港航工程与规划课件第二章-河流特性与河道演变

1河流的一般知识2河流的水文情势3河道演变4浅滩及其规律5河口的动力条件及其演变一、流域、水系、河床流域：一条河流及其大大小小支流的集水范围。分水岭：隔开一条河流的流域与另一条河流的流域。水系：干流+支流第一节河流的一般知识长江流域河流：陆地表面上容泄水流的凹槽。三要素：水流、边界、泥沙河床在枯水、中水、和洪水时期被水流所占据的部分分别称为枯水、中水和洪水河床。河流的分段河流沿河长按不同的自然特征可划分为：河源、上游、中游、下游、河口例如：长江发源于青藏高原海拔6621米的唐古拉山脉主峰格拉丹冬雪山自宜宾至湖北宜昌称上游宜昌至江西湖口称中游湖口至长江口称下游河口段上起徐六泾，下迄50号灯浮长江流域：河源、上、中、下游、河口上游：连接河源，位于河流上段，较大河流的上游往往高山夹峙，沿河有许多峡谷，河床一般窄而深。特点：水流急，落差大，洪水涨落急剧，带有跌水等险滩。中游：河流中段，多位于丘陵地区。特点：河面较宽，河床坡度较平缓，水流较平静。河流横断面图（上游、中游、下游）下游：河流最下一段，大河流下游位于冲击平原地区。特点：河床较宽，复式断面（图），河槽纵向坡度平缓，流速较小。河口：河流终点，大河流入海洋，小河流入湖泊或其他河流，再者消失沙漠之中。二、山区河流与平原河流的一般特征根据河流流经的地形不同，可将河流分为山区河流和平原河流两大类型。山区河流和平原河流由于所处的自然地理、地质地貌和气象条件的不同，其形成过程显然不同，一般特性及演变规律也各有自己的特点。山区河流平原河流横断面呈“V”或“U”字形抛物线或“W”型纵断面陡峭平缓河床狭窄较宽水流湍急、流速大平缓汇流时间短长1、地质特征（1）山区性河流：流经地势高峻，地形复杂的山区地带，河床由难以冲刷的基岩组成（2）平原性河流：流经地带为冲积层（泥沙淤积）2、平面特征（1）山区性河流：急、弯，卡口多（2）平原性河流：河流走势平缓3、横断面特征（1）山区性河流：V、U形；水位上升，宽度变化不大，汇流时间短，净流系数大（2）平原性河流：W、倒三角、抛物线、散乱形；汇流时间大，净流系数小4、纵断面特征（1）山区性河流：纵比降比较大，水面比降也大（2）平原性河流：纵比降比较小，水面比降也小5泥沙特征（含沙情况比较，颗粒大小，推移质、悬移质）（1）山区性河流：泥沙颗粒粗，推移质多（2）平原性河流：泥沙颗粒细，悬移质多6水流特征（水位过程线比较（涨落）：径流系数=径流量/形成径流的降雨量，汇流时间，河床断面形态）（1）山区性河流：暴涨暴落（2）平原性河流：比较平缓天然河流平面大多数情况都是迂回曲折，左右蛇形，这种现象在平原河流上尤为显著。“凹”冲“凸”淤河湾段与直线段河流断面示意图天然河流由于泥沙的淤积，常常在河中形成沙洲，这时水流被分成两股或者数股，这种河段称为分汊河段。主汊支汊镇江市汊道平面图第二节河流的水文情势一、水位河流水面高出某一水准基面的高程影响水位变化的主要因素：河流径流量。还与河段、河宽，季节及潮汐影响有关。常用的特征水位值有如下几个：历年最高洪水位：多年观测记录中的最高水位值；历年最低枯水位：多年观测记录中的最低水位值；平均高（低）水位：每年最高（低）水位的算术平均值；平均水位：多年观测水位的平均值；常水位：在全部观测期中，一半时期在此水位以上，一半在此水位以下的水位。水位过程线a)山区河流；b)平原河流二、水位比降1．纵比降：河水运动主要是由重力所致，河段水面沿河流长度方向的高程差与相应的河流长度相比，称之为水面的纵比降。河段的落差：∆H=H1-H2纵比降：i=（H1-H2）/L=∆H/L河段平均纵比降‰河源——宜宾1.21宜宾——寸汰0.26寸汰——宜昌0.18宜昌——汉口0.036汉口——吴淞0.017长江各河段平均比降表河流的纵比降一般自河源向河口逐渐减小；小河的比降较大河陡，支流的比降较干流陡。纵比降的影响因素：①地层条件：河床土质坚硬，能够抵抗水流的冲刷，比降较大；反之河床土质松软，则比降较平。②河床形态：河床放宽，比降减小。例：峡谷比降大，出了峡谷比降突然减小。③水位升降变化：详见下图说明。图aaaa线，河流深槽与浅滩间，如遇断流，形成一系列水塘；图bbbb线，随水流增大，塘内水满，向下溢流，水面比降与滩底坡度近于平行，而深槽处比降则较平缓；图cccc线，流量继续增加，浅滩上水面比降减小，深槽比降相应增大；图dddd线，流量再增加，水位上涨，发生直线的纵断面；图eeee线，流量还增大，河道平面形状影响超过河底起伏的影响，由于深槽通常在河湾地段，对水流阻力大，因此比降增大。（1）产生原因：河流在弯道处由于离心力和偏转力的作用，会产生横比降。如图所示：偏转力引起的横比降2．横比降：（2）计算公式：Ir=tgα=C/G式中：Ir：水面横比降C：单位水体的偏转力G：单位水体的重力由于离心力作用产生的横比降，如图所示：Ir=tgβ=P/G=V2/Rg式中：Ir：水面横比降V：水流的纵向流速（m/s）R：弯曲半径（m）g：重力加速度（m/s2）P：离心力地球偏转力及离心力综合作用下所产生的横比降为两者的代数和。离心力引起的横比降河床底部比降越大，水面比降越大落差比降示意图偏转力引起的横比降二、流量和流速1．流速及流速分布河流中的流速是指水流某质点在单位时间内所移动的距离，常以m/s计。影响因素河底、河岸的形状、河岸的粗糙程度、河底植物生长、河流冰冻、风速、风向等河流的等流速线图横断面中流速相等各点的连线，见冰冻和畅流时河流横断面上的等流速线图：封冻期河流等流速线图畅流期河流等流速线图河流的等流速线图流速沿水深和沿宽度分布曲线：把横断面各垂线上诸点所测得的流速绘成曲线，可以得到流速沿水深分布图，形状近似抛物线。流速分布图a)流速沿水深分布图；b)流速沿河宽分布图(直段)；c)流速沿河宽分布图(弯顶点处)流速分布规律（1）受河周界摩擦力影响，流速自水面向河底逐渐减少，流速自河中向河岸逐渐减少；（2）沿铅垂线上的流速分布，最大流有时在水面，有时在水面下0.2-0.3m水深处；（3）横断面最大流速一般在最大水深处的水面附近；河面结冰后，最大流速移向断面中部。2．流量单位时间内通过某一过水断面的水量称为流量，常用单位为立方米每秒（m3/s）。起动流速：泥沙颗粒从静止状态转为运动状态的临界水流平均流速。止动流速：泥沙颗粒从运动状态转为静止状态的临界水流平均流速。水流动力轴线第三节河道演变平原河道的演变过程是非常复杂的，它是水流、泥沙、河床相互作用的结果，实质上是因为输沙平衡受到破坏所致。来沙量与挟沙力是否相适应？“平衡是相对的，不平衡是绝对的”河床变形，可以分为纵向变形和横向变形两类。来沙量因时变化和沿程变化河流比降与河谷宽度的沿程变化地壳的上升或下降，海面高程的变化等拦河坝和护岸的兴建等纵向输沙的不平衡←横向输沙不平衡环流←河床变形，就其历时长短和发展方向而言，可分为两类：第一类是在较长时期内的单向变形（渭河）第二类是在较短时期内的周期性往复变形流经冲积平原的河流，按其河床平面外形可分为四类：顺直河段：河岸可冲刷性小，河底泥沙堆积物运动速度相对较快弯曲性河段：河岸可冲刷性大，河底泥沙堆积物运动速度相对较慢分汊性河段游荡性河段：河岸的可冲刷性和河底泥沙堆积物运动速度都极大平原河流典型河道断面图a)顺直型河段；b)弯曲型河段；c)分汊型河段；d)游荡型河段顺直型河道弯曲型河道形成的横向环流弯曲型河道形成的螺旋水流1、定义深槽、过渡段、枯水期、天然障碍物第四节浅滩及其规律枯水期裸露的浅滩2、浅滩的组成图浅滩的组成a)平面图；b)沿深泓线纵断面；c)A-B断面1-上边滩；2-下边滩；3-上深槽；4-下深槽；5-沙梗；6-上深槽尖潭；7-下深槽倒套；8-上沙梗；9-下沙嘴；c-鞍凹；8～c～9滩脊（1）上边滩：或称上沙咀、上岸滩，它位于浅滩鞍槽的上游；（2）下边滩：或称下沙咀、下岸滩，它位于浅滩鞍槽的下游；（3）上深槽：或称上深潭，是浅滩上游的深水河槽部分；（4）下深槽：或称下深潭，是浅滩下游的深水河槽部分；（其中深入上边滩尾部的下深潭的尖端部分，称为沱口，或称尖潭）（5）沙鞍：是连接上下两边滩的一道沙埂，其形状如马鞍，故称沙鞍。沙鞍上最深的部分称作鞍凹。3、浅滩的分类（按滩形特征和碍航情况分）（1）正常浅滩这类浅滩位于蜿蜒性河流两反向河湾之间，且平面形态较好的过渡河段上，上下深槽彼此不相交错，而是通过鞍凹平顺的相连；沙脊前坡与后坡的坡度平缓；鞍凹具有稳定而足够的宽度和深度，水流漫溢的方向与鞍凹的方向一致；这些特点使得这类浅滩对航行有利，一般不需整治，故称好滩。正常浅滩（2）交错浅滩这类浅滩多出现在河身较宽的微弯型河段或曲率较大、过渡段很短的蜿蜒性河段上，它的上下深槽交错形成沱口，缺点是从上深槽流出的水量，相当大一部分经上边滩流入下深槽首部的沱口处，以致在两深槽间的沙脊处流量减少、水深不足；另外由于水流分散，还易使船舶偏航，撞上边滩，发生事故。交错浅滩（3）复式浅滩这类浅滩多出现在比较顺直或过渡段很长的河段内，它是由两个或数个浅滩组成，一般具有沱口。这类浅滩对航行很不利，特别是长船队通过此类浅滩更困难。为了改善浅滩的航行条件，通常在中间边滩上设置挖槽，进行大量的疏浚挖泥工作，开辟新航道。复试浅滩（4）散乱浅滩这类浅滩多出现在河槽宽阔的顺直河段和周期性壅水的河段，它没有明显边滩和滩脊，河床上散布各种大小沙丘，水深很浅，航道散乱。这种浅滩对航运显然是不利的。散乱浅滩4、浅滩的成因（1）在河段突然放宽的地方，过水断面增大，流速降低，水流挟沙力减弱，大量泥沙落於，形成浅滩。（2）在收缩的河段上游，水流因受收缩段的影响，形成壅水，比降变小，流速降低，水流挟沙力减弱，大量泥沙落淤，形成浅滩。（3）在两个河湾的过渡段，由于环流作用的逐渐消失，水流挟沙力减弱，引起大量泥沙落淤，形成浅滩。如果过渡段长和曲率半径大，浅滩就长些，反之，浅滩就短些。（4）在河道分汊处，由于汊道阻力的不同和水流的弯曲，常在汊道之一的入口上游产生较高的壅水，引起泥沙落淤，形成浅滩。在汊道汇合处，由于汊道挟沙数量不同和水流弯曲，在挟沙较多的出口处，常因泥沙落淤，形成浅滩。（5）在支流汇入的地方，如支流挟带的泥沙颗粒较大，超过了干流的挟沙能力，也会落淤，形成浅滩。（6）横跨河流的一些水工建筑物，如桥梁、水闸等，也能使上游水位壅高，引起泥沙淤积，形成浅滩。（7）不适当的裁弯取直，会造成引河冲刷，而在引河下游淤积，形成浅滩。5、浅滩演变的主要影响因素（1）来水、来沙条件来水条件：来水总量、洪峰大小及洪峰过程线的形式、某一特定水位的持续时间。来沙条件：来沙总量、含水量大小、粒径级配及过程线的形式。黄河秦厂站1954年流量、含沙量过程线演变特点：7～9月：冲刷；11～4月：淤积（2）河床边界条件河床的平面形状、纵向形态，河床的组成，边滩的尺度、部位及形状等。①浅滩上、下游的边滩对其冲淤有很大影响：边滩的高低，标志水流归槽水位的高低及对水流导沙作用的强弱。②过渡段的长度对过渡段浅滩的影响：过渡段适当，上下弯道的环流使浅滩对面形成两个大边滩；过渡段太长，常形成两个以上浅滩，浅滩不稳定；过渡段长、河床宽，泥沙大量在河床上淤积，形成心滩或江心洲；过渡段太短，形成交错浅滩，不利航行。③河道的放宽段④在束窄（峡口）上游段⑤支流河口⑥入海河口（3）上、下游河段演变影响①上游河段的影响：主要表现在进入本滩段的水流动力轴线上；②下游河段的影响：主要表现在下游河床冲淤对本河段比降的变化、引导水流走向，使浅滩的冲淤水位和输沙力受到影响。6、浅滩演变的基本规律（1）浅滩的稳定性和活动性稳定性：河床形态没有根本性变化，浅滩不会自行消失。活动性：体现在滩脊高程和位置的变化。（2）浅滩演变的年周期性水文条件的变化，是引起浅滩变化在直接条件，水文条件有年周期的变化，浅滩也有汛期淤、枯期冲刷的年周期变化。大多数浅滩在洪水上涨期淤积，退落时冲刷，即洪淤枯冲。洪淤：洪水中泥沙多，容易淤积；枯