3 平均年输出水汽量：平均年输出水汽量：158354亿亿m3 年均净输入水汽量：年均净输入水汽量：23800亿亿m3 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 2008年10月27-28 持续强降雪 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸

35、系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 台风“韦帕” 2007.9.19 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 2006年年8月月10日在福建登陆的台风“桑美”是自日在福建登陆的台风“桑美”是自1949年以来登 陆的最强台风，登陆强度超过了摧毁新奥尔良的飓风 年以来登 陆的最强台风，登陆强度超过了摧毁新奥尔良的飓风Katrina. 台风是大气海洋系统耗散自己能量的一种常见方式， 就如同河流里的漩涡一样。随着大气层对太阳能的吸收和 聚集效率变强，这类极端破坏性天气将变得更常见。 台风是大气海洋系统耗散自己能量的

36、一种常见方式， 就如同河流里的漩涡一样。随着大气层对太阳能的吸收和 聚集效率变强，这类极端破坏性天气将变得更常见。 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 福岛核污染在大气层-海洋系统中迅速传遍太平洋 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 福岛核污染在大气层-海洋系统中迅速传遍太平洋 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 福岛核污染在大气层-海洋系统中迅速传遍

37、太平洋 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 福岛核污染在大气层-海洋系统中迅速传遍太平洋 41 清华大学水利系河流动力学概论 子系统 : 坡面系统 (Slope system) 青海祁连卓尔山的典型坡面景观青海祁连卓尔山的典型坡面景观 42 清华大学水利系河流动力学概论 青海省祁连县八宝镇的卓尔山风景区，大规模缓坡耕作，没有梯田体系青海省祁连县八宝镇的卓尔山风景区，大规模缓坡耕作，没有梯田体系 43 清华大学水利系河流动力学概论 祁连卓尔山景观全貌祁连卓尔山景观全貌 44 清华大学水利系河流动力学概论 云南省迪庆

38、香格里拉县的“五彩坡”云南省迪庆香格里拉县的“五彩坡” 坡度明显较陡，所以虽没有梯田体系，但用了水平植被带阻滞顺坡侵蚀坡度明显较陡，所以虽没有梯田体系，但用了水平植被带阻滞顺坡侵蚀 45 清华大学水利系河流动力学概论 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 中国全部陆地面积中, 高原、山地丘陵占 69%，盆地占19%， 平原仅占12%。 46 清华大学水利系河流动力学概论 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 滑坡滑坡 山体崩塌山体崩塌

39、坡面流水力侵蚀坡面流水力侵蚀 1 坡面系统的主 要动力过程 坡面系统的主 要动力过程 2 3 流域泥沙的主要来源 47 清华大学水利系河流动力学概论 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 48 清华大学水利系河流动力学概论 滑坡 在特大暴风雨情况下，良好的植被反而可能促使滑坡的发生。在特大暴风雨情况下，良好的植被反而可能促使滑坡的发生。 良好植被截流水分增多，表层自重 增大, 土的力学性质改变、机械强度 大幅降低；风力又可直接通过树干、 树根作用于坡面，增大了荷载。 良好植被截流水分增多，表层自重 增大, 土的力学

40、性质改变、机械强度 大幅降低；风力又可直接通过树干、 树根作用于坡面，增大了荷载。 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 49 清华大学水利系河流动力学概论 2006.7.21发生在日本中西部地区的滑坡和泥石流发生在日本中西部地区的滑坡和泥石流 11/47 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 50 清华大学水利系河流动力学概论 中国滑坡发育极密集区包 括云贵高原大部、四川西 部直至甘肃南部等地。 中国滑坡发育极密集区包 括云贵高原大部

41、、四川西 部直至甘肃南部等地。 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 舟曲舟曲 51 清华大学水利系河流动力学概论 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 2010年4月25日，台湾南北方向交通要道北二高基隆段，一座百米高的 山体位移发生山崩，大量土石整片盖住六线车道，长度将近200米。 2010年4月25日，台湾南北方向交通要道北二高基隆段，一座百米高的 山体位移发生山崩，大量土石整片盖住六线车道，长度将近200米。 降雨后受到润 滑的

42、滑动面。 降雨后受到润 滑的滑动面。 52 清华大学水利系河流动力学概论 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 2008-9-15 南投县山崩 生态措施为 什么无效? 应该采取什 么措施? 2008-9-15 南投县山崩 生态措施为 什么无效? 应该采取什 么措施? ?首先发生泥石流, 迫使车辆改走便道 首先发生泥石流, 迫使车辆改走便道 ?车辆缓慢通过便道 时,突发山崩,多人遇难 . 车辆缓慢通过便道 时,突发山崩,多人遇难 . 53 清华大学水利系河流动力学概论 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川

43、系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 人工护坡 54 清华大学水利系河流动力学概论 在我国西南部山区, 山崩是一种频繁发生的严重地质灾害 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 2009年6月5日重庆武隆发生山崩 55 清华大学水利系河流动力学概论 三峡水库蓄水后的边坡失稳问题 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 云阳、奉节、巫山这一片是 滑坡发生最为严重的地方。 云阳、奉节、巫山这一片是 滑坡发生最为严

44、重的地方。 56 清华大学水利系河流动力学概论 三峡水库蓄水后的边坡失稳问题 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 2009年4月拍摄的三峡库区巫山县巫峡口龚家方崩塌现场 (崩塌总方量约80万方，形成的涌浪可能高达20m) 2009年4月拍摄的三峡库区巫山县巫峡口龚家方崩塌现场 (崩塌总方量约80万方，形成的涌浪可能高达20m) 57 清华大学水利系河流动力学概论 三峡水库蓄水后的边坡失稳问题 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 20

45、09年年4月拍摄的云阳凉水井蠕变性滑坡现场月拍摄的云阳凉水井蠕变性滑坡现场 (1/2为水上滑坡体，水上滑坡体方量约为水上滑坡体，水上滑坡体方量约180万方，可能形成万方，可能形成510m涌浪涌浪) 58 清华大学水利系河流动力学概论 子系统:冰川系统子系统:冰川系统(Glacier system) 降水降水 液态液态 姜根迪如冰川 冰川 河流 59 清华大学水利系河流动力学概论 冰川系统: 青藏高原冰川系统: 青藏高原 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 60 清华大学水利系河流动力学概论 大气-海洋系统大气-海

46、洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 水文循环在冰川中产生了 局部的“停顿”, 降水量 不能立即回到海洋中。 冰雪运动到冰川的末 端融化后，水流才得 以继续流向海洋、渗 入地下或蒸发。 冰雪运动到冰川的末 端融化后，水流才得 以继续流向海洋、渗 入地下或蒸发。 以冰的形式存在的水 分，在除海洋以外的全部 水量中 以冰的形式存在的水 分，在除海洋以外的全部 水量中,占占淡水淡水的的80%，在 全球的全部水量中占 ，在 全球的全部水量中占2% 。 水文循环的另一 种停顿是地下水 水文循环的另一 种停顿是地下水 61 大气-海洋系统大气-海洋

47、系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 冰川运动与床面岩石的切割搬运、冰碛坝形成冰川运动与床面岩石的切割搬运、冰碛坝形成 Moraine 冰碛坝冰碛坝 ( (W. K. Hamblin & E. H. Christiansen, Earths Dynamic Systems, 10th ed., Prentice-Hall Inc./Pearson Education Ltd., 2003) Plucking-刨蚀刨蚀/磨蚀磨蚀 Moraine-冰碛坝 岩石搬运与冰碛坝的形成 冰川刨蚀 冰碛坝 岩石搬运与冰碛坝的形成 冰川刨蚀/磨蚀过程磨蚀

48、过程 62 清华大学水利系河流动力学概论 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 不丹的冰碛湖 63 清华大学水利系河流动力学概论 子系统: 滨岸系统子系统: 滨岸系统(Shoreline system) 大气-海洋系统坡面系统大气-海洋系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 64 清华大学水利系河流动力学概论 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 滨岸地带在波浪、潮汐或洋流的强烈侵 蚀作用下

49、形成丰富的地貌景观 滨岸阶地(shoreline terraces) 65 清华大学水利系河流动力学概论 26/47 Seven Sisters Cliffs, East Sussex, England 峭壁峭壁(wave-cut cliffs) 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 波浪、潮汐或洋流的强烈侵蚀与搬运作用波浪、潮汐或洋流的强烈侵蚀与搬运作用 66 清华大学水利系河流动力学概论 海浪一般不 平行于海岸 Surf zone 冲浪带 大气-海洋系统大气-海洋系统坡面系统坡面系统冰川系统冰川系统滨岸系统滨岸系统风成沉积系统风成沉积系统河流系统河流系统 波浪、潮汐或洋流的强烈侵蚀与搬运作用波浪、潮汐或洋流的强烈侵蚀与搬运作用 67 清华大学水利系河流动力学概论 海浪一般不平行于海岸Sur