浅谈河床演变

浅谈河床演变摘要：河流是水流与河床相互作用的产物。水流与河床，二者相互制约，互为因果。水流作用于河床，使河床发生变化；河床反作用于水流，影响水流的特性。由因生果，倒果为因，循环往复，变化无穷，尤其河道上修建各类工程之后，受到建筑物的干扰，河床变化将更为加剧。关键词：河床演变均衡稳定演变类型河床演变是指河床在自然条件下或受人工建筑物影响而发生的变化。这种变化是水流、泥沙与河床相互作用的反映。河流存在两个反馈系统：水流挟带泥沙，泥沙的存在又影响水流结构；水流作用于河床，使河床发生变化，河床形态反过来又影响流速分布。它们相互依存、相互影响又相互制约。水流与河床的相互作用是通过河流中泥沙的冲刷、搬运和堆积而实现的，泥沙在其中起着纽带作用。当流速增加，组成河床的泥沙遭到冲刷，使河床降低或拓宽；当流速减小，水中挟带的泥沙沉积于河床上，使河床抬高或束窄，河床就会发生相应的变化。一、河床演变理论研究进展综述河床演变是一门新兴学科。目前尚无统一理论如何表达河床演变自动调整作用基本原理是河床演变学研究的难题之一，前人进行了长期艰苦的研究，提出了很多极值理论和假说，主要研究成果如下：(1)Leopold(1962)提出河流能量沿程均匀分布的最大统计熵理论[1]：相当于UJ=常数。Leopold最先提出应用统计熵理论来研究河床演变，由于沿河各段的能量分布受地质地貌条件控制不能沿河自由调整，能量沿程分布不满足构造统计熵的条件，因而河流能量难以达到沿程均匀分布。(2)窦国仁(1964)提出最小河床活动性假说[2]：在给定的来水来沙和河床边界条件下，不同的河床断面具有不同的稳定性或活动性，而河床在冲淤变化过程中力求建立活动性最小的断面形态。由于河床活动性指标为经验表达式，难以在理论上阐明，也缺乏实测资料进行严格的验证。(3)Langbein(1964)提出最小方差假说[3]：随着上游来水来沙条件的变化，当地的水力因子将发生调整以趋于平衡，这种平衡状态对应的是使各水力因子变化的方差达到最小。最小方差假说在理论上符合统计熵的最概然分布定理，但统计方差的变量不明确，各人构造的方差可能互不相同。(4)张海燕(1979)提出河流系统的最小河流功假说[4]：对于一定的水流量和输沙量，当河道可能有几种稳定河床形态和坡降时，河床形态将沿河谷坡降进行调整，使河流系统的单位河长河流功最小，表达式为：γQJ=min。由于造床流量Q给定，即最小比降J=min；对于稳定冲积河流，γQJ的值与输沙率Qs成正比，即得到最小输沙率Qs=min。但河床演变不仅仅是调整比降，而且认为冲积河流的调整是为了满足输沙率最小，这与冲积河流的输沙相对平衡自动调整作用原理相矛盾。(5)杨志达(1971)提出最小单位河流功理论[5]：对于冲积河道缓流，河道将调整流速、坡降、糙率和河床形态，使输送一定水流量和沙流量的单位河流功率最小，最小值大小取决于河道约束条件，表达式为：γUJ=min。但该公式没有反映河道输沙对河床演变的影响，且河流功在物理概念上不明确，有河道给水流做功之嫌，挟沙水流只能损失自己的能量对运动中的泥沙做功，河床不能对水流做功，河床无能量传递给水流，河床对水流的阻力决定水流能耗的分布和特性。(6)杨志达(1981)为了将最小能耗理论推向挟沙河流，提出输送流量Q和总输沙率Qs的最小单位河段总能耗率公式[6]：γQJ+γsQsJ=min。杨志达没有区分推移质和悬移质泥沙的输移能耗规律的差别，他主要将上式应用于推移质输沙，由于推移质输沙的能量来自于水流，γQJ包含了γsQsJ，该公式有重复计算推移质输沙能耗之嫌。(7)黄万里(1981)提出最大能量消散率理论[7]：最大值或UJdxRCUx022。他是根据热力学第二定律：孤立系统的熵总是趋向于一个最大值。他不恰当地将孤立系统的熵理论应用于开放系统的河流。(8)White(1982)根据冲积河流有趋向于达到饱和输沙的现象提出最大输沙率假说[8]：Qs=max。该式只反映河流次饱和输沙的部分特性，而且对于没有泥沙的水流失效，在数学上，Qs=max和张海燕的公式Qs=min及杨志达的公式γQJ+γsQsJ=min相矛盾的。(9)DavisandSutherland(1983)提出最大阻力系数假说[9]。该假说根据水流流经平整床面会出现沙波，并且阻力系数增大的现象而提出，但不能回答动平床和高含沙水流阻力系数减小的问题。(10)徐国兵(2003)利用流体力学的三个基本方程和热力学的吉布斯公式推导流体最小能耗率的公式[10]：γQJ=min。由于他也是对单位河长积分计算能耗，掩盖了流速，该公式和杨志达等的公式相同，考虑流量Q是水的体积概念，该公式量纲为水平方向力的量纲。从上述研究成果分析可知，河床演变物理量的调整遵循一定的规律，杨志达等对河流最小能耗率理论的研究取得了较大进展，但河床演变不仅仅是调整比降，挟沙水流有努力达到输沙相对平衡的趋势，上述几个表达式之间也存在矛盾，有的甚至和冲积河流的自动调整作用原理相矛盾，尚不能解释天然河道河床演变的各种现象。虽然具体研究河流的演变我们做不到，但不妨碍我们了解一些河床演变的基本知识。根据河流的形态和演变特点，常将河流分为顺直、弯曲和分汊三种河型。在分汊河型中又常分出一种新类别叫做游荡型。二、顺直型河道河床演变顺直型河道的河床特征通常为：中水河床比较顺直或略有弯曲，河床两岸常有犬牙交错的边滩，主流左右弯曲，河床深泓线呈波浪状起伏，浅滩与深槽相间，滩漕水深相差不大。其河床演变特点有：1、浅滩和深槽交替发生冲淤；2、边滩和深槽同步顺流下移；3、河床周期性展宽和缩窄。4、深槽、浅滩和深泓线不断转换位置游荡型河道一般形态为：河身宽浅，何种沙滩密布，汊道众多，水流散乱，主流摆动不定。其产生条件通常为：河床和河岸组成物质较细，极易冲刷展宽，比降、流速、输沙强度都相当大，边滩、心滩移动很快，泥沙淤积严重，洪水猛涨猛落。游荡型河道河床的演变特点有：1、多年平均情况下，河床不断淤积抬高，形成地上河。2、年内的冲淤变化，一般是在汛期主槽冲刷，滩地淤积，非汛期则相反。3、沙洲移动迅速，河道外形经常改变，冲淤变化幅度极大。4、主槽经常摆动，而且摆动的速度和幅度都很大。三、弯曲型河道的河床演变弯曲型河道具有迂回曲折的外形，而且具有蜿蜒蠕动的动态特征。弯道水流的动力特征决定着泥沙运动的性质，从而决定了弯曲河流的演变特性。弯道上的水流做曲线运动，由于离心力的作用使水面产生横比降，同时表层水流流向凹岸，而底层水流则有凹岸流向凸岸，而底层水流则有凹岸流向凸岸，形成一封闭的环状水流，这种环状水流与纵向水流相结合形成螺旋流。弯道河段的演变的特点有：、弯道凹岸不断崩退，凸岸边滩不断淤涨，曲率越来越大，当发展到一定程度时，可发生撇弯甚至自然裁弯取直，老河淤死形成牛轭湖，新河又继续向弯曲发展。、四、分汊型河道的河床演变分汊型河道的形态是宽窄相间的，宽处有江心滩洲，有分、汇流区，断面呈马鞍形，河床纵向面为两端低、中间高。其主要成因是泥沙在宽河段的堆积。分汊型河道的河床演变过程为：洲滩的移动和分合；河岸的崩坍和弯曲；汊道的交替兴衰。五、影响河床演变的主要因素河段的来水量及其变化过程；河段的来沙量、来沙组成及其变化过程；河段的河谷比降；河段的河床形态及地质情况；这四个因素具体反映了水流与河床这对矛盾的有关方面，前三个因素决定着水流条件（挟沙水流），是反映输沙不平衡的基本要素。第四个因素决定着河床条件此外在河流上兴建水库或其他工程设施都将改变天然河流的来水来沙或河床边界条件，从而破坏了河流的平衡状态，引起河床的冲淤变化。这种变化对于水利工程建设和许多国民经济部门产生程度不同的影响，常常需要预先作出估计，并拟订相应工程措施以防止其不利影响。为预测河床冲淤变化过程，可以采用物理模型试验和数学模型计算，或二者相结合的方法。参考文献：[1]钱宁，张仁，周志德.河床演变学[M].第一版，北京：科学出版社，1987.4：313-385.[2]窦国仁.平原冲积河流及潮汐河口的河床演变[J].水利学报，1964（2）：1-13.[3]YangC.T.PotentialEnergyandStreamMorphology[J].WaterResourcesResearch,Vol.7,No.2,Apr.,1971,pp.312-322.[4]ChangH.H.MinimumStreamPowerandRiverChannelPatterns[J].JournalofHydrology，1979，41，pp.303-327.[5]YangC.T.，C.C.S.Song.HydraulicGeometryandMinimumRateofEnergyDissipation[J].WaterResourcesResearch，1981，Vol.17，No.4，pp.1014-1018.[6]YangC.T.VariationalTheoriesinHydrodynamicsandHydraulics[J].JournalofHydraulicEngineering,ASCE.Vol.120,No.6,Jun.,1994,pp.737-756.[7]黄万里.连续介体动力学最大能量消散定律[J].清华大学学报，1981（1）：87-96.[8]WhiteW.R.,BettesR.,andParisE.Analyticalapproachtoriverregime[J].JournaloftheHydraulicsDivision,ASCE.Vol.108,No.HY10,1982,pp.1179-1193.[9]DavisT.R.H.,andSutherlandA.J.Extremalhypothesesforriverbehavior[J].WaterResourcesResearch,Vol.19,No.1,1983,pp.141-148.[10]徐国宾，练继建.流体最小嫡产生原理与最小能耗率原理《Ⅱ》[J].水利学报,2003(6)：43-47.