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任务三:探寻河流过水横截面面积与流速的关系
工程人员打算对容易发生泥沙淤积的河段进行改造。改造前,河面宽度25米,河底宽度5米,平均水深3米;改造后,河面宽度拓宽至30米,河底宽度保持5米不变,平均水深因清淤增加至4米。若改造后该河段的总流量(单位时间内流经横截面的水量)保持200立方米/秒不变。
5. 流速计算:计算改造前和改造后的平均流速。(流速=流量÷过水横截面面积)
6. 地理影响:解释过水横截面面积变化如何影响流速,并说明这种变化可能对河道产生的两种地理影响。
工程人员打算对容易发生泥沙淤积的河段进行改造。改造前,河面宽度25米,河底宽度5米,平均水深3米;改造后,河面宽度拓宽至30米,河底宽度保持5米不变,平均水深因清淤增加至4米。若改造后该河段的总流量(单位时间内流经横截面的水量)保持200立方米/秒不变。
5. 流速计算:计算改造前和改造后的平均流速。(流速=流量÷过水横截面面积)
6. 地理影响:解释过水横截面面积变化如何影响流速,并说明这种变化可能对河道产生的两种地理影响。
答案
5. 改造前：
过水横截面面积$S_1=(25+5)×3÷2=45$ 平方米
平均流速$v_1=200÷45\approx4.44$ 米/秒
改造后：
过水横截面面积$S_2=(30+5)×4÷2=70$ 平方米
平均流速$v_2=200÷70\approx2.86$ 米/秒
6. 关系：在河流总流量保持不变的前提下，过水横截面面积和流速呈负相关：过水横截面面积越大，平均流速越小；过水横截面面积越小，平均流速越大。
地理影响：①流速降低后，河流搬运泥沙的能力减弱，泥沙更易在河道内淤积，抬高河床；②流速减慢会削弱河道泄洪能力，汛期河流水位更易抬升，提升沿岸区域的洪涝发生风险。（若过水横截面缩小、流速提升，也可增强河流冲刷河床的能力，减少泥沙淤积，实现“束水攻沙”、疏通加深河道的效果）
过水横截面面积$S_1=(25+5)×3÷2=45$ 平方米
平均流速$v_1=200÷45\approx4.44$ 米/秒
改造后：
过水横截面面积$S_2=(30+5)×4÷2=70$ 平方米
平均流速$v_2=200÷70\approx2.86$ 米/秒
6. 关系：在河流总流量保持不变的前提下，过水横截面面积和流速呈负相关：过水横截面面积越大，平均流速越小；过水横截面面积越小，平均流速越大。
地理影响：①流速降低后，河流搬运泥沙的能力减弱，泥沙更易在河道内淤积，抬高河床；②流速减慢会削弱河道泄洪能力，汛期河流水位更易抬升，提升沿岸区域的洪涝发生风险。（若过水横截面缩小、流速提升，也可增强河流冲刷河床的能力，减少泥沙淤积，实现“束水攻沙”、疏通加深河道的效果）
解析
5. 该河段过水横截面为梯形，先利用梯形面积公式$S=(上底+下底)×高÷2$分别计算改造前后的过水横截面面积，再结合题干给出的流速公式“流速=流量÷过水横截面面积”代入数值计算即可。
6. 以总流量不变为前提，推导过水横截面面积和流速的关联规律，再结合流水侵蚀、搬运作用的特点，分析流速变化对河道产生的影响。
6. 以总流量不变为前提，推导过水横截面面积和流速的关联规律，再结合流水侵蚀、搬运作用的特点，分析流速变化对河道产生的影响。
任务四:探究黄河"束水攻沙"的原理
黄河下游因泥沙淤积严重,历史上常泛滥成灾。明代水利专家潘季驯提出"束水攻沙"策略:通过收窄河道(筑堤束水)增加流速,利用水流冲刷河床泥沙,减少淤积。
下图所示古人用"筑堤束水,以水攻沙""蓄清刷黄"来治理黄河。
明代"束水攻沙"工程布局示意图
7. 河道修建多重堤防的主要目的是改变河流的 ()
A. 水量 B. 含沙量 C. 水质 D. 流速
8. "筑堤束水"设计有可能分布在黄河 ()
A. 上游峡谷段 B. 中游水土流失严重的河段
C. 下游冲积平原河段 D. 入海口漫滩区
根据"束水攻沙"的原理,防洪工程人员设计河道改造方案。原河道(未治理)横截面形状为宽浅倒梯形,河面宽度50米,河底宽度10米,平均水深2米。束水河道(治理后)横截面形状为窄深倒梯形,河面宽度30米,河底宽度10米,平均水深2米。假设两种河道在相同河段的总流量均为600立方米/秒。
9. 原理分析:分别计算原河道与束水河道的过水横截面面积及平均流速,并结合计算结果,解释"束水攻沙"为何能减少泥沙淤积。(提示:输沙能力与流速的立方成正比)
10. 辩证思考:"束水攻沙"可能带来哪些潜在风险?(从生态或工程角度进行分析)
黄河下游因泥沙淤积严重,历史上常泛滥成灾。明代水利专家潘季驯提出"束水攻沙"策略:通过收窄河道(筑堤束水)增加流速,利用水流冲刷河床泥沙,减少淤积。
下图所示古人用"筑堤束水,以水攻沙""蓄清刷黄"来治理黄河。
明代"束水攻沙"工程布局示意图
7. 河道修建多重堤防的主要目的是改变河流的 ()
A. 水量 B. 含沙量 C. 水质 D. 流速
8. "筑堤束水"设计有可能分布在黄河 ()
A. 上游峡谷段 B. 中游水土流失严重的河段
C. 下游冲积平原河段 D. 入海口漫滩区
根据"束水攻沙"的原理,防洪工程人员设计河道改造方案。原河道(未治理)横截面形状为宽浅倒梯形,河面宽度50米,河底宽度10米,平均水深2米。束水河道(治理后)横截面形状为窄深倒梯形,河面宽度30米,河底宽度10米,平均水深2米。假设两种河道在相同河段的总流量均为600立方米/秒。
9. 原理分析:分别计算原河道与束水河道的过水横截面面积及平均流速,并结合计算结果,解释"束水攻沙"为何能减少泥沙淤积。(提示:输沙能力与流速的立方成正比)
10. 辩证思考:"束水攻沙"可能带来哪些潜在风险?(从生态或工程角度进行分析)
答案
7. D
8. C
9. 原河道过水面积为60平方米，平均流速为10米/秒；束水河道过水面积为40平方米，平均流速为15米/秒；束水后河道流速显著提升，输沙能力随流速的立方增长而大幅增强，水流冲刷河床淤积泥沙，有效减少河道内的泥沙淤积。
10. 工程层面：流速加快会加剧对堤防的冲刷侵蚀，提升溃堤风险，洪水期窄河道水位抬升更快，防洪压力显著增大；生态层面：束窄河道会挤占河滩、湿地空间，压缩水生生物栖息地，破坏河流原生生态系统，降低区域生物多样性。
8. C
9. 原河道过水面积为60平方米，平均流速为10米/秒；束水河道过水面积为40平方米，平均流速为15米/秒；束水后河道流速显著提升，输沙能力随流速的立方增长而大幅增强，水流冲刷河床淤积泥沙，有效减少河道内的泥沙淤积。
10. 工程层面：流速加快会加剧对堤防的冲刷侵蚀，提升溃堤风险，洪水期窄河道水位抬升更快，防洪压力显著增大；生态层面：束窄河道会挤占河滩、湿地空间，压缩水生生物栖息地，破坏河流原生生态系统，降低区域生物多样性。
解析
7. 根据题干中“束水攻沙”的策略原理，修建多重堤防可以收窄河道，核心目的是提升河流流速，增强水流的携沙冲沙能力，该举措不会直接改变河流的总水量、天然含沙量，也不以改善水质为目标，因此选D。
8. 黄河下游冲积平原河段地势平缓，泥沙淤积严重，是典型的“地上河”，历史上泛滥灾害频发，是“筑堤束水”治理泥沙淤积的目标河段；上游峡谷段天然流速快、泥沙淤积少，中游是水土流失的产沙区，入海口漫滩区以泥沙沉积造陆为主，均不需要该设计，因此选C。
9. ①计算过水横截面面积：倒梯形面积公式为S=(河面宽度+河底宽度)×平均水深÷2
原河道过水面积：S₁=(50+10)×2÷2=60 平方米
束水河道过水面积：S₂=(30+10)×2÷2=40 平方米
②计算平均流速：流速v=总流量Q÷过水面积S
原河道平均流速：v₁=600÷60=10 米/秒
束水河道平均流速：v₂=600÷40=15 米/秒
③原理解释：已知输沙能力与流速的立方成正比，束水后河道流速从10m/s提升至15m/s，输沙能力大幅提升，水流的冲沙携沙能力显著增强，可以有效冲刷河床淤积的泥沙，减少泥沙在河道内的沉积。
10. 工程角度：收窄河道后水流流速大幅提升，对堤防的侵蚀、冲刷作用变强，加大了堤坝溃决的风险；洪水期时窄河道的水位抬升速度更快，水位更高，进一步提升防洪压力。
生态角度：河道被束窄后，沿岸的河滩、湿地面积被挤占，水生生物的栖息地范围缩小，会破坏河流原有生态系统，降低生物多样性；过快的水流也会改变原有水生生物的生存环境，威胁部分本土物种的生存。
8. 黄河下游冲积平原河段地势平缓，泥沙淤积严重，是典型的“地上河”，历史上泛滥灾害频发，是“筑堤束水”治理泥沙淤积的目标河段；上游峡谷段天然流速快、泥沙淤积少，中游是水土流失的产沙区，入海口漫滩区以泥沙沉积造陆为主，均不需要该设计，因此选C。
9. ①计算过水横截面面积：倒梯形面积公式为S=(河面宽度+河底宽度)×平均水深÷2
原河道过水面积：S₁=(50+10)×2÷2=60 平方米
束水河道过水面积：S₂=(30+10)×2÷2=40 平方米
②计算平均流速：流速v=总流量Q÷过水面积S
原河道平均流速：v₁=600÷60=10 米/秒
束水河道平均流速：v₂=600÷40=15 米/秒
③原理解释：已知输沙能力与流速的立方成正比，束水后河道流速从10m/s提升至15m/s，输沙能力大幅提升，水流的冲沙携沙能力显著增强，可以有效冲刷河床淤积的泥沙，减少泥沙在河道内的沉积。
10. 工程角度：收窄河道后水流流速大幅提升，对堤防的侵蚀、冲刷作用变强，加大了堤坝溃决的风险；洪水期时窄河道的水位抬升速度更快，水位更高，进一步提升防洪压力。
生态角度：河道被束窄后，沿岸的河滩、湿地面积被挤占，水生生物的栖息地范围缩小，会破坏河流原有生态系统，降低生物多样性；过快的水流也会改变原有水生生物的生存环境，威胁部分本土物种的生存。
