河床演變基本原理

1、河床演變基本原理王浩霖 201101021530 摘要：河床演變是指自然情況下及修建整治建筑物后河床發(fā)生的沖淤變化過程。 廣義上是指 河流形成和發(fā)展的整個歷史過程； 狹義方面則僅限于近代沖積河床的演變發(fā)展。 天然河流總 是處在不斷發(fā)展變化過程之中。 而且天然河流的河床形態(tài)復(fù)雜， 演變規(guī)律差異很大。 人類在 開發(fā)利用河流的過程中， 要有效地整治河流， 必須充分認(rèn)識河床演變的基本原理及各類河床 特殊的演變規(guī)律。 本文著重討論平原沖積河流的問題， 但所闡明的基本原理對具有一定沖積 層的山區(qū)河流也是適用的。關(guān)鍵字：河床演變 基本原理 平原沖積河流 河型一、平原沖積河流的一般特性1. 河床形態(tài)與山區(qū)河流

2、不同， 平原河流的河床形態(tài)是在特定條件下水流與河床相互作用的結(jié)果， 因 而具有較強(qiáng)的規(guī)律性。平原河流在平面上具有順直、彎曲、分汊、散亂等四種外形。其橫斷 面可概括為拋物線形、 不對稱三角形、 馬鞍形和多汊形等四類。 河漫灘和成型堆積體是河床 形態(tài)中涉及的兩個基本概念。河漫灘是位于中水河槽兩側(cè)， 在洪水時能被淹沒的高灘。 河漫灘既有由侵蝕作用造成的， 如石質(zhì)河漫灘， 多見于山區(qū)河流，灘面較窄， 且向中水河槽一側(cè)傾斜； 更多的是由堆積作用 造成的，如沖積河漫灘，多見于平原河流，灘面較寬，左右河漫灘分別向兩側(cè)傾斜，這是洪 水漫灘落淤的結(jié)果。成型堆積體是沖積河流的河底分布著各種形式的大尺度沙丘 （尺度

3、遠(yuǎn)大于沙坡） 的統(tǒng)稱。 成型堆積體的尺度，包括寬度、深度和長度，和河流的尺度（河寬和水深） ，是同數(shù)量級的。 成型堆積體經(jīng)常處于發(fā)展變化之中，是平原河流河床演變中最活躍的因素。2. 河道水流的一般特性2.1 河道水流的基本性質(zhì)（1）河道水流的二相流特性。天然河道的明渠流是挾帶著泥沙的水流運(yùn)動，本質(zhì)上屬 于二相流。（2）河道水流的三維性。河道水流的過水?dāng)嗝嬉话闶遣灰?guī)則的，因此河道水流為三維 流動。過水?dāng)嗝娴膶捝畋扔?，三維性愈強(qiáng)烈。（3）河道水流的不恒定性。一方面，來水來沙情況隨時空的變化；另一方面，由于河 床經(jīng)常處于演變之中，因此河道水流的邊界也隨時空變化。（4）河道水流的非均勻性。涉及運(yùn)動的

4、各物理量沿流程不變的水流為均勻流。達(dá)到均 勻流的條件是水流為恒定流、 水流邊界是與流向平行的棱柱體。 河道的來水來沙和邊界是不 滿足這些條件的，因此河道水流一般為非均勻流。2.2 河道水流的水流結(jié)構(gòu)（1）河道水流的流型。在水力學(xué)中將流體運(yùn)動區(qū)別為紊流和層流兩大類型，在紊流中 又分為光滑區(qū)、粗糙區(qū)（或阻力平方區(qū)） ，以及介于層流和紊流、光滑區(qū)和粗糙區(qū)之間的兩 個過渡區(qū)。河道水流的雷諾數(shù)一般都比較大，其流型一般居于阻力平方區(qū)。（2）河道水流的主流與副流。主流是水流沿著河槽總方向的流動，由河床縱比降的總 趨勢決定； 副流是在水流內(nèi)部產(chǎn)生的一種大規(guī)模的水流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動， 由縱比降以外的其他因素 所促成。

5、河流中的橫向輸沙的方向主要是靠有關(guān)的環(huán)流造成的。 因此，一個河段的沖淤動態(tài)， 除了受主流的影響之外，還受環(huán)流的重要影響。（3）環(huán)流的類型。因產(chǎn)生原因的不同，環(huán)流可以分為因離心力產(chǎn)生的彎道環(huán)流、因柯 里奧里力而產(chǎn)生的環(huán)流、因水流與固體周界分離而產(chǎn)生的環(huán)流等。（4）河道水流的流速分布?，F(xiàn)階段還難以提出符合實際的三維流速分布公式，人們通 常用經(jīng)驗的方法研究河道水流的流速分布。3. 平原沖積河流的河型分類 將沖積河流按其平面形式及演變過程劃分為四種基本類型： 順直型或邊灘平移型； 彎曲型或蜿蜒型；分汊型或交替消長型；散亂型或游蕩型。二、河床演變分類1. 長期變形和短期變形按河床演變的時間特征，可以分為

6、長期變形和短期變形兩類。2. 單向變形和復(fù)歸性變形單向變形是指河道在相當(dāng)長時期內(nèi)只是單一地朝某一方向發(fā)展的演變現(xiàn)象。河床有規(guī)律地沖淤交替現(xiàn)象則稱為復(fù)歸性變形。3. 整體變形及局部變形 從河床演變的空間特征出發(fā)，又可分為整體變形和局部變形兩類。4. 縱向變形與橫向變形 以河床演變形式為特征， 可將河床沿縱深方向發(fā)生的變化稱為縱向變形， 如壩上游的沿 程淤積和壩下游的沿程沖刷； 將河床在與流向垂直的兩側(cè)方向發(fā)生的變化稱為橫向變形， 如 彎道的凹岸沖刷與凸岸淤積。5. 自然變形和人為干擾變形 人們?yōu)榱朔乐魏樗疄?zāi)害， 不斷地改造治理河流， 時至今日， 完全不受人類活動干擾的自 然演變已經(jīng)不存在了，自然

7、演變和人為演變總是交織在一起的。三、影響河床演變的主要因素1. 影響河床演變的主要因素（ 1）進(jìn)口條件。進(jìn)口條件包括河段上游的來水量及其變化過程，河段上游的來沙量、 來沙組成及其變化過程，以及上游河段與本河段進(jìn)口的銜接方式。（ 2）出口條件。出口條件主要是出口處的侵蝕基點(diǎn)條件。它可以是能控制出口水面高 程的各種水面， 也可以是能限制河流向縱深方向發(fā)展的抗沖擊巖層的相應(yīng)水面。 侵蝕基點(diǎn)的 情況不同，河流縱剖面的形態(tài)、位置及其變化過程會出現(xiàn)明顯的差異。（ 3）河床周界條件。河床周界條件泛指河流所在地區(qū)的地理、地質(zhì)條件。2. 影響河床演變主要因素之間的關(guān)系（ 1）三個因素有主有從，不能同等看待。從河

8、流的形成來說，來水來沙條件是最主要 的，另外兩個因素是從屬的。（ 2）三個因素相互聯(lián)系，缺一不可。三個因素不是相互獨(dú)立的，而是相互聯(lián)系和相互 影響的，三個在一起才構(gòu)成完整的邊界條件。（ 3）三個因素的因時變化。 隨著人類活動對河流的干擾日益加劇， 使河流的進(jìn)口條件、 出口條件、 河床周界條件都受到了很大程度的影響， 由此產(chǎn)生的對河床演變的影響同樣是不 可忽視的。3. 引起河床演變的根本原因 盡管河床演變的具體原因千差萬別，但從根本上可歸結(jié)為河道水流的輸沙不平衡的結(jié) 果，即河床演變是輸沙不平衡的直接后果。四、河流的自動調(diào)整作用 河流自動調(diào)整作用是指處于輸沙平衡狀態(tài)的河流， 當(dāng)外部條件改變使河流原

9、有的輸沙平 衡被打破時， 河流通過河床的沖淤變化和調(diào)整使輸沙趨向平衡的一種現(xiàn)象。 認(rèn)識河流的自動 調(diào)整作用有助于預(yù)測或控制河流的發(fā)展方向。 河流的自動調(diào)整作用具有平衡趨向性、 調(diào)整的 多樣性、響應(yīng)的整體性、河床變形的滯后性等重要特性。五、河相關(guān)系1. 河相關(guān)系的基本概念能夠自由發(fā)展的平原沖積河流的河床， 在水流的長期作用下， 有可能形成與所在河段具體條件相適應(yīng)的某種均衡的河床形態(tài)，這種均衡形態(tài)的有關(guān)因子（如水深、河寬、比降等） 和表達(dá)來水來沙條件（如流量、含沙量、泥沙粒徑等）及河床地質(zhì)條件（在平原沖積河流中 其本身的部分甚至整體往往又是來水來沙條件的函數(shù)） 的特征物理量之間， 常存在某種函數(shù) 關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系稱為河相關(guān)系或均衡關(guān)系。2. 造床流量造床流量是指其造床作用與多年流量過程的綜合造床作用相當(dāng)?shù)哪骋环N流量。 它對塑造 河床形態(tài)所起的作用最大。 造床流量是一個較大但又非最大的洪水流量。 確定造床流量， 一 般多采用馬卡維也夫法、平灘水位法和保證率法三種方法。3. 河相關(guān)系3.1 早期純經(jīng)驗的河相關(guān)系。早期的河相關(guān)系基本上是經(jīng)驗性質(zhì)的。3.2 近代半經(jīng)驗半理論的河相關(guān)系。 近代通常用量綱分析法、 謝鑒衡方法、 最小活動性假說、 能耗最小假說等方法來分析河相關(guān)系。結(jié)論：河床演變是我們在整治河流時必須要考慮到的一種現(xiàn)象。了解河床演變的基本