河道演变规律

河道演变规律河流动力学河床演变的基本原理河流动力学河流动力学河床演变是输沙不平衡的直接后果如果进入这一区域的沙量大于该区域水流所能输送的沙量，河床将淤积拾高；相反，如果进入这一区域的沙量小于该区域水流所能输送的沙量时，河床将冲刷降低若进一步追溯输沙不平衡的根本原因，可区分为两种不同的情况，起因于动床水沙两相流的内在矛盾外部条件的不恒定性造成河流动力学当外部条件，即进口水沙条件、出口侵蚀基点条件和河床周界条件保持恒定，且整个河段处于输沙平衡状态时，河段的各个部分仍可能处于输沙不平衡状态这是由于推移质运动往往采取沙被运动形式，而在天然河流上还往往采取成型堆积体运动形式造成的。沙波和成型堆积体的存在将原来均匀一致的水流改造成为在近底部分的收缩段和扩张段，也就是加速区和减速区交替出现的非均匀水流，泥沙在水流加速区发生冲刷，而在水流减速区发生淤积，其结果使得整体上仍处于输沙平衡状态的河床，在局部上己处于输沙不平衡状态，同一瞬间河床高程沿流程呈波状变化；同一空间点河床高程沿时程呈波状变化。值得注意的是，水沙两相流动床的平直状态是不稳定的，施加一个小的扰动波之后就会转变成为波动状态，并在相当大的范围内，有能力将这种波动状态保持下去，这是由水沙两相流的内在矛盾决定的，它反映了输沙不平衡的绝对性，从而也反映了河床演变的绝对性河流动力学使河流经常处于输沙不平衡状态的另一重要原因是，河流的进出口条件经常处于发展变化过程之中进口水沙条件几乎总在变化这主要是由气候因素，特别是降水因素在数量及地区分布上的不稳定性造成的，由此产生的水沙量的因时变化比较显著其它因素，如地形、土壤、植被等也存在一些缓慢的变化，对进口水沙条件的变化也有一定的影响出口条件如果着眼点是前面提到的侵蚀基面，其变化是很缓慢的；如果着眼点是水流条件的变化，如干支流的相互顶托，潮汐破对洪水波的影响等，仍可能产生很大的变化河流动力学河床周界条件通常是比较稳定的，但当局界发生急剧变形之后，如周界的形态和地质组成出现急变，也可能激发新的输沙不平衡河流动力学河床演变的分析方法河流动力学分类按时间特征：长期变形和短期变形；按空间特征：大范围变形和局部变形；按形式特征：纵深向变形和横宽向变形；按方向性特征：单向变形(单向冲刷或淤积)和复归性变形(冲刷淤积交替进行)；按是否受人类活动干扰：自然变形和受人为干扰变形河流动力学影响河床演变的主要因素可概括为河段上游来水量及其变化过程河段上游来沙量、来沙组成及其变化过程河段出口处的侵蚀基点高程及河床周界条件等目前常用的几种演变分析方法天然河道实测资料分析运用泥沙运动基本规律及河床演变基本原理、对河床变形进行理论计算运用河流模拟的基本理论，对河床演变进行预测对条件相类似的河段进行类比分析（在所研究的河段资料不完备的条件下采用）河流动力学天然河道实测资料分析河段来水来沙资料分析根据多年平均流量、多年平均输沙量资料，确定要分折的年份属什么类型的典型年，若为丰水枯沙年．则有利于河道冲刷；若为枯水丰沙年，则有利于淤积；若为中水中沙年，河道可能会处于冲淤平衡状态。进一步划分又可分为丰水丰沙年、丰水中沙年、中水丰沙年：、中水枯沙年、枯水枯沙年等。不同的水沙典型，河道演变的方向、演变的幅度会有明显著异若需要进一步分析河床演变的细节，则需仔细分析水沙过程的年内变化情况，特别是研究浅滩河段年内冲淤变化规律时，涨水和退水时间的长短、沙峰和洪峰孰先孰后、洪峰与沙峰的峰型及峰量等，往往关系到浅滩河段年内冲淤变化及碍航情况河流动力学对水道地形观测资料的整理分析河道平面变化河流动力学对水道地形观测资料的整理分析河道纵向演变及冲淤量估算河段历年实测的深泓线(或河床平均高程线)绘制在同一幅图上，通过分析对照，即可看出该河段沿深泓线(或沿几何轴线)的纵向冲淤变化点绘水位~流量关系图，可以间接判断河床的冲淤情况，并据此分析河段冲淤发展趋势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，用于分析河段年际冲淤变化当河道上设有多处水文站，并有历年实测悬移质输沙率资料时，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，据此可判断该时段内河床的冲淤变化及其冲淤量河流动力学河流动力学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，具体做法是：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；分别计算各断面历次实测控制基准面以下的断面面积；计算各断面相邻两个侧次的断面面积之差，并根据上、下相邻两个断面的间距，计算其间的冲淤量；根据计算所得冲淤量，绘制沿程冲淤变化图河流动力学河流动力学对河床地质资料的整理分析河床地质条件是影响河床演变的重要团素之一当河床由易冲刷的松散沙质组成时，河床的变化将较急剧，河床将不稳定当河床由不易冲刷的土质组成时，河床演变的过程将较缓慢，河床将比较稳定如果河床的地质组成极为复杂，则河床演变的过程也将很复杂河流动力学河流动力学河相关系河流动力学定义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，亦这种均衡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由于河床形态常处在发展变化的过程之中，所谓均衡形态并不意味着一成不变，而只是就空间和时间的平均情况而言河流动力学存在两种河相关系，相应于某一特征流量，如造床流量的河相关系，利用这样的河相关系，对于某一断面，只能确定惟一的河宽、水深及比降。这样的河相关系，适用于一个河段的不同断面，同一河流的不同河段，甚至不同河流。它只涉及断面的宏观形态，而不涉及其细节。在文献中有时称之为沿程河相关系同一断面相应于不同流量的河相关系，它能确定断面形态随流量变化的细节，在文献中有时称之为断面河相关系。通常所说的河相关系，常指沿程河相关系，在用沿程河相关系确定断面的总体轮廓之后，再用断面河相关系确定其变化细节冲积河流水力计算和河道整治的依据河流动力学造床流量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。而实际上影响河床形态及其演变特性的流量是变化不定的，因此，这个单一的造床流量应该是其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某一种流量。这种流量对塑造河床形态所起的作用最大，但它不等于最大洪水流量，因为尽管最大洪水流量的造床作用剧烈，但时间过短，所起的造床作用并不是很大；它也不等于枯水流量，因为尽管枯水流量作用时间甚长，但流量过小，所起的造床作用也不可能很大。因此，造床流量应该是一个较大但又并非最大的洪水流量河流动力学确定造床流量方法马卡维也夫法某个流量造床作用的大小，既与该流量的输沙能力有关，同时也与该流量所持续的时间有关。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的乘积力最大时，其所对应的流量的造床作用也最大，这个流量便是所要求的造床流量计算的具体步骤如下将河段某断面历年(或选典型年)的流量过程分成相等的流量级确定各级流量出现的频率P绘制该河段的流量~比降关系曲线，以确定特级流量相应的比降算出相应于每一级流量的QmJP值，其中Q为该流量级的平均值；m为指数，可由实测资料确定，即在双对数纸上作Gs~Q关系曲线(Gs为与Q相应的实测断面的输沙率)，曲线斜率即为m值，对平原河流来说，一般可取m＝2绘制Q~QmJP关系曲线从图中查出QmJP的最大值，相应于此最大值的流量Q即为所求的造床流量河流动力学实际资料分析表明，平原河流的QmJP值通常都出现两个较大的峰值(见右图)。相应最大峰值的流量值约相当于多年平均最大洪水流量，其水位约与河漫滩齐平，一般称此流量为第一造床流量。相应次大峰值的流量值略大于多年平均流量，其水位约与边滩高程相当，一般称此流量为第二造床流量决定中水河槽的流量应为第一造床流量，第二造床流量仅对塑造枯水河床有一定的作用，通常所说的造床流量系指第一造床流量河流动力学平滩水位法用漫滩水位确定造床流量，是由于按前述方法计算的造床流量水位大致与河漫滩齐平，同时，也只有当水位平滩时，造床作用才最大，因为当水位再升高漫滩时，水流分散，造床作用降低，水位低于河漫摊时，流速较小，造床作用也不强。这一方法亦称漫滩流量法。使用这一方法的困难之处在于河漫滩高程不易准确确定。为了避免用一个断面时河漫滩高程难以确定及代表性不强的缺点，可以在河段内取若干个有代表性的断面，取其平滩水位时的平均流量值作为造床流量此法概念清楚，简便易行，实际工作中应用较广泛造床流量的保证率法河流动力学河相关系hB早期的河相关系早期的河相关系基本上是经验性质的具体做法是，选取比较稳定或冲淤幅度不大，年内输沙接近平衡的可以自由发展的人工渠道和天然河道进行观测，在形态因素与水力泥沙因素之间建立经验关系祈成果，如格鲁什科夫提出的如下宽深关系式其中河宽B及平均水深h是相应于平摊流量而言的、单位为米，ξ通称河相系数，山区河段为1.4，细沙河段为5.5上反映了天然河流随着河道尺度或流量的增大，河宽增加远较水深增加为快的般性规律。进一步的研究表明。ξ与河型密切相关河流动力学近代河相关系量纲分析法谢鉴衡方法最小活动性假说能耗最小假说河流动力学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动的摩阻力与水流作用于泥沙的拖曳力的对比这个比值愈大，泥沙运动强度愈弱，河床因沙坡、成型堆积体运动及与之相应的水流变化产生的变形愈小，因而愈稳定；相反、比值愈小，泥沙运动强度愈大，河床产生的变形愈大，因而愈不稳定河床稳定性河流动力学河床稳定性（续）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。主流顶冲河岸，而河岸土壤的抗冲能力愈弱，则河岸愈不稳定。滩槽高差对河岸的抗冲能力也有一定的影响。滩槽高差愈小，则冲刷同样宽度带走的土方量愈少，因而需要的时间愈短，河岸也愈不稳定，但滩槽高差较小，也可看成河岸抗冲能力甚弱的直接后果河流动力学平滩流量横向稳定系数枯水流量横向稳定系数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河流动力学蜿蜒型河道的演变规律河流动力学定义蜿蜒河流(meander)一词起源于土耳其西南部的梅安德(Meander)河，因该河很清楚地呈现出的扭曲折的流路，后来即以该何名代表蜿蜒型河流蜿蜒型河段是冲积平原河流最常见的一种河型，在流域条件变化十分广泛的范围内，都存在这种河型从土壤地质看，绝大多数河岸是粘性土壤和中细沙或沙砾组成的二元相结构，河谷都比较开阔在我国这种河型分市得十分广泛河流动力学下荆江弯曲河道河流动力学形态特征从平面上看，蜿蜒型河段是由一系列正反相间的弯道和介乎其间的过渡段衔接而成的在较长的蜿蜒型河道上，自上游过波段中点起沿河道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线长度L0与起点至终点的直线长度L1之比，称为曲折系数下荆江的曲折系数原为2.84，几经裁弯取直后，降为1.89，南运河的曲折系数为1.96河流动力学单个河弯而言，上下两个过渡段的中点之间的曲线长度Lc与直线长度Ll之比为该河弯的曲折系数相邻两弯顶的横向距离Bm称为摆幅单个弯道的弯曲程度是沿程变化的。但在一定的范围内常近似为圆弧形，因而可用圆弧半径只来表示其弯曲程度，称为曲率半径R的大小与河流尺度和动量有关河流动力学在曲率半径为尺的单个弯段内，上游起点和下游终点辐射线所构成的夹角称为中心角θ凹向水流的河岸为凹岸，凸向水流的称为凸岸二者在平面上都是左右相对的。两反向弯道之间的直线段称为过渡段河流动力学