第6章-河道演变规律

河流动力学河床演变的基本原理及分析方法河相关系及其理论蜿蜒型河道的演变规律分汊型河道的演变规律游荡型河道的演变规律第六章河道演变规律一、河道演变的概念河道演变（fluvialprocessing)：自然条件及人类活动影响下河床所发生的变化过程。广义上:从河源到河口流经河谷的形成及发展的整个历史过程。狭义上：近代冲积河床的变化。河床演变是水流、泥沙、河床相互作用的结果，以泥沙运动作为纽带。河床演变实质：泥沙的冲刷、搬运、沉积。根本原因：输沙不平衡第六章河道演变规律§6-1河道演变的基本原理演变基本概念1、输沙不平衡是产生河床演变的根本原因；①动床水沙两相流的内在矛盾外部条件恒定、整个河道输沙平衡，局部河段仍可能处于输沙不平衡状态沙波的存在，动床平直状态的不稳定性输沙不平衡的绝对性，河床演变的绝对性②外部条件的不恒定性产生不平衡的原因可能有：进口水沙条件；出口侵蚀基点（包括侵蚀基面和水流条件如潮汐）；河床周界条件如沙波运动。2、河床具有自动调整作用。调整方向是从输沙不平衡向平衡的方向发展，通过改变河宽、水深、比降、床沙组成使挟沙力与来沙相适应。第六章河道演变规律§6-1河道演变的基本原理和分析方法演变基本概念如上所述，河流内部矛盾的发展和外部条件的变化都可能使输沙平衡遭到破坏，从而使河床变形。同时河床又具有向平衡状态进行自我调整的能力，使得河床演变得以持续进行。这就是河床演变的基本原理。第六章河道演变规律§6-1河道演变的基本原理演变基本原理第六章河道演变规律§6-1河道演变的基本原理演变基本原理流域中对河流过程中最重要的是影响因素就是气候对实际工程有重要影响的泥沙输运问题一般其时间尺度都限于百年以内。从而流域内的气候、地形、植被、岩性可视为确定的自变量，河流沿程地质构造的升降运动可以忽略，侵蚀基准面（内陆湖泊水面，海平面）也可视为是稳定的，河道形态（包括：流量、输沙率、泥沙粒径、河谷比降、岸壁阻力等）是因变量，它是由其它自变量决定的。第六章河道演变规律§6-1河道演变的基本原理演变基本原理来水量及其变化过程来沙量、来沙组成及其变化过程；河段出口处的侵蚀基点高程，即河段的比降；河床周界条件，即河段所在区域的地貌条件。第六章河道演变规律§6-1河道演变的基本原理演变基本原理1、实测资料分析；河演分析2、理论分析：运用泥沙运动基本理论及河床演变基本原理；3、模型试验研究；河工模型或物理模型4、类比分析；5、数学模型计算；6、新技术的运用；第六章河道演变规律§6-2河道演变的分析方法1、来水来沙资料分析；来水来沙条件是影响河床演变的主要因素。来水来沙的数量、过程及水沙组合，直接关系到河床演变的结果。因此，确定水、沙典型年往往是探求河床演变原因的重要途径主要包括：来水来沙量及其过程，来沙级配。年内变化、多年周期性变化、典型水文年确定。第六章河道演变规律§6-2河道演变的分析方法实测资料分析第六章河道演变规律§6-2河道演变的分析方法实测资料分析根据历年水位、流量实测资料，可绘制同流量下的水位过程线，分析河段年际冲淤变化。第六章河道演变规律§6-2河道演变的分析方法实测资料分析当河道上设有多处水文站并有历年实测输沙量资料时，可以根据输沙平衡原理，计算某时段内上下水文站输沙量之差，据此判断该时段内河床的冲淤变化及其冲淤量。第六章河道演变规律§6-2河道演变的分析方法实测资料分析当河段内有若干次实测大断面成果时，则可进行河道断面的冲淤计算：1）每个断面选择一个定常的、比较高的控制高程作为断面冲淤计算的基准面；2）分别计算各断面历次实测控制基准面以下的断面面积；3）计算各断面相邻两个测次的断面面积之差，再根据上下相邻两个断面的间距，计算其间的冲淤量；4）根据计算所得冲淤量，绘制沿程冲淤变化图。第六章河道演变规律§6-2河道演变的分析方法实测资料分析第六章河道演变规律§6-2河道演变的分析方法实测资料分析1、来水来沙资料分析；来水来沙量及其过程，来沙级配。年内变化、多年周期性变化、典型水文年确定。2、对水道地形观测资料的整理分析•河道平面变化；岸线变化，断面变化，主流变化；通过收集历年河道地形及有关河道变迁资料，对地形图套绘。•河道纵向变化及冲淤量估算：深泓线、动力轴线、河段冲淤量利用水道地形图可以分析河段的历史演变、近期演变、预估其发展趋势。3、对河床地质资料的整理分析河床边界条件：地质资料、地貌资料等。第六章河道演变规律§6-2河道演变的分析方法实测资料分析一、均衡关系能够自由发展的冲积平原河流的河床，在水流的长期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡的河床形态，在这种均衡状态的有关因子（如水深、河宽、比降等）和表达来水来沙条件（如流量、含沙量、泥沙粒径等）及河床地质条件的特征物理量之间，常存在某种函数关系，这种函数关系称为河相关系或均衡关系。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量什么是冲积河道演变中的均衡状态（相对稳定状态）（1）在数百年内（准衡时段）河道的主要几何尺寸基本不变。（2）存在一各自动调整的负反馈机制，能够消除对平衡状态的偏离。（3）莱茵（Lane）的完整性图解：输沙率Qs、来沙中值粒径D50、流量Q和河道比降J互动调整趋向于达到如下平衡：第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量一、均衡状态1)、以河道形态随时间的变化为依据在一定时间段内，如果流域来水来沙条件和边岸抗冲性是稳定不变的，则河流会在自动调整自身的空间形态，其宽度、比降和弯道形态在平均意义上维持一个相对稳定的值。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量一、均衡状态①纵向稳定系数——河床在纵深方向的稳定性主要决定于泥沙抗拒运幼的摩阻力与水流作用于泥沙的拖曳力的对比。这个比值可用希尔兹数的倒数来表达，比值越大，河床越稳定。②横向稳定系数——横向稳定与河岸稳定密切相关。从问题的物理实质来看，决定河岸稳定的因素主要是主流的顶冲地点及其走向和河岸土壤的抗冲能力。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量一、均衡状态③综合稳定系数由于河流是否稳定，既决定于河床的纵向稳定，也决定于河床的横向稳定，很自然地会联想到将这两个稳定系数联系在一起，构成一个综合的稳定系数。缺点：需要长期观测，可能不易识别第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量一、均衡状态22.05.02)()(11BJQhJDbh2）、以河道内泥沙的输运过程为依据河道形态达到均衡的根本原因是水沙输运过程达到了动态平衡。上游来水来沙恰好不冲不淤。麦金(Mackin)(1948)提出的定义：“一条均衡河流是在经过一定的年月以后，坡降经过精致的调整，在特定的流量和断面特征条件下，所达到的流速恰好使来自流域的泥沙能够输移下泄。均衡河流是一个处于平衡状态的系统；它的主要特点是控制变量中任一个变量的改变都会带来平衡的位移，其移动的方向能够吸收这种改变所造成的影响。”不足：仅把河道比降作为关键变量，没有考虑断面型态（比如河宽）的调整。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量一、均衡状态3）、以河道的输沙耗能效率为判据对于恒定流量和恒定含沙量的情况，河道的最优运行效率表现为在可能的范围内使输运这一来沙量所消耗的水流机械能最小，也就是通过自我调整、最后得到允许范围内的最小河道比降。不足：水流的机械能的消耗并不都用于输运所挟带的泥沙。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量一、均衡状态上述各种均衡河流的定义中都存在一些不确定之处。实际中应用这些定义来检验一条河流是否处于平衡状态时还有一定困难。由于河道形态不断在断面、平面、纵向上进行三维的调整，来水来沙条件又逐日、逐月、逐年变化，所以河流的均衡不可能是完善的、瞬时意义上的，一般是只能在准衡时段内、在平均意义上实现。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量一、均衡状态尽管天然河流的均衡河道形态，是由随机变化的流量过程所塑造出的，但是从理论上说，还是可以通过在河道中恒定施放某个中等流量和相应含沙量而塑造完全相同的均衡河道型态。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量无论是河床的稳定系数，还是河相关系，都要使用单一的所谓造床流量作为特征流量。造床流量——造床作用与多年流量过程的综合作用相当的某一种流量。不等于最大洪水流量，（流量大，但历时短）不等于枯水流量，（历时长，但流量小）造床流量应该是一个较大但又并非最大的洪水流量。工程中常常依据造床流量来设计常年河流（有时也包括间歇河流）的断面和平面形态，如河宽、水深、弯道形态等。为此，需要对造床流量的大小进行定量计算。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量确定造床流量，目前理论上还不够成熟，在实际工作中，一般多采用下述方法。（1）马卡维也夫法（2）平滩水位法（3）采用某一频率或重现期的流量作为造床流量（4）有效输沙流量法第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量计算思路：造床能力不仅与流量有关，还与输沙能力有关，同时与该流量所经历的时间长短有关。前者可认为与流量Q的m次方及比降J的乘积成正比，后者可用该流量出现的频率P来表示。因此，当QmJP的乘积为最大时，其所对应的流量的造床作用也最大，这个流量就是所要求的造床流量。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量计算过程：(1)将历年或典型年的流量分级；（2）确定各级流量出现的频率；（3）绘制河段的Q~J关系；（4）计算每级流量的QmJP（5）绘制Q~QmJP关系；（6）从图中查出QmJP最大值的Q。第一造床流量第二造床流量平滩水位（bankfullstage)和平滩流量(bankfulldischarge)平滩水位指淹没稳定主槽、到达新生河漫滩表面的水位。平滩流量指水位达到平滩水位时的流量。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量为什么选择平滩流量作为造床流量？平滩前：水流只塑造主槽漫滩前，水流在主槽中集中流动，流速大，挟沙力较强。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量平滩后：滩地也受到塑造。漫滩后，滩面上水深小、阻力大，流速降低十分显著，泥沙大量落淤在滩地上，其中靠近主槽的部位淤积较厚、淤积颗粒较粗，形成沿主槽的自然堤。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量平滩流量标志一个转折点河道形态的演变并不是对所有的流量级都作出同样的反应，只有当流量达到某一个特征值时才会有明显的形态变化，而平滩流量正好用了来作为这样一个特征流量。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量如果河流具有比较规则的河槽断面形状，其平滩水位一般可以从水位-宽深比(B/H)关系曲线的最低点(或dB/dH的最大值)判断得到，并进一步从水位-流量曲线求出平滩流量。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量优点：比较易于应用缺点：没有一个普遍适用的方法来确定其准确值，需要综合考虑造床过程和具体河段的形态特征进行判断。不适用于没有明显中水河槽或主槽变动频繁的河流。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量一些分析表明，上述方法在不同河流上得到的平滩流量，其重现期大致相同（为1.2至1.5年），由于流量重现期的计算比较简单可行，所以可以用某一频率或重现期的流量代替造床流量。缺点：平滩流量，其重现期具有较大的变化范围（1年至50年），只有大约60%的实例中平滩流量重现期在1至2年之间。第六章河道演变规律§6-3河相关系与造床流量二、造床流量能够自由发展的冲积平原河流的河床，在水流的长期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡的河床形态，在这种均衡形态的有关因子(如水深、河宽、比降等)和表达来水来沙条件(如流量，含沙量、泥沙粒径等)及河床地质条件(在冲积平原河流中其本身的部分甚至整体往往又是来水来沙条件的函数)的特征物理量之间，常存在某种函数关系，这种函数关系称为河相关系或均衡关系。（