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清华大学水利系河流动力学概论1河流动力学概论清华大学水利系河流动力学概论2第七章冲积河流的河型1.不同河型及其分类基于水沙运动的河型分类，河流自动调整与河型的成因2.河型成因分析中的极值假说最大输沙效率假说，单位河长最小水流功率假说，其他极值假说3.单流路弯曲河道的演变弯道的水流运动和泥沙输移，蜿蜒河道演变4.多流路河道的演变特性相对稳定分汊型、游荡分汊型，河型转换与控制变量的关系5.河流的纵剖面及其影响因素均衡纵剖面与泥沙输运特性，纵剖面的调整清华大学水利系河流动力学概论3冲积河流的河型:自我塑造的平面形态(planform)冲积河流的河型:自我塑造的平面形态(planform)河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法Colorado河口三角洲淤泥滩上形成的冲积沟道。清华大学水利系河流动力学概论4不同时间尺度上，河型变化的诱因完全不同不同时间尺度上，河型变化的诱因完全不同分析河型成因，就是寻找因果关系：地质构造变化？气候变化？植被？产水产沙？河型发生了变化。需要了解其原因：已经知道结果：显然，在不同的时间尺度上，能够发生变化的因素完全不同，所以分析河型变化原因时，一定要说明：“是针对什么时间尺度？”河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法清华大学水利系河流动力学概论5经过数十年、上百年的自我调整过程，河流平面和断面形态能与流域来水来沙相适应，达到均衡的河道平面形态(河型)。来水来沙条件变化，是河型调整的诱因。地质时段(时间尺度为数百万年)均衡时段(时间尺度为数百年)流域地质、地貌、气候不断变化，为了与之相适应，河道纵剖面和平面形态永不停息地变化。在这个时间尺度上，河流平面和纵剖面形态永远没有“稳定”，而是不断变化、调整。河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法“冲积河道的河型”概念只在均衡时段上有意义清华大学水利系河流动力学概论6可以将河道的平面形态分为两大类，即单流路河道和多流路河道。单流路河道singlethread多流路河道multi-thread多流路河道的形态和成因更为多样化，分类方法不统一。例如：蜿蜒河道meandering例如：游荡河道,辫状河道braided河道平面形态：单路、多路河道平面形态：单路、多路河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法清华大学水利系河流动力学概论7百年尺度上,流域水沙条件决定河道平面形态百年尺度上,流域水沙条件决定河道平面形态输沙量大输沙量小比降大比降小推移质比例大推移质比例小辨状/游荡网状河道系统河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法清华大学水利系河流动力学概论8流域水沙条件决定河道平面形态流域水沙条件决定河道平面形态床沙质多、河谷宽阔、比降大，导致游荡河型出现(辫状，braided)河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法清华大学水利系河流动力学概论9平原河流，床沙质少、比降小，摆动无约束，形成单流路的蜿蜒河型(meandering)河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法“天下第一曲水”-内蒙莫尔格勒河清华大学水利系河流动力学概论10一种河型改变成另一种河型:小型河流突变(数天)上游水沙条件变化引发河型转化上游水沙条件变化引发河型转化河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法St.Helens火山爆发造成泥流下泄,使Toutle河沿程淤积并伴有河型剧变(USGS1981)火山爆发前火山爆发后同一地点清华大学水利系河流动力学概论11上游水沙条件变化引发河型转化上游水沙条件变化引发河型转化河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法原有的河型是相对稳定分汊河型，主流的弯曲系数较大。清华大学水利系河流动力学概论12上游水沙条件变化引发河型转化上游水沙条件变化引发河型转化河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法总沙量和推移质突增后，原有的汊道弯曲系数减少，形成比较顺直的河势，而其中具体的汊道是不稳定的。清华大学水利系河流动力学概论13总沙量和推移质突减后，河弯发育、主槽蜿蜒总沙量和推移质突减后，河弯发育、主槽蜿蜒河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法水库拦沙导致一种河型改变成另一种河型:多沙辩状Æ少沙弯曲13日本天龙川1950年代前后上游修建的11座大型枢纽改变了水沙条件，下游河型转化成较为稳定的弯曲型，局部冲刷加剧。红圈处出现固定顶冲点，局部冲刷深度达到6m.清华大学水利系河流动力学概论14河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法河道平面形态(河型)成因的动力学原理河道平面形态(河型)成因的动力学原理河道形态不断进行调整，以适应上游的水沙条件。调整的方法包括通过变化弯曲系数改变主流比降、调整河床质(河床粗化或细化)、通过河道的冲淤变形改变其平面形态或断面形态等。当上游的水流和泥沙能通过河段顺利下泄时，河型就比较稳定，处于相对平衡状态。为了适应来水来沙调整主流比降调整河床质成分调整平面和断面形态清华大学水利系河流动力学概论15采用泥沙运动力学方法通过计算来确定河型：已知：流量Q和输沙量Qs；求：河宽B、水深H和河道水力坡降J。主要困难：河道形态未知，顺直？弯曲？弯曲度=？需要补充方程。为解决这一问题，提出了各种各样的方法和假说。百年尺度上的河型影响因素，及动力学分析方法百年尺度上的河型影响因素，及动力学分析方法百年尺度上，流域地质、地貌、气候不变，河流平面和断面形态取决于边界节点控制和流域来水来沙。其中节点控制常常是稳定不变的。因此，水沙条件变化往往成为河型调整的主要诱因。河型的概念–均衡时段上的河型–河型的基本分类–水沙条件与河型的关系–河型成因的动力学分析方法清华大学水利系河流动力学概论16第七章冲积河流的河型1.不同河型及其分类基于水沙运动的河型分类，河流自动调整与河型的成因2.河型成因分析中的极值假说最大输沙效率假说，单位河长最小水流功率假说，其他极值假说3.单流路弯曲河道的演变弯道的水流运动和泥沙输移，蜿蜒河道演变4.多流路河道的演变特性相对稳定分汊型、游荡分汊型，河型转换与控制变量的关系5.河流的纵剖面及其影响因素均衡纵剖面与泥沙输运特性，纵剖面的调整清华大学水利系河流动力学概论17河型成因分析中的极值假说河型成因分析中的极值假说1河流的自我调整总是倾向于用给定的能量消耗(河道比降)输运最多的泥沙：γQJ给定，Qs应为最大。2河流的自我调整总是倾向于用最小的能量消耗输运给定的泥沙:对于给定的Qs，γQJ应取最小值。3对于给定的Qs，UJ应取最小值，也就是γQJ/(BH)取最小值。4ΔQ引发因变量B、H、U、J、n、ff、τ0出现相对增量，其平方之和应取最小值极值假说–河流功率的定义–各种假说的等价性-最大输沙效率假说–单位河长最小功率假说–其他假说输沙效率最大单位河长水流功率最小单位时间河流功率最小最小方差假说清华大学水利系河流动力学概论18河流动力学中，河流功率(streampower)特指比降为J(单位为m/m)的单位河长上的水流功率。也就是流量为Q的恒定水流，单位时间内穿越某一断面的水量，经过单位河道长度后损失的势能：Ω=γQJ它其实就是单位河长的总剪切力乘以断面平均流速(下式中P为湿周)：Ω=FxU=τ0xPx1xU=γRJxPx1xU=γx(A/P)xJxPx1xU=γxAxJxU=γxAxUxJ=γQJ也就是单位河长的湿周面积上，水流总剪切力的功率。单位河长水流功率的定义(FU=γQJ)单位河长水流功率的定义(FU=γQJ)极值假说–河流功率的定义–各种假说的等价性-最大输沙效率假说–单位河长最小功率假说–其他假说1QP若取γ=9800N/m3，Ω的单位为瓦/米(w/m)；若取γ=1000kgf/m3，Ω的单位为kgf⋅m/(s⋅m)。清华大学水利系河流动力学概论19单位河流功率的定义(γqJ=τ0U)单位河流功率的定义(γqJ=τ0U)单位河流功率(unitstreampower或specificstreampower)指单位河床面积上的水流功率，即：γQJ/B。它样可理解为单宽水流的势能损失率，也可理解为是单位面积河床上剪切力的功率(即剪切应力的功率)。对于二维流动来说：γQJ/B=γxqxJ=γxhxUxJ=γxhxJxU=τ0xU=τ0U即某些输沙率理论中的主要自变量。单位河流功率的单位为瓦/米2，w/m2，或kgf/[s⋅m])，是用单宽流量计算的河流功率。极值假说–河流功率的定义–各种假说的等价性-最大输沙效率假说–单位河长最小功率假说–其他假说清华大学水利系河流动力学概论20即使γqJ相同，由于动床阻力的可变性，水深和流速仍可能出现多种不同组合，使得不同河流的输沙能力出现较大区别。极值假说–河流功率的定义–各种假说的等价性-最大输沙效率假说–单位河长最小功率假说–其他假说单位河流功率γqJ相同时，下列物理量可能有很大不同：河宽B、水深H、流速U、来沙或床沙的特征粒径D因此,单位河长水流功率相同的河流,输沙能力仍可能会相差很大。此图来源：I.Reid&J.B.Laronne,1995.Bedloadsedimenttransportinanephemeralstreamandacomparisonwithseasonalandperennialcounterparts.WaterResourcesResearch,vol.31,pp773-781.清华大学水利系河流动力学概论21河型成因分析中的极值假说：等价性河型成因分析中的极值假说：等价性最大输沙效率假说：河流总是倾向于用给定的能量消耗(河道比降)输运最多的泥沙单位河长水流功率最小假说：河流总是倾向于用最小的功率输运给定的泥沙如果：流量不变来沙条件不变输沙率能耗率给定能耗率给定的来沙河型调整区均衡条件等价极值假说–河流功率的定义–各种假说的等价性-最大输沙效率假说–单位河长最小功率假说–其他假说清华大学水利系河流动力学概论22一个特定河段中，若流量Q、比降J和泥沙粒径D是恒定不变的，则河道几何形态达到稳定的充分必要条件是：该几何形态能使河流达到最大的输沙率Qs。还没有严格证明,所以称为“假说”(theory)。采用这一假说，可以在已知流量、边岸物质组成(卵石或沙质)和河道比降的条件下，求解稳定河槽、渠道的断面尺寸(主要是过水断面宽度B)。极值假说–河流功率的定义–各种假说的等价性-最大输沙效率假说–单位河长最小功率假说–其他假说最大输沙效率假说清华大学水利系河流动力学概论23Q=500m3/s泥沙粒径D=40mm(卵石河床)比降J=0.00214待求：含沙量S、河宽B(Q为已知量，求得含沙量就等于求得输沙率)计算得到的实际上是宽度与含沙量的关系B~S。找到B~S曲线的最高点，就是输沙效率最大的河宽。断面最优宽度为B=43m，此时依据White等人的挟沙力公式，算出的最大含沙量为S=100ppm(Sv=0.0001)。极值假说–河流功率的定义–各种假说的等价性-最大输沙效率假说–单位河长最小功率假说–其他假说BS最大输沙效率假说的算例清华大学水利系河流动力学概论24其物理意义：在断面几何形态可变的条件下，为了使水流中的含沙量增大(即提高输沙率)，过于宽浅的河流必须束窄河道宽度，而过于窄深的河流必须扩宽河道宽度，达到一个最优的宽深比。其局限性：无法考虑泥沙粒径较细、床面形态多变的沙质河床情况，因为沙波阻力和沙粒阻力相对大小的变化复杂，对推移质输沙率影响更复杂，造成输沙效率随