第十章 河流泥沙及河川過程

1、第十章 河流泥沙及河床演變 環(huán)境水文學之概述 泥沙量是流域管理和水資源管理的重要信息，過高的泥沙量會對水質、水生動物、農林業(yè)和環(huán)境的非典源污染、河道、水庫等基礎設施造成影響。 泥沙的搬運和沉積涉及到復雜的河床演變過程及其動力學，人們對許多過程缺乏認識。第一節(jié) 河流泥沙一、河流泥沙的來源流域侵蝕降雨形成的地表徑流河槽沖刷河底沖刷河岸沖刷二、河流泥沙的特性幾何特性：形狀、粒徑及其組成重力特性：容重和密度（干、濕）沉降特性：在水中下沉的狀態(tài)及其速度三、河流泥沙的分類和表示方法1、按照泥沙粒徑大小分1994年，水利部頒發(fā)的河流泥沙顆粒分析規(guī)程，規(guī)定河流泥沙按下表分類。2、按泥沙的運動態(tài)式分靜止：床沙運

2、動推移質懸移質河流泥沙的表示1、含沙量：河水中泥沙的含量，單位為kgm3。2、輸沙率：指單位時間內通過一定過水斷面的泥沙總量。單位為kgs或ts 。3、輸沙量：指在一定時段內通過一定過水斷面的泥沙總量。單位為t或萬t 。4、侵蝕模數：是指每km2流域面積上，每年被侵蝕并匯入河流的泥沙重量，單位為t（km2a）四、河流泥沙的運動1、泥沙的水力特性河流泥沙的運動不僅與水力條件、水流結構有關，而且也與泥沙特性有關。泥沙特性包括顆粒的大小、形狀、容重及泥沙的水力特性。當下沉速度達某一極限值時,阻力與重力恰好相等,則泥沙以均勻速度下沉,這時泥沙的運動速度稱為泥沙的沉降速度(,cm/s)。沉降速度可表達泥

3、沙直徑的大小，故沉降速度也稱泥沙的水力粗度。影響因素有泥沙顆粒直徑d,泥沙容重rs,水流的紊動強度等。泥沙沉速的基本公式為：泥沙沉速的基本公式為： s s及及分別為泥沙和水的密度；分別為泥沙和水的密度；g g為重力加速度；為重力加速度；c cD D為阻力系數，阻力系數與流態(tài)有關。為阻力系數，阻力系數與流態(tài)有關。2、推移質運動（1）單粒泥沙的推移運動泥沙的起動條件:在分析河槽的沖刷特性時，必須先弄清泥沙的起動條件。據觀察，顆粒大的泥沙或礫石，在起動時，常常是單粒地滑動或滾動；顆粒較細的泥沙在起動時往往是成片滾動或躍動。 起動流速:泥沙原來在河床上是靜止不動的，如果接近河底的水流速度增加到一定數值

4、時，作用于泥沙顆粒的力開始失去平衡，泥沙便開始起動，這時的臨界流速稱為起動流速（Vc）。泥沙的起動標幟著河床沖刷的開始，即起動流速是河床不受沖刷的最大流速，又稱允許流速。止動流速:泥沙停止時的臨界流速稱為泥沙的止動流速.泥沙的起動流速一般為止動流速的1.2-1.4倍。揚動流速:當流速增大到一定程度后,泥沙不再回到河床上,而懸浮在水中隨水流一起下移，這時的水流速度稱為揚動流速，它是泥沙從推移到懸移運動的一個參數。2、推移質運動（2）群體泥沙的推移運動河流推移質運動達到一定規(guī)模時，河床表面便逐漸形成外形與風成沙丘類似的起伏的水下沙波，稱沙波運動。沙波運動是推移質群體運動的一種主要形式，也是構成河床

5、地形的基本單位。2、推移質運動（3）推移質輸沙率天然河道的推移質輸沙能力用推移質輸沙率表示。推移質輸沙率是指單位時間內通過河槽單寬的推移質數量，其單位為kg/ms或m3/ms。如果上游推移質來量小于本河段推移質輸沙率，就形成沖刷；反之，則發(fā)生淤積。研究輸沙率的規(guī)律，判斷河槽的沖淤。 3、懸移質運動懸移質是泥沙運動的主要方式之一。沖積平原河流所挾帶的泥沙中,懸移質占絕大部分,有些山區(qū)河流懸移質也可占很大比重.紊動和重力作用是主要因素。3、懸移質運動（1）懸移質的分布與變化懸移質含沙量沿垂線的分布懸移質含沙量在斷面內的分布懸移質含沙量沿河流縱向變化懸移質含沙量隨時間的變化3、懸移質運動（2）水流的

6、挾沙能力單位水體積的飽和含沙量稱為水流挾沙能力。當上游來水中實際含沙量超過本河段水流挾沙能力時,河槽就會淤積,相反則發(fā)生沖刷, 兩者相適應處于輸沙平衡狀態(tài)。在河槽沖淤計算中必不可少。3、懸移質運動（3）河流總輸沙量應為推移質與懸移質輸沙量之總和。由于推移質輸沙量的實測較難,并缺乏完善的推算方法,而且推移質輸沙量在總輸沙量中所占比例很小往往被忽略不計。因此,除了山區(qū)河槽或水庫壩上游等特定河段外,平原河流沖淤計算中,以懸移質輸沙量代替總輸沙量。4、高含沙水流的群體泥沙運動含沙量很高的河流，在汛期常出現(xiàn)一種特殊的高濃度輸沙情況,一般當含沙量超過500kg/m3后,泥沙的懸浮不再是分散的單個顆粒懸移,

7、而是組成絮凝結構體,即轉化為流動的均質漿體,而進行群體運動。高含沙水流的群體泥沙運動主要特點是:運動模式、懸移運動、推移運動、漿河現(xiàn)象、揭河底現(xiàn)象?？傊?，高含沙水泥在水流性質、運動及輸沙特性上，都和一般水流有本質差異。高含沙水流的研究，在河流含沙量居世界首位的我國的治河事業(yè)中，有著特殊重要的意義。 20022002年年7 7月月1010日，黃日，黃河小北干流（山西河小北干流（山西和陜西河段）山西和陜西河段）山西河津段大、小石嘴河津段大、小石嘴區(qū)間出現(xiàn)了百年奇區(qū)間出現(xiàn)了百年奇觀觀“揭河底揭河底”，河底，河底的淤積物如同地毯的淤積物如同地毯一樣被水流卷起。一樣被水流卷起。五、河流的總輸沙量1、多年

8、平均年懸移質輸沙量的估算（1）具有長期資料的情況五、河流的總輸沙量1、多年平均年懸移質輸沙量的估算（2）資料不足的情況五、河流的總輸沙量1、多年平均年懸移質輸沙量的估算（3）資料缺乏的情況五、河流的總輸沙量2、多年平均年推移質輸沙量的估算系數法：考慮推移質輸沙量與懸移質輸沙量之間具有一定的比例關系，在一定的地區(qū)和河道水文地理條件下相當穩(wěn)定，可用系數法計算：五、河流的總輸沙量3、河流總輸沙量的估算某斷面的多年平均年輸沙總量，等于多年平均懸移質年輸沙量與多年平均推移質年輸沙量之和。但由于：（1）推移質輸沙量的實測較難，并缺乏完善的推算方法，（2）推移質輸沙量在總輸沙量中所占比例很?。ㄓ仍谄皆恿髦?/p>

9、），故它往往被忽略不計。六、影響泥沙數量的因素河流泥沙的主要來源是流域表面的侵蝕和河床的沖刷，而泥沙的多少和流域的氣候、植被、土壤、地形因素有關。因此，影響河流輸沙量的因素也有三個方面：氣候因素：降水、氣溫、風下墊面因素：地形、植被、土壤人類活動：改變下墊面第一節(jié)完第二節(jié) 河床演變河床演變p任何一條江河，其河床形態(tài)都在不斷地發(fā)生變化，只是有的河段變形顯著，有的河段變形緩慢或者暫時趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。p這種河床形態(tài)的變化，稱之為河床演變。p河床演變是水流與河床相互作用的結果，河床影響水流條件，水流促進使河床變化。p水流與河床的相互作用是通過泥沙運動來實現(xiàn)的。 一、河床演變的一般現(xiàn)象1、縱向變形縱向

10、變形是河床沿深度方向的變化。表現(xiàn)為河床縱剖面和橫剖面上的沖淤變化，是由于水流縱向輸沙不平衡所引起?？v向輸沙不平衡是由于來沙量隨時間變化和沿程的變化，河流比降和河谷寬度的沿線變化及攔河壩等的興建的造成。一、河床演變的一般現(xiàn)象2、橫向變形橫向變形是河床與流向垂直的兩側方向上的變形。表現(xiàn)為河岸的沖刷和淤積使河床平面位置發(fā)生擺動。河流橫向變化是由橫向輸沙不平衡引起的。造成橫向輸沙不平衡主要是由于環(huán)流。最常見的是彎曲河段的橫向環(huán)流。另外，水流繞過河道中各種障礙物時(沙灘)也能形成環(huán)流。一、河床演變的一般現(xiàn)象3、單向變形指在長時間內河流床緩慢地朝一個方向沖刷或淤積不出現(xiàn)沖淤交替。4、往復變形指河道周期性往

11、復發(fā)展的演變現(xiàn)象。如洪期沖刷枯期淤積，沖淤交替。二、河床演變的基本原因和影響因素1、河段的來水量及其變化來水量變化使水力條件改變，影響水流的挾沙能力。二、河床演變的基本原因和影響因素2、河段的來沙量、來沙組成及其變化來沙量大，泥沙組成粗，則河床淤積；來沙量少，泥沙組成細，則河床沖刷。3、河段的水面比降水面比降影響水流挾沙能力。水面比降小，將減少河床的沖刷或使河床發(fā)生淤積；水面比降增大，則將減少淤積或使發(fā)生沖刷。二、河床演變的基本原因和影響因素4、河床地質情況河床地質情況不同，河床抵抗沖刷的能力也不同，疏松的土質河床容易沖刷變形，堅硬的巖石河床甚難沖刷，不易變形。p另外，水土保持工程和水利工程建

12、筑物的修建也會影響河床的沖淤變形。三、平原河流的河床演變在橫向環(huán)流與縱向主流作用下，河流水流實際上呈螺旋形前進。沖擊平原的河流，按其平面形態(tài)和演變特點的不同，可分成四種類型的河段。三、平原河流的河床演變1、順直微彎河段河床比較順直或略有彎曲，河岸的可動性小于河床的可動性。多位于比較狹窄順直的河谷中。由于沙波在運動過程中，受到河岸的阻礙形成沙嘴，沙嘴處泥沙淤積形成邊灘，邊灘約束水流，使對岸河流沖刷，形成深槽，河床便呈現(xiàn)出邊灘與深槽犬牙交錯的形狀。三、平原河流的河床演變1、順直微彎河段順直(微彎)型河段的演變表現(xiàn)為縱向變形和橫向變形。三、平原河流的河床演變2、彎曲河段河床蜿蜒曲折，河岸可動性大于河

13、床可動性，因此在兩岸發(fā)展河彎彎形。當沙波運動使河床出現(xiàn)犬牙交錯的邊灘時，由于河岸的可動性大，河床可動性小，河岸沖刷發(fā)展較快，邊灘下移較慢，因此河床將繼續(xù)彎曲，形成河彎。水流進入河灣后，水面產生橫比降，形成橫向環(huán)流。三、平原河流的河床演變2、彎曲河段在橫向環(huán)流作用下，凹岸不斷沖刷，凸岸不斷淤積，從而使河彎更加彎曲，逐漸發(fā)展成為河套。三、平原河流的河床演變3、游蕩型河段當河岸和河底的可動性很大時(河床地質組成的可動性)，河床演變會導致游蕩型河段的形成。特點：特點：水流湍急，河身寬淺，沙灘較多，汊道交錯，河床變化迅速，主流游蕩不定。形成條件：形成條件：河床的泥沙淤積作用。決定河段游蕩性的水力、泥沙條

14、件是河床具有較大的比降和組成河床的物質顆粒較細的泥沙，因而河床和河岸的可動性大。形狀：形狀：游蕩性河段往往在平面上是寬窄相間，窄段沙灘較小，水流集中，水流擺動幅度也不大。適用：適用：游蕩性河段穩(wěn)定性極差，對設置固定式取水構筑物非常不利。如必須設置時，則盡可能設在河床較窄、變動性較小的河段(有堅硬巖露頭處)。取水構筑物型式要盡量適應河床可能的變化，并要有備用取水構筑物，同時，必須采取河道整治措施。三、平原河流的河床演變4、分汊河段三、平原河流的河床演變4、分汊河段 特點：特點：河身呈寬窄相間的蓮藕狀，寬河槽中常有江心洲存在，將河道分成兩股或多股汊道。江心洲：其江心存在只有洪水期才被淹沒的泥沙堆積

15、體。河道被江心洲隔開分成若干河汊，稱為汊道。形成原因：形成原因：由于河道放寬，流速降低，以致泥沙淤積。洪水時水流切割邊灘或沙嘴，形成心灘，并逐漸發(fā)展成江心洲，使水流分汊。由于環(huán)流作用，使泥沙堆積，也能形成心灘，并發(fā)展成江心洲。汊道經常處于緩慢的發(fā)生、發(fā)展和衰退過程中。下荊江歷史變遷下荊江歷史變遷四、河床穩(wěn)定程度的估算1、縱向穩(wěn)定程度主要與河床的粒徑組成、水面坡度以及河流水深有關，縱主要與河床的粒徑組成、水面坡度以及河流水深有關，縱向穩(wěn)定系數向穩(wěn)定系數f的經驗公式的經驗公式如下如下黃河黃河f=0.180.21，長江，長江f=0.270.33f越小，泥沙運動越強越小，泥沙運動越強(顆粒相對細顆粒相

16、對細)，河床不穩(wěn)定。，河床不穩(wěn)定。四、河床穩(wěn)定程度的估算2、橫向穩(wěn)定程度橫向不穩(wěn)定系數e經驗公式：B與河床演變影響最大的洪水流量相應的水面寬（m）；b枯水時的水面寬（m）。e值越大，說明枯水時露出的沙灘越寬，則洪水對河岸越易沖刷。四、河床穩(wěn)定程度的估算3、河彎穩(wěn)定程度用經驗公式反映，較穩(wěn)定的河彎應該是：穩(wěn)定河彎的長度L和直線段的河寬B關系 L=(1.21.5)B穩(wěn)定河彎的曲線半徑R和河彎的過水斷面面積F關系五、河川發(fā)育和土壤侵蝕五、河川發(fā)育和土壤侵蝕天然降水天然降水 徑流徑流 聚澗成溪聚澗成溪 匯溪成河川匯溪成河川出露的地下水出露的地下水 u天然河川：分為河源、上游、中游、下游和河口。天然河川

17、：分為河源、上游、中游、下游和河口。u河川的侵蝕從河源到河口河川的侵蝕從河源到河口逐漸減輕逐漸減輕，河川侵蝕是土，河川侵蝕是土壤侵蝕的一部分，是其流域地區(qū)土壤侵蝕的繼續(xù)。壤侵蝕的一部分，是其流域地區(qū)土壤侵蝕的繼續(xù)。河流的分段特征河流的分段特征河流分為上、中、下游三段，但是其劃分不是絕對的。有的劃河流分為上、中、下游三段，但是其劃分不是絕對的。有的劃分著重地貌特征（河槽的縱降比、沖淤規(guī)律等），有的劃分著分著重地貌特征（河槽的縱降比、沖淤規(guī)律等），有的劃分著重水文特征（流速、流量等），有的劃分考慮綜合因素。重水文特征（流速、流量等），有的劃分考慮綜合因素。上游段上游段侵蝕強烈侵蝕強烈。比降大、流速

18、大、流量小，河槽為基巖或礫石，河谷狹窄，多瀑布急灘，主要是沖刷侵蝕。中游段中游段沖刷與淤積都不嚴重沖刷與淤積都不嚴重。比降與流速減小，流量加大，河槽多為粗沙。下游段下游段沖刷與淤積都不嚴重。比降與流速更小，流量更大，河槽多為細紗和淤泥，多淺灘和沙洲，易發(fā)生水災易發(fā)生水災。水流、河槽、侵蝕、泥沙的相互作用水流、河槽、侵蝕、泥沙的相互作用水流塑造河槽，河槽約束水流水流塑造河槽，河槽約束水流，相互制約，互為因果。，相互制約，互為因果。河流具有河流具有自動調節(jié)自動調節(jié)作用，流速、流量、含沙量、挾沙能力相互作用，流速、流量、含沙量、挾沙能力相互作用，塑造河槽。作用，塑造河槽。河槽的外形改變具有一定的惰性

19、，與河槽的物質抗蝕性、抗沖河槽的外形改變具有一定的惰性，與河槽的物質抗蝕性、抗沖性有關。性有關。河谷橫剖面結構圖河谷橫剖面結構圖1. 1. 河床河床 2. 2. 河漫灘河漫灘 3. 3. 谷坡谷坡 4. 4. 階地階地 枯水期河床地貌類型枯水期河床地貌類型環(huán)流示意圖環(huán)流示意圖心灘形成示意圖心灘形成示意圖表流 底流表流表流 底流底流主線流主線流曲流和汊河曲流和汊河u曲流又稱河曲，為一種蜿蜒彎曲流又稱河曲，為一種蜿蜒彎曲如蛇行的河流。曲如蛇行的河流。河灣凹岸有深槽，凸岸有邊灘，上下兩深槽間的過渡段有淺灘。 2. 2. 汊河汊河u當河床中出現(xiàn)心灘或心洲時，當河床中出現(xiàn)心灘或心洲時，河床水流分汊成兩股

20、或數股水道，河床水流分汊成兩股或數股水道，即為分汊（辮狀）河床，簡稱汊即為分汊（辮狀）河床，簡稱汊河。河。高出于中水位以上，又能被洪水淹沒的平坦谷底。高出于中水位以上，又能被洪水淹沒的平坦谷底。一般是河床長期側向移動與河流周期泛濫的產物一般是河床長期側向移動與河流周期泛濫的產物發(fā)育典型的河漫灘分為三部分：發(fā)育典型的河漫灘分為三部分：a. a. 濱河床部分濱河床部分b. b. 中央部分中央部分c. c. 近谷坡部分近谷坡部分B.B.河漫灘的形成河漫灘的形成 河漫灘的形成河漫灘的形成 A1.河床相沖擊物 A2.河漫灘相沖擊物 a. 小邊灘 b. 大邊灘 c. 河漫灘A A1 1A A2 2A A1 1C.C.河漫灘的物質結構河漫灘的物質結構 粉沙 上層：河漫灘相沖積物 （較細） 粘土 壤土二元結構 砂層 下層：河床相沖積物（較粗） 碎石 原河谷的谷底，由于河流下切侵蝕，相對抬升，超出一原河谷的谷底，由于河流下切侵蝕，相對抬升，超出一般洪水位之上，呈階梯狀分布于河兩側（或一側），即般洪水位之上，呈階梯狀分布于河兩側（或一側），即為河流階地。為河流階地。河流階地的類型：河流階地的類型：p侵蝕階地：侵蝕階地：階地斜坡上基巖裸露，階地面上僅有 零星河流沉積物分布，有河流侵蝕的痕跡。p堆積階地：堆積階地：階地面和階地斜坡全是由河流沉積物質組成，無基巖暴露。p基座階地：基座階地：階地之下有基