12 河床演变学(第十一章第二节、第三节)

河床演变：在不恒定的进岀口条件及复杂可动边界的水沙二相流运动的一种体现形式.整治：用工程的手段达到兴利除害.防洪农田水利，水力发电，给水和排水，航运及水产养殖等山区河流河床形态：断面形态：U或V字形（下切），谷坡为阶梯状. 阶地是河流下切的产物.海面湖面侵蚀基准面的下降及气候变迁带来的沙量减少来水量增大，使河流侵蚀作用加强.平面形态：河道曲折多变,沿程宽窄相间，比降大，急滩深潭上下交替，二岸与河心常有巨石突出，岸线和床面极不规则.河流走向由地质构造运动决定.水流及泥沙运动:1河流流态：河床形态不规则. 流态紊乱险恶，常有回流，旋涡，水跌，水跃，急弯，剪刀水，横流•洪水暴涨暴落2洪枯流量相差大3悬移质含沙量视地区而异（岩石风化不严重和植被好的地区含沙量少）4河道的推移质多为卵石及粗沙河床演变：1山区河流比降大流速大含沙量不饱和：利于河床向冲刷方向发展2部分河段暂时性淤积和冲刷1卵石运动引起的演变（汛期淤积增大，枯季冲刷，年内基本平衡）2悬移质运动引起（1 一般为冲泻质2宽谷段由主流摆动出现的回流淤积3宽谷段由下游峡谷壅水引起的淤积）3溪口滩形式岀现的（1大的山区河流，当二岸溪沟发生洪水或泥石流时，常在溪口堆积成溪口滩2冲积物量大粒粗，不易被主流带走，表现为冲冲淤淤）4地震山崩滑坡引起（大规模地地震山崩滑坡引起河道堵塞，引起上下游岀现壅水和跌水，剧烈改变水流和河床形态）开发与利用1开发旅游2能源宝库3航运具潜力平原河流概述：平原河流流经地势平坦，土质疏松的平原地区.形成过程主要表现为水流的堆积作用河床形态：平原河流在平面上具有，顺直，分汊，弯曲，散乱四种.横断面分抛物线形，不对称三角形,马鞍形，多汊形.河漫滩是位于中水河槽两侧，在洪水时能被淹没的高滩.由堆积作用造成的平原河漫滩.成型堆积体：冲积河流的河底有规律地分布着各种形式的大尺度沙丘，统称〜主要5种:1边滩2浅滩3 沙咀4江心滩5江心洲枯水期边滩有漂亮心型沙洲岀露--浅滩--支流河口三角洲--江心滩/水流及泥沙运动:平原河流集水面积大，流经土壤疏松，坡度平缓地带，汇流时间长，且降雨分配不均，支流入汇有先后，故洪水没有陡涨陡落的现象，持续时间较长/平原河流水沙运动的基本模型是滩槽水沙交换•两种情况:1 河漫滩和中水河槽平行2具有弯曲外形的中水河槽位于顺直或微弯的洪水河槽之中河漫滩和中水河槽平行/河床的演变：体现在河槽中成型堆积体的发展变化上.规律是汛期淤积壮大，枯季冲刷萎缩冲积河流类型：平面形式--演变规律：顺直型--边滩平移型，弯曲型--蜿蜒型，分汊型--交替消长型，散乱型--游荡型.//河床演变分类：1时间特征：长期，短期.2空间特征：大范围，局部.3演变形式：纵向，横向.4方向性特征：单向，复归性.5引起演变的外力：自然，人工干扰.//影响因素：1进口条件（上游来水条件，上游来沙条件）2岀口条件（侵蚀基点条件：河面、湖面、海面等）3河床周边条件：（地理、地质条件: 河流比降、宽度,河底、河岸的组成）河床演变的根本原因：输沙平衡的破坏.G o G i：岀入区域的输沙率，B、L:区域的宽度和长度匚y°：时段.It内的河床冲淤厚度（淤+ ,冲—”'淤积物的干密度/河流自动调整作用：当外部条件变化引起输沙平衡的破坏，河流进行自动调整以达到新的输沙平衡.特征1平衡趋向性2调整多样性3 反应的整体性4河床变形滞后性 5 能耗最小河流水力几何形态：能够自由发展的冲积平原河流的河床，在挟沙水流长期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡状态.与河床的稳定性、特征流量密切相关.河床稳定指标：研究冲积河流的河床演变特性时，引入一特征参数之一河床稳定指标：纵向，横向，综合/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水流运动的摩阻力与水流作用于泥沙的拖曳力的对比.洛赫庆系数-h1愈大，河床愈稳定/横向稳定系数：横向稳定与河岸稳定密切相关,决定河岸稳定的因素是主流顶冲地点及走向，河岸土壤抗冲能力./ 造床流量：造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的流量.马卡维也夫法：相应于最大峰值的流量值约相当于多年平均最大洪水流量,其水位约于河漫滩齐平，此流量为第一造床流量.决定中水河槽流量，通常所说的造床流量为二/相应次大峰值的流量略大于多年平均流量，其水位约与边滩高程相当，此为第二造床流量，仅对枯水河槽有作用. 平滩水位法在河段内取若干个有代表性的断面，取平滩水位时平均流量作为造床流量/造床流量保证率不同国家相差很大/河相关系：自由发展的冲积平原河流河床在水流长期作用下形成与所在河段条件相适应的均衡水力几何形态，在这种均衡形态的有关因素和表达来水来沙条件及河床地质条件的特征物理量之间存在的函数关系称为河相关系或均衡关系//沿程河相关系：相对某一特征流量的河相关系.适用一个河段不同断面，同一河流不同河段，甚至不同河流/断面河相关系：同一断面相应于不同流量的河相关系/早期河相关系是经验性质的.选比较稳定或冲淤幅度不大，年内输沙率接近平衡的可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/近代量纲分析法，联解公式，量纲分析/匚河相系数，河型有关.B0.5/h=C 反映天然河流随河道尺度或流量的增大,河宽增加远较河深增加为快的一般性规律/河流纵剖面：也属于一种河相关系，分为河床纵剖面和水流纵剖面/河道整治是在总体规划的基础上，通过修建整治建筑物或采用其他整治手段，调整水流结构及局部河床形态，使河床向着有利的方向发展/河道整治规划1洪水整治规划2中水整治规划（河势规划）3枯水整治规划/河势指一条河流或一个河段的基本流势，也称基本流路.河势规划遵循因势利导综合整理的原则/堤防工程：包括规划. 设计.施工.防汛抢险和岁修管理等.. 规划与设计包括1堤线选择2堤顶高程和堤防间距3堤身横断面（一般设计为梯形.主要设计参数是堤身稳定性、堤顶宽度及临、背水边坡系数”护岸工程1下层工事（枯水位以下,包括护底护脚，总称护脚）2中层工事（两者之间，块石护坡可分为抛石和砌石两种）3上层工事（洪水位加波浪爬高和安全超高以上，平整岸坡，栽种树木，修建集水沟”枯水河床整治：在碍航浅滩上修建整治建筑物，以改善通航条件/通航保证率:在规定的航道水深下一年内能够通航的天数与全年天数之比，常用百分率表示/航道尺度：1航道最小水深2航道宽度3航道曲率半径14流速及流态5过河设施/设计水位：根据通航标准达到航道尺度的起算水位1算术平均2保证率法3保证率频率法/整治水位：与整治建筑物头部高程齐平时水位1经验数据法：由边滩高程确定2造床流量法：第二造床流量相应水位//整治手段：枯水河床整治是要解决枯水期碍航问题，整治手段与浅滩整治相同1修建枯水整治建筑物：丁坝（长丁坝束狭河槽改变主流位置，短丁坝迎托水流外移）顺坝（束狭河槽导引水流，调整河岸）锁坝（塞支强干）导流建筑物（激起人工环流）2采用疏浚或爆破工程：山区石质河流.爆破工程多用于山区河流质河床的疏浚/顺直型河段/ 几何形态：从平面看，这种河段比较顺直，河槽两侧分布的犬牙交错的边滩和深槽或上下深槽之间存在的较短的过渡段，常称浅滩/主要判断指标是曲折系数：顺直型河段一般小于1.2（蜿蜒型河段曲折系数更大）边滩长宽比为5./曲折系数：自上游过渡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与起点至终点的直线长度之比/水流：造床流量下，边滩头部水位沿程降低，滩尾水位略有升高，深水部分相反. 低水位浅滩段水深小比降陡流速大，深槽段水深大比降缓流速小.流量增加时，浅滩段比降减小，深槽段比降增大/输沙:横向分布看，边滩的推移质输沙率远大于深槽.纵向分布，边滩中部输沙率大于滩头和滩尾的.深槽相反，中部输沙率小于深槽头部和尾部的，此规律与流速场相应// 边滩长度定量b=0.57B,l=2.8B/流量变化浅滩影响：1洪水期浅滩淤积深槽冲刷2枯水期浅滩冲刷深槽淤积3推移质和悬移质中的床沙质参加造床运动/演变规律：通过推移质运动使边滩深槽浅滩作为一个整体下移/不利结果：1边滩下移使河道不稳定2航运困难3港口淤积4取水困难/整治原则固定边滩使其不向下游移动，稳定整个顺直型河段.措施修建上挑式淹没丁坝群/蜿蜒型河段/几何形态：由一系列正反相间的弯道和介乎其间的过渡段衔接而成横断面：弯道段呈不对称三角形，凹岸坡陡水深，凸岸坡缓水浅.过渡段呈对称的抛物线形或梯形/水流：横比降导致凹岸凸岸纵比降不同，形成横向环流，环流的方向，上部恒指向凹岸，下部恒指向凸岸/横向环流:是否产生环流：水流是否弯曲来确定.横向环流：上部恒指向凹岸，下部恒指向凸岸./输沙:横向环流存在，决定泥沙运动特点1洪水期弯道段水流挟沙力大于过渡段，枯水期弯道段水流挟沙力小于过渡段2洪水期槽冲滩淤，枯水期槽淤滩冲3床沙:异岸输移同岸输移，聚散现象/演变：2种/一般：曲折程度加剧，河长增加，曲折系数增大.横断面变形表现为凹岸崩退凸岸淤长.两岸冲淤面积接近相等，断面形态不变，断面接近平衡/突变1自然裁弯：河段发展由于某些原因使同一岸两个弯道弯顶崩退，形成急剧河环和狭颈.狭颈的起止点相距很近，水位差较大，如遇水流漫滩，在比降陡流速大时可将狭颈冲开，分泄部分水流形成新河2撇弯：曲率半径很小的急弯，凹岸淤积3切滩:凸岸边滩较低，抗冲能力低/形成条件：1从能量观点解释:要求河流比降小流速小2认为顺直水流的不稳定性是形成蜿蜒型河段的原因/裁弯工程规划设计：引河线路与引河平均形式（根据地质，引河平面形态，与上下游河段的衔接统筹考虑.引河长度以裁弯比为控制标准.断面为梯形）/引河断面可设计成最终过水断面的1/5〜1/15/分汊型河段/1平面形态：上端放宽，下端收缩中间最宽2横断面：分流区汇流区均呈马鞍形，分汊段为江心洲分隔复式断面3纵剖面：两端低中间高上凸形态，呈起伏相间形态/演变规律:汊道演变特点：主支汊易位（上游水流动力轴线摆动，引起分流分沙变化”整治措施1分汊河段固定：在上游节点，汊道入口及江心洲首尾修建整治建筑物2改善汊道（调整水流调整河床）3堵汊工程：塞支强干，修挑水坝锁坝/水流/分流区高水下移低水上提.水位:支汊高于主汊/汇流区水位:支汊高于主汊/输沙：分流区两侧含沙量大中间较低.汇流区两侧含沙量小中间大，底部含沙量更大/游荡型河段/形态特征：河身顺直,曲折系数小于1.3.较长范围内往往宽窄相间.河段内河床宽浅，洲滩密布，汊道交织/水流：河床宽浅，平均水深小，流速大.洪水暴涨暴落.年内流量变幅大/输沙:含沙量大，同流量下含沙量变化大，流量与含沙量关系不明显/演变规律1多年平均河床逐年抬高2年内冲淤变化是汛期主槽冲刷滩地淤积.非汛期主槽淤积滩地冲刷3平面变化规律：主流摆动剧烈，主槽位置摆动，摆动幅度大，河势变化迅速/形成原因：流量一定时比降陡流速大.组成河槽物质为颗粒细的散粒泥沙，在较强水流作用下易冲易淤.来水量小来沙量大河床比降大/整治措施：综合治理.水土保持修建水库发展灌溉和河床整治/浅滩特征类型：处于两反向弯道间的沙梗即常见浅滩.五部分：上边滩. 下边滩.上深槽.下深槽.浅滩脊.类型1正常2交错3复式4散乱/演变因素:1流速减小2环流变化3洪枯水流向不一致4输沙不平衡//规律：有纵向变形横向变形，单向变形与复归变形，主要为复归.即随河道水文过程而呈周期性变化，浅滩与淤积周期性交替.整治：修建整治建筑物和浅滩疏浚（维护性.基建性”挖槽水力计算:1设计挖槽横断面2确定挖槽方向角9.3估算水位降落.。

《河床演变学 [浅谈古尔图河河床演变规律及其整治]》摘要：①古尔图河水情特征：古尔图河属于山区季节性多泥沙河流，河道枯水期(流量10m3/s以下)有5个月，即1、2、3、4、5月上旬、12月中下旬;平水期(流量10m3/s30 m3/s)有4.5个月，即5月中下旬，6月上旬、9、10、11、12月上旬;洪水期(流量30 m3/s 个以上)有2.5个月;水量随气温、降雨变化较稳定，且在时间、空间分布规律较明显，c河床演变特性：①河流比降较大，水流具有较强的携沙能力，输沙常处于不饱和状态，所以古尔图河河流的河床演变是以纵向冲刷下切、横向侵蚀拓宽为主的发展趋势，河流中的泥沙运动是产生河床演变的主要原因，河床冲淤变化也是泥沙运动的结果;因此，研究河床演变规律、了解河流泥沙的来源及其特性，是整治泥沙危害变害为利的首要任务，同时也是保护自然环境、实现可持续发展的重要途径之一新疆河流均为冲积扇河流，全疆绝大部分灌区、村庄、主要城镇均处于各河道冲积扇上;新疆乌苏市古尔图镇及农七师123、124、125、127团就位于古尔图河下游的冲积扇上;古尔图河发源于发源于天山北麓的博罗科努山，属于典型的山区季节性多泥砂河流，每年汛期暴雨、泥石流导致上游河床严重淤积，险情不断，水利工程损毁严重，造成引水排沙两难的境地;下游自然环境因河床演变和人为因素破坏，导致部分国家级保护植物如野生胡杨、白梭梭等自然植被枯死，农业需水量得不到满足，给古河流域的人民带来了沉重的负担，严重制约了农业经济的发展;因此，了解和掌握河床演变规律、整治泥沙淤积具有重要意义，同时也是保护自然环境、实现可持续发展的重要途径之一。

古尔图河流经古尔图牧场，在甘家湖牧场与奎屯河、四棵树河汇合，由南至北注入艾比湖。

古尔图河全长115公里。

主要由五条支流汇合而成，后经哈拉少拉山流出，河床最宽处250米左右，由南至北而下，年径流量3.45亿立方米，泉水年涌水量2.61亿立方米，汛期最大瞬时洪峰流量110m3/s。

1.阐述弯曲型和分叉型河流的水沙运动特性以及与地形的关系。

弯曲型河流的水流特征：水流作曲线运动时，要求有一定的向心力，这样水面要产生横比降，从而有造成了横断面上的环流，它与纵向水流结合在一起，成为了旋转流，对纵向水流产生明显的影响。

弯曲型河流的泥沙特征：悬移质泥沙在垂线分布不均匀，上细下粗，上希下浓。

不同高程上的流线在水平面上展开的结果，将使含沙量高的水体和较粗的泥沙集中靠近凸岸，凹岸的水相对较清，泥沙要细一些，含沙量在垂线上的分布也要均匀一些。

推移质的横向输移有同岸输移和异岸输移两种方式。

泥沙由弯道凹岸输移到下游弯道同一岸的，称为同岸输移。

输移到河湾的凸岸和下游弯道另一岸的，称为异岸输移。

对于弯曲型河流来说，推移质泥沙应包括两部分，由上游凸岸边滩下来的推移质以异岸输移动为主。

在弯道凹岸冲刷的泥沙，其中以弯顶稍下游冲刷最甚，这部分泥沙中的推移质运动将以同岸输移为主。

弯道的旋转流运动使得推移质运动有向凸岸集中的趋势，从而形成了凸岸边滩和凹岸深槽。

根据流水与河床相互作用的情况以及河谷的特点，河湾可以分为自由河湾，深切河曲，限制性河湾。

自由河湾具有宽广的河漫滩，弯道发展不受限制，中，枯水时水流受弯道约束，流路弯曲，不断引起凹岸坍塌和凸岸淤涨。

洪水时水流漫滩，流路趋直，对弯道的造床作用反而较小。

深切河曲多出现在山区，河湾与河谷的弯曲形势是一致的，因而各级水流对弯道都有一定得作用，而且所形成的弯道曲率半径比较大。

限制性河湾，河湾受到局部地形限制，水流方向急剧改变，弯顶成锐角折线。

分叉型河流的2.试述长江口、黄河口、珠江口、钱塘江口河床演变的主要特点1.长江口河床演变的主要特点：缓混合陆海双相河口的演变特点是：陆相泥沙和海相泥沙的来源丰富，径流与潮流相互消长，力量相当；陆相泥沙和海相泥沙对河口河床的塑造都起显著作用。

在冲积平原上的河口演变，如中国长江口。

这类河口发育充分，河槽纵比降平缓，河床容积较大，平均潮差不大，但进潮总量较大；咸淡水混合有不同类型，以缓混合型为主；河口区各河段水流情势不同，河床演变也不相同。

河床演变学河床学，也称河流地貌学、河流地质学、河流地球化学或河流沉积学。

是河流动力地貌学与地球化学相结合而产生的边缘学科，它是一门以实验、观察和测定方法为主的综合性学科。

河床演变学最早出现在河流中上游地区， 19世纪20年代在德国魏玛，当时人们对河床进行过粗略的观察研究。

由于地壳运动造成沉积物在搬运过程中被冲积下来，使河道弯曲，在一些地段，河流会发生强烈的弯曲。

就是因为这个原因，所以就产生了新月型河道，随着冰川的不断活动，这种河道就越来越少，等到河流再次向下游发展，接近海洋的地方，这种形状又重新出现了。

因为我们所说的河床演变是指的第二次向下游发展的过程，所以我们通常都叫它新月型河道。

另外在漫长的岁月中，河水还会把许多石块、木头和其他漂浮的东西带入河床，日积月累，使得河床加深。

河流沿着河谷延伸，从高处流下来的水把凹凸不平的石块和土壤冲到河谷里，再从河谷冲积平原上流过。

由于这样一系列反复的冲刷作用，在河谷底部形成了一条深深的纵向冲沟，这条冲沟又被水流从两侧带走。

随着河流冲刷作用的不断继续，冲沟的规模逐渐扩大，冲积物也不断增加，终于发展成为一片平原。

这一过程，称之为河床的形成。

但在河流的不同部位，由于各种地形、岩石的性质、植被覆盖率以及降雨量等因素的差异，各冲积扇所占面积的大小并不相同，总的趋势是从山麓至山顶冲积扇面积逐渐减少。

河床经历了长期、反复的水流作用和风化剥蚀作用，逐渐变得平缓，沉积物也日益增厚，形成了巨大的冲积平原，如黄土高原、华北平原、东南丘陵等。

19世纪中期，俄国河流地貌学家德·涅利奇在对欧洲河流的考察中，首次提出了河流的地貌类型分类，这些河流均可按照地貌类型划分，共分4类。

即扇形河流、羽状河流、不对称河流和逆掩河流。

20世纪30年代，苏联科学院地理研究所应用弗里德曼和戈洛塔尔的概念，按河流地貌形态进一步将河流划分为扇形河流、羽状河流、不对称河流、逆掩河流和复合型河流。

1957年苏联科学院地理研究所出版了《苏联河流地貌》一书，该书对河流地貌的概念及分类，进行了详细论述。

第六节河床演变一、河床演变的基本知识(一)河床形态变化的类型河床的几何形状，称为河床形态。

河床形态变化，称为河床演变，它是河床泥沙运动的结果，可有两种类型：1．纵向变形河床沿水流方向的高程变化，称为河床的纵向变形，它是河流纵向输沙不平衡造成的结果。

河源与上游的河床下切、下游河床的淤高，均属此类，其变化幅度随岩石性质而异，细沙河床的变化幅度可能很大。

它对于桥梁工程设计的影响不可忽视。

2．横向变形河湾发展、河槽扩宽、塌岸、分汊、改道等河床平面形态的变化，统称为横向变形。

河湾的发展与弯段水流离心力有关，它可使凹岸不断受到冲刷，凸岸不断出现淤积，产生横向比降，可导致河流截弯取直或河流改道。

(二)河床演变的影响因素河床演变的影响因素有很多，主要因素有：1．流域的产沙条件流域的产沙量及泥沙组成等对河床演变有很大的影响。

例如，黄河及华北地区一些河流，河水含沙量很大，因此下游河道淤积十分严重。

2．流量变化流量越大，水流的挟沙量就越多。

流量变化越大，泥沙运动和河床的变形就越剧烈。

设河水的含沙量为ρ，流量为Q，输沙率为Q s，则有Q s=ρQ （8-17）3．河床土质土质坚实的河床变形缓慢，土质松软的河床易受冲刷。

4．水流比降河床比降大，流速大，冲刷力强，河床受冲刷厉害。

反之则易于淤积。

5．副流作用水流中由于纵、横比降及边界条件的影响，其内部形成一种规模较大的旋转水流，如图8-12所示，称为副流。

它从属于主流而存在，是河床冲淤的直接原因。

229厚桥涵图8-121-冲刷坑；2-回水区；3-路堤；4-主流6．人类活动如兴修水利工程，建造堤坝、桥、涵等活动，都会对河床演变产生重大影响。

二、建桥后对河床演变的影响建造桥梁后导致的河床演变属人类活动影响因素之一，它只是发生在桥位上、下游不远的范围内。

主要为：(一)平原弯曲型河段（属于次稳定河段）在这类河段上建桥，其孔径一般都大于或等于河槽宽度，建桥对河床的影响小。

但是，当桥位通过水深较大的河湾时，因河床自身的天然演变，有可能形成河湾逼近桥台、桥头引道或导流堤，危及桥台基础。