阶梯-深潭系统是山区河流常见的河床结构,具有稳定河床和消能减灾的作用。本研究以阶梯-深潭系统为研究对象,在对天然河流发育阶梯-深潭系统观测基础上,对阶梯-深潭系统的结构形态、水力特性和消能率展开研究,阐述了阶梯-深潭系统水流能量转化过程与消能机理,研究了推移质运动对阶梯-深潭系统消能的影响。通过对怒江、小江和雅鲁藏布江阶梯-深潭系统野外考察,将其按结构形态分为3类:三维阶梯-深潭、二维阶梯-深潭和二维三维之间阶梯-深潭,对各种形式结构特点进行总结,推荐三维阶梯-深潭作为典型阶梯-深潭。二维、三维阶梯-深潭系统消能对比试验验证了三维阶梯-深潭具有更高消能率,且随着流量增大二维阶梯-深潭消能率迅速降低,三维阶梯-深潭消能率降低缓慢,在高流量时仍能维持较高消能率。自然阶梯-深潭系统具有高消能率,本试验工况消能率为64%-91%。阶梯-深潭系统流场具有强三维性。阶梯与深潭水力特性相差大,阶梯上沿流向时均流速占主导,紊动弱;深潭中时均流速低,紊动强度高。试验工况下,阶梯上相对紊动强度约0.1,深潭中则最大超过8.0。深潭中雷诺应力是阶梯上约50倍。推导得到的阶梯-深潭消能率计算公式计算值与实测值符合较好。阶梯-深潭系统消能分为阶梯消能和深潭消能。水流能量转化分为3个过程:从阶梯跌落势能转化为时均动能;进入深潭时均动能转化为紊动能;紊动能耗散。由能谱和耗散谱分析知,水流进入阶梯-深潭后,能量由低频向高频转移,随着流量增大,深潭中紊动强度增大,能量耗散率增强,相比没有河床结构发育河段,阶梯-深潭系统更剧烈的将时均动能转化为紊动能,且具有更高耗散率。低流量时,阶梯消能占主导,随着流量增加,深潭消能作用逐渐增强,使阶梯-深潭始终保持高消能率,这是阶梯-深潭系统不同于其他河床结构的根本之处。山区河流能量消耗主要依靠推移质运动消能和河床结构消能。加沙试验显示,推移质运动的增强改变水流能量分配,其消能作用使阶梯-深潭结构消能降低,深潭於埋。推移质运动使阶梯上紊动与耗散略为增强,深潭中紊动与耗散大为减弱,从而使阶梯-深潭系统消能率降低。