第十章-河流泥沙及河川过程

第十章河流泥沙及河床演变环境水文学之概述泥沙量是流域管理和水资源管理的重要信息，过高的泥沙量会对水质、水生动物、农林业和环境的非典源污染、河道、水库等基础设施造成影响。泥沙的搬运和沉积涉及到复杂的河床演变过程及其动力学，人们对许多过程缺乏认识。第一节河流泥沙一、河流泥沙的来源1.流域侵蚀降雨形成的地表径流2.河槽冲刷河底冲刷河岸冲刷二、河流泥沙的特性1.几何特性：形状、粒径及其组成2.重力特性：容重和密度（干、湿）3.沉降特性：在水中下沉的状态及其速度三、河流泥沙的分类和表示方法1、按照泥沙粒径大小分1994年，水利部颁发的《河流泥沙颗粒分析规程》，规定河流泥沙按下表分类。2、按泥沙的运动态式分静止：床沙运动推移质悬移质河流泥沙的表示1、含沙量：河水中泥沙的含量，单位为kg／m3。2、输沙率：指单位时间内通过一定过水断面的泥沙总量。单位为kg／s或t／s。3、输沙量：指在一定时段内通过一定过水断面的泥沙总量。单位为t或万t。4、侵蚀模数：是指每km2流域面积上，每年被侵蚀并汇入河流的泥沙重量，单位为t／（km2·a）四、河流泥沙的运动1、泥沙的水力特性河流泥沙的运动不仅与水力条件、水流结构有关，而且也与泥沙特性有关。泥沙特性包括颗粒的大小、形状、容重及泥沙的水力特性。当下沉速度达某一极限值时,阻力与重力恰好相等,则泥沙以均匀速度下沉,这时泥沙的运动速度称为泥沙的沉降速度(ω,cm/s)。沉降速度可表达泥沙直径的大小，故沉降速度也称泥沙的水力粗度。影响因素有泥沙颗粒直径d,泥沙容重rs,水流的紊动强度等。泥沙沉速的基本公式为：ρs及ρ分别为泥沙和水的密度；g为重力加速度；cD为阻力系数，阻力系数与流态有关。2、推移质运动（1）单粒泥沙的推移运动泥沙的起动条件:在分析河槽的冲刷特性时，必须先弄清泥沙的起动条件。据观察，颗粒大的泥沙或砾石，在起动时，常常是单粒地滑动或滚动；颗粒较细的泥沙在起动时往往是成片滚动或跃动。起动流速:泥沙原来在河床上是静止不动的，如果接近河底的水流速度增加到一定数值时，作用于泥沙颗粒的力开始失去平衡，泥沙便开始起动，这时的临界流速称为起动流速（Vc）。泥沙的起动标帜着河床冲刷的开始，即起动流速是河床不受冲刷的最大流速，又称允许流速。止动流速:泥沙停止时的临界流速称为泥沙的止动流速.泥沙的起动流速一般为止动流速的1.2-1.4倍。扬动流速:当流速增大到一定程度后,泥沙不再回到河床上,而悬浮在水中随水流一起下移，这时的水流速度称为扬动流速，它是泥沙从推移到悬移运动的一个参数。2、推移质运动（2）群体泥沙的推移运动河流推移质运动达到一定规模时，河床表面便逐渐形成外形与风成沙丘类似的起伏的水下沙波，称沙波运动。沙波运动是推移质群体运动的一种主要形式，也是构成河床地形的基本单位。2、推移质运动（3）推移质输沙率天然河道的推移质输沙能力用推移质输沙率表示。推移质输沙率是指单位时间内通过河槽单宽的推移质数量，其单位为kg/m·s或m3/m·s。如果上游推移质来量小于本河段推移质输沙率，就形成冲刷；反之，则发生淤积。研究输沙率的规律，判断河槽的冲淤。3、悬移质运动悬移质是泥沙运动的主要方式之一。冲积平原河流所挟带的泥沙中,悬移质占绝大部分,有些山区河流悬移质也可占很大比重.紊动和重力作用是主要因素。3、悬移质运动（1）悬移质的分布与变化悬移质含沙量沿垂线的分布悬移质含沙量在断面内的分布悬移质含沙量沿河流纵向变化悬移质含沙量随时间的变化3、悬移质运动（2）水流的挟沙能力单位水体积的饱和含沙量称为水流挟沙能力。当上游来水中实际含沙量超过本河段水流挟沙能力时,河槽就会淤积,相反则发生冲刷,两者相适应处于输沙平衡状态。在河槽冲淤计算中必不可少。3、悬移质运动（3）河流总输沙量应为推移质与悬移质输沙量之总和。由于推移质输沙量的实测较难,并缺乏完善的推算方法,而且推移质输沙量在总输沙量中所占比例很小往往被忽略不计。因此,除了山区河槽或水库坝上游等特定河段外,平原河流冲淤计算中,以悬移质输沙量代替总输沙量。4、高含沙水流的群体泥沙运动含沙量很高的河流，在汛期常出现一种特殊的高浓度输沙情况,一般当含沙量超过500kg/m3后,泥沙的悬浮不再是分散的单个颗粒悬移,而是组成絮凝结构体,即转化为流动的均质浆体,而进行群体运动。高含沙水流的群体泥沙运动主要特点是:运动模式、悬移运动、推移运动、浆河现象、揭河底现象。总之，高含沙水泥在水流性质、运动及输沙特性上，都和一般水流有本质差异。高含沙水流的研究，在河流含沙量居世界首位的我国的治河事业中，有着特殊重要的意义。2002年7月10日，黄河小北干流（山西和陕西河段）山西河津段大、小石嘴区间出现了百年奇观“揭河底”，河底的淤积物如同地毯一样被水流卷起。五、河流的总输沙量1、多年平均年悬移质输沙量的估算（1）具有长期资料的情况五、河流的总输沙量1、多年平均年悬移质输沙量的估算（2）资料不足的情况五、河流的总输沙量1、多年平均年悬移质输沙量的估算（3）资料缺乏的情况五、河流的总输沙量2、多年平均年推移质输沙量的估算系数法：考虑推移质输沙量与悬移质输沙量之间具有一定的比例关系，在一定的地区和河道水文地理条件下相当稳定，可用系数法计算：五、河流的总输沙量3、河流总输沙量的估算某断面的多年平均年输沙总量，等于多年平均悬移质年输沙量与多年平均推移质年输沙量之和。但由于：（1）推移质输沙量的实测较难，并缺乏完善的推算方法，（2）推移质输沙量在总输沙量中所占比例很小（尤在平原河流中），故它往往被忽略不计。六、影响泥沙数量的因素河流泥沙的主要来源是流域表面的侵蚀和河床的冲刷，而泥沙的多少和流域的气候、植被、土壤、地形因素有关。因此，影响河流输沙量的因素也有三个方面：气候因素：降水、气温、风下垫面因素：地形、植被、土壤人类活动：改变下垫面第一节完第二节河床演变河床演变任何一条江河，其河床形态都在不断地发生变化，只是有的河段变形显著，有的河段变形缓慢或者暂时趋于相对稳定状态。这种河床形态的变化，称之为河床演变。河床演变是水流与河床相互作用的结果，河床影响水流条件，水流促进使河床变化。水流与河床的相互作用是通过泥沙运动来实现的。一、河床演变的一般现象1、纵向变形纵向变形是河床沿深度方向的变化。表现为河床纵剖面和横剖面上的冲淤变化，是由于水流纵向输沙不平衡所引起。纵向输沙不平衡是由于来沙量随时间变化和沿程的变化，河流比降和河谷宽度的沿线变化及拦河坝等的兴建的造成。一、河床演变的一般现象2、横向变形横向变形是河床与流向垂直的两侧方向上的变形。表现为河岸的冲刷和淤积使河床平面位置发生摆动。河流横向变化是由横向输沙不平衡引起的。造成横向输沙不平衡主要是由于环流。最常见的是弯曲河段的横向环流。另外，水流绕过河道中各种障碍物时(沙滩)也能形成环流。一、河床演变的一般现象3、单向变形指在长时间内河流床缓慢地朝一个方向冲刷或淤积不出现冲淤交替。4、往复变形指河道周期性往复发展的演变现象。如洪期冲刷枯期淤积，冲淤交替。二、河床演变的基本原因和影响因素1、河段的来水量及其变化来水量变化使水力条件改变，影响水流的挟沙能力。二、河床演变的基本原因和影响因素2、河段的来沙量、来沙组成及其变化来沙量大，泥沙组成粗，则河床淤积；来沙量少，泥沙组成细，则河床冲刷。3、河段的水面比降水面比降影响水流挟沙能力。水面比降小，将减少河床的冲刷或使河床发生淤积；水面比降增大，则将减少淤积或使发生冲刷。二、河床演变的基本原因和影响因素4、河床地质情况河床地质情况不同，河床抵抗冲刷的能力也不同，疏松的土质河床容易冲刷变形，坚硬的岩石河床甚难冲刷，不易变形。另外，水土保持工程和水利工程建筑物的修建也会影响河床的冲淤变形。三、平原河流的河床演变在横向环流与纵向主流作用下，河流水流实际上呈螺旋形前进。冲击平原的河流，按其平面形态和演变特点的不同，可分成四种类型的河段。三、平原河流的河床演变1、顺直微弯河段河床比较顺直或略有弯曲，河岸的可动性小于河床的可动性。多位于比较狭窄顺直的河谷中。由于沙波在运动过程中，受到河岸的阻碍形成沙嘴，沙嘴处泥沙淤积形成边滩，边滩约束水流，使对岸河流冲刷，形成深槽，河床便呈现出边滩与深槽犬牙交错的形状。三、平原河流的河床演变1、顺直微弯河段顺直(微弯)型河段的演变表现为纵向变形和横向变形。三、平原河流的河床演变2、弯曲河段河床蜿蜒曲折，河岸可动性大于河床可动性，因此在两岸发展河弯弯形。当沙波运动使河床出现犬牙交错的边滩时，由于河岸的可动性大，河床可动性小，河岸冲刷发展较快，边滩下移较慢，因此河床将继续弯曲，形成河弯。水流进入河湾后，水面产生横比降，形成横向环流。三、平原河流的河床演变2、弯曲河段在横向环流作用下，凹岸不断冲刷，凸岸不断淤积，从而使河弯更加弯曲，逐渐发展成为河套。三、平原河流的河床演变3、游荡型河段当河岸和河底的可动性很大时(河床地质组成的可动性)，河床演变会导致游荡型河段的形成。①特点：水流湍急，河身宽浅，沙滩较多，汊道交错，河床变化迅速，主流游荡不定。②形成条件：河床的泥沙淤积作用。决定河段游荡性的水力、泥沙条件是河床具有较大的比降和组成河床的物质颗粒较细的泥沙，因而河床和河岸的可动性大。③形状：游荡性河段往往在平面上是宽窄相间，窄段沙滩较小，水流集中，水流摆动幅度也不大。④适用：游荡性河段稳定性极差，对设置固定式取水构筑物非常不利。如必须设置时，则尽可能设在河床较窄、变动性较小的河段(有坚硬岩露头处)。取水构筑物型式要尽量适应河床可能的变化，并要有备用取水构筑物，同时，必须采取河道整治措施。三、平原河流的河床演变4、分汊河段三、平原河流的河床演变4、分汊河段①特点：河身呈宽窄相间的莲藕状，宽河槽中常有江心洲存在，将河道分成两股或多股汊道。江心洲：其江心存在只有洪水期才被淹没的泥沙堆积体。河道被江心洲隔开分成若干河汊，称为汊道。②形成原因：由于河道放宽，流速降低，以致泥沙淤积。洪水时水流切割边滩或沙嘴，形成心滩，并逐渐发展成江心洲，使水流分汊。由于环流作用，使泥沙堆积，也能形成心滩，并发展成江心洲。汊道经常处于缓慢的发生、发展和衰退过程中。下荆江历史变迁四、河床稳定程度的估算1、纵向稳定程度主要与河床的粒径组成、水面坡度以及河流水深有关，纵向稳定系数f的经验公式如下黄河f=0.18～0.21，长江f=0.27～0.33f越小，泥沙运动越强(颗粒相对细)，河床不稳定。hidf四、河床稳定程度的估算2、横向稳定程度横向不稳定系数e经验公式：B—与河床演变影响最大的洪水流量相应的水面宽（m）；b—枯水时的水面宽（m）。e值越大，说明枯水时露出的沙滩越宽，则洪水对河岸越易冲刷。bB四、河床稳定程度的估算3、河弯稳定程度用经验公式反映，较稳定的河弯应该是：①稳定河弯的长度L和直线段的河宽B关系L=(1.2～1.5)B②稳定河弯的曲线半径R和河弯的过水断面面积F关系FR40五、河川发育和土壤侵蚀天然降水径流聚涧成溪汇溪成河川出露的地下水天然河川：分为河源、上游、中游、下游和河口。河川的侵蚀从河源到河口逐渐减轻，河川侵蚀是土壤侵蚀的一部分，是其流域地区土壤侵蚀的继续。河流的分段特征河流分为上、中、下游三段，但是其划分不是绝对的。有的划分着重地貌特征（河槽的纵降比、冲淤规律等），有的划分着重水文特征（流速、流量等），有的划分考虑综合因素。上游段侵蚀强烈。比降大、流速大、流量小，河槽为基岩或砾石，河谷狭窄，多瀑布急滩，主要是冲刷侵蚀。中游段冲刷与淤积都不严重。比降与流速减小，流量加大，河槽多为粗沙。下游段冲刷与淤积都不严重。比降与流速更小，流量更大，河槽多为细纱和淤泥，多浅滩和沙洲，易发生水灾。水流、河槽、侵蚀、泥沙的相互作用水流塑造河槽，河槽约束水流，相互制约，互为因果。河流具有自动调节作用，流速、流量、含沙量、挟沙能力相互作用，塑造河槽。