河流動力學(xué)第七章

§7.1不同河型及其分沖積河道的演變過程，從微觀角度看是河道斷面的沖淤變化；從宏觀角度看則是河道平面形態(tài)的復(fù)雜變化和縱剖面的抬升、下切。在不同的河流上或是同一條河流上的不同河段，河道的平面形態(tài)多種多樣，為了研究的方便，可以將天然河流劃分成若干不同河型，并在這個基礎(chǔ)上來研究各種河型的河床演變特性。河型的劃根據(jù)河床的邊界條件，將河流劃分為：沖積河流、非沖積河流和半沖積河流；根據(jù)河床的動力特性將河流劃分為：侵蝕河流、堆積河流和（動力）平衡河流；根據(jù)河床的平面形態(tài)特性將河流劃分為：彎曲河流、順直河流和網(wǎng)狀河流。我國普遍采用等（1981，1990）與（7）河型劃分方法，即將沖積河流劃分為：順直型河流、蜿蜒型河流、分汊型河流和游蕩型河流四種基本類型的河流?；谒尺\動的河型分Schumm（1985）提出：河型的形成取決于該河段河道內(nèi)的和能量耗散機(jī)理。對揭示和能量耗散機(jī)理。對揭示河型成因的內(nèi)在機(jī)理有很大啟發(fā)作用河型的成許多河流都是在沖積平原的上部具有游蕩性的河型，而在流經(jīng)一定的距離后，逐步轉(zhuǎn)化為彎曲型河流，最終在河口地區(qū)又發(fā)展形成順直型河流。實際上是河流通過河型的轉(zhuǎn)化來使挾沙能力的沿程變化和床沙質(zhì)來量的沿程變化相適應(yīng)的過程。床沙質(zhì)的相對來量的大小對于不同河型的形成起著重要作用。床沙質(zhì)來量較多的河流，常會發(fā)展形成游蕩型河流。河流的上、下游河段出現(xiàn)不同河型的原因也可以從輸沙平衡的角度加以解釋?！?.2河型成因中的極值條件假河型的確定已知：流量、求解：河寬、水深、河道水力坡從均衡河流自我調(diào)整的機(jī)理出發(fā)的極值條件假說最大輸沙效率假說 兩者本質(zhì)上是相同的。河流的自我調(diào)整總是傾向給定的能量消耗（河道比降）輸運最多的泥沙，或者用最小的功率（最小的能量消耗）輸運給定的泥沙。不同點最大輸沙效率假說是以河道比降為常數(shù)、河道輸沙率和寬度可變；單位河長水流功率最小假說是以輸沙率為常數(shù)，河道寬度和比降可變。河流功率指比降為J的單位河長上的水流功率，即流量為Q恒定水流經(jīng)過單位河道長度后發(fā)生的勢能變化Ω的單位為W/m或kgf·m/（s·m）單位河流功率指單位河床面積上的水流功率，即/，可以看作是用單寬流量計算的河流功率。最大輸沙效率假最大輸沙效率假說認(rèn)為：在一個特定河段中，在給定的流量、比降和泥沙粒徑下，河道幾何形態(tài)達(dá)到穩(wěn)定的充分必要條件是：。即已知流量、邊岸物質(zhì)組成和河道比降的條件下，求解穩(wěn)定的斷面尺寸。寬深比最優(yōu)。隨著流量、比降的增大和泥沙粒徑的變細(xì)，最優(yōu)寬深比也會增大。不足之處算法過于簡化，計算大型河流時得到的寬度偏小，而且無法直接考慮邊岸的抗沖特性。單位河長水流功率最小假單位河長水流功率最小假說認(rèn)為，當(dāng)一個河段達(dá)到均衡狀態(tài)時，水流和泥沙的運動應(yīng)該嚴(yán)格滿足以下三個條件：輸沙率沿程相等（即河段內(nèi)處處沖淤平衡在滿足約束的條件下單位河長內(nèi)的水流功率最小（水流功率第一假說在滿足約束的條件下水流功率損耗（或能坡）勻分布（水流功率第二假說水流功率第一假說：單位河長的水流功率最小假沖積河流達(dá)到平衡的充分必要條件是：在滿足給定的約束條件下，單位河長的水流功率γQ達(dá)到最小值。以流量Q和輸沙率Q為自變量的沖積河道趨于調(diào)整和建立其寬度、水深和比降以滿足γ為最小，而γ、Q均已知，則意味著河道比降J最小。水流功率第二假說：河段的水流功率最小將按最小水流功率損失的方向調(diào)整其水力幾何形態(tài)，以便達(dá)到平衡狀態(tài)。其物理意義等同于沿該河段每單位河長的水流功率損失彼此相等，即沿程具有均勻的能坡。在滿足給定的約束條 量沿程不變的某一將按最小水流功率損失的方向調(diào)整其水力幾何形態(tài)，以便達(dá)到平衡狀態(tài)。其物理意義等同于沿該河段每單位河長的水流功率損失彼此相等，即沿程具有均勻的能坡。其它極值條件假單位時間功率假說（楊志達(dá)楊志達(dá)從深槽－淺灘地貌、河流幾何形態(tài)、泥沙運動和沖積河流水力學(xué)等多方面論證認(rèn)為，河流水力要素中起主導(dǎo)作用的是單位時間內(nèi)單位重量的水的能耗率（勢能減少量），即流速與比降的乘積。沖積河流將調(diào)整它的坡降和幾何形態(tài)，在維持輸沙平衡的前提下，力求使能耗趨向于當(dāng)?shù)鼐唧w條件所的最小值，即使平均流速和比降的乘積達(dá)到本河段所的最小值：單位時間內(nèi)單位重量的水的能耗率可以通過下列方式（或它們的組合）達(dá)到最小值：加大河流阻減小比增加河最后的調(diào)整結(jié)果若是以通過加大河長、減小比降河流將發(fā)展成為蜿蜒型河流；若是以通過增加河寬為主，河流將發(fā)展成為蕩型河流；最小方差假說包含了兩方面的內(nèi)容在彎道成因分析中的應(yīng)如果兩點之間出現(xiàn)的流路是一條連續(xù)曲線，最可能出現(xiàn)的流路形狀也能夠滿足方差最小的要求。()2xr從理論上確定沿程河相關(guān)系中流量Q的指§7.3沖積河流的河道演順直型河蜿蜒型河分汊型河游蕩型河一、順直型河道的演順直河道淺灘－深潭形態(tài)中的水流運（一）順直型河段的一般形的第聶伯1為邊灘，2為深槽，3為淺（二）順直型河段的水沙特①在造床流量下邊灘頭部水位沿程降低，灘尾水位沿程略有升高，而深槽部分則恰好相反。由于邊灘的存在，水流在邊灘高程以下呈彎曲狀，產(chǎn)生離心力，因而深槽一側(cè)的水位略高而且隨流量的減小而增大。②低水位時，淺灘段水深小，比降陡，流速較大；深槽段則水深大、比降小，流速較?、劭菟跍\灘沖刷，深槽淤積，洪水期則淺灘淤積，深槽沖刷④從橫向分布來看，邊灘的推移質(zhì)輸沙率遠(yuǎn)大于深槽的推移質(zhì) （三）順直型河段的形成條①當(dāng)較長河段的存在抗沖性較強的物質(zhì)，如基巖、粘土層、間距較密的節(jié)點時，河道的橫向發(fā)展受到限制，往往能形成順直河段。②蜿蜒型河段的長過渡段，當(dāng)抗沖性很強，河道彎受到限制時，也會形成順直型河段③河流進(jìn)入坡度極小的河口三角洲地區(qū)以后，長保持比順直的流路的認(rèn)識。羅辛斯基和把邊灘看成一種巨型沙波，用（四）順直型河段的河床演變特點深槽與淺灘沖枯水期淺灘水面坡降大，產(chǎn)生沖刷，沖刷的泥沙在下一個深槽中淤積；洪水期深槽水面坡降大，產(chǎn)生沖刷，泥沙從深槽又被搬運到下個淺灘上淤積。深槽與淺灘沖淤交替變化，引起河床變形。深泓線與邊灘順流下在水流的作用下，邊灘頭部的流速和推移質(zhì)輸沙率都大灘向下游緩慢移動，即迎水面不斷沖刷后退，背水面不斷淤積延伸，整個邊灘不斷向下游移動。同一河岸，上一邊灘灘尾的淤積下移和下一邊灘頭部的淤積，尾部沖刷，整個深槽相應(yīng)下移。隨著邊灘、深槽的下移，淺灘、深泓線也不斷地順流下移變換位置，導(dǎo)致河床發(fā)生變形。淺灘作為一個整體下移的。河岸中邊灘與河岸相對運動演變過程（圖 有人工措施保護(hù)河床周期性展寬與縮由于邊灘的存在和發(fā)展，水流發(fā)生彎曲，產(chǎn)生環(huán)流，對河岸將產(chǎn)生沖刷，使得枯水位以上的河槽展寬。當(dāng)展寬到一定程度，邊灘受水流切割而成為灘或。以后隨著某一汊的堵塞，又與河岸相連，岸線向河心推進(jìn)，河道再一次束窄。周期性展寬與束窄交替出現(xiàn)二、蜿蜒型河道的演蜿蜒型河道，又稱為彎曲型河道，是沖積平原上最常見的一種河型，在我國以及世界上分布甚廣，“九曲回腸”之稱的長江下游荊江河段和漢江下游、渭河下游等，均為典型的彎曲型或蜿蜒型河段。秘 山區(qū)河 長江下游荊江彎曲型河（一）蜿蜒型河段的一般形蜿蜒型河道多存在于河谷比較寬廣、無較密對稱控制的河段中，其河岸和河底均由可沖刷土壤組成。河段中流河道平面形態(tài)參總彎曲系數(shù)：TS＝河道長度/直線長度河谷彎曲系數(shù)：S＝河谷長度直線長度水力彎曲系數(shù)：(TS100/(TS1)地形彎曲系數(shù)：(VS-1)·100/(TS-長江微彎河段的總彎曲系數(shù)為1.1～1.4，蜿蜒河段總曲系數(shù)可達(dá)1.8～3.0（一）蜿蜒型河段的一般形蜿蜒型河道一般多出彎右曲，兩個相反彎道間，由直線過渡段相連其中具有曲率的部分稱為彎道段，連接上下正反兩個彎度稱為彎道中心角，主流近凹岸的位置稱為頂沖點。其一般形態(tài)為：深槽與淺灘相間，彎道頂處為深槽，過渡主流線蜿蜒蛇行，河床高低起伏，灘槽水深相差懸殊。（二）蜿蜒型河段的水沙特彎道橫向環(huán)重力和離心力一起，形成一種螺旋前進(jìn)的水流，稱為彎道橫向環(huán)流。根據(jù)水流連續(xù)性，底層水流就會折漸減小。彎道橫向環(huán)流最大強度在彎逐漸減弱。彎道水流動力軸在河流中，沿水流流程各橫剖面上最大垂線平均流速的連稱為水流動力軸線或主流線彎道輸沙特彎道河段泥沙運動與螺旋流關(guān)系密切在橫向環(huán)流的作用下，含沙量小的表層水流不斷流向凹岸，沖刷凹岸，并折向河底，挾帶大量泥沙流向凸岸使凸岸發(fā)生淤積，形成橫向輸沙不平衡?？v向水流對凹岸的頂沖作用灘不斷淤積延伸。由于水流中的泥沙沿垂線分布上細(xì)下粗，所以水流挾帶運往凸岸的泥沙多為粗沙。（三）蜿蜒型河段的形成條河床的土壤組成與結(jié)構(gòu)，對沖刷坍岸的發(fā)展影響較大。當(dāng)河岸土壤組成具有可沖性，且其穩(wěn)定性又大于河底時，有河段內(nèi)縱向輸沙基本平衡，即凹岸的泥沙沖刷量基本上等于凸岸的泥沙淤積量，河段內(nèi)泥沙交換主要是橫向泥沙交從來水來沙特性說，造床作用時間長，即有較長時間的中洪水期水面坡降較緩，灘面有植被（四）蜿蜒型河段的河床演變特5-5-w凹岸崩退和凸岸淤由于含沙量沿水深分布不均，水面含沙量小，河底含沙量大，因此流向凹岸的表層水流的含沙量，遠(yuǎn)小于流流經(jīng)凹岸的表層水流，從凹岸攫取泥沙，但當(dāng)流經(jīng)凸岸時，又釋放出多余的泥沙，河灣的發(fā)展和蠕凹岸潰退和凸岸淤長使得河灣在平面上產(chǎn)生橫向位移，但是這個位移在整個彎道上并不是均勻分布的。在彎道下半部，水流動力軸線經(jīng)常近、頂沖凹岸，環(huán)流強度較大，崩坍較嚴(yán)重，結(jié)果使河灣曲率半徑變小，中心角增大，并使整個河灣呈現(xiàn)向下游蠕動的趨勢。最常見的蠕動形式是：若第一個彎道不斷向右蠕動，則第二個彎道不斷向左蠕動，第三個彎道又不斷向右蠕動進(jìn)而整個河段也緩慢地向下游蠕動。裁彎取直和撇彎切 三、分汊型河道的演分汊型河道多存在于河谷寬闊、沿岸組成物質(zhì)不均勻、上游有節(jié)點或較穩(wěn)定的邊界條件的河段中，其流量變幅不太大，含沙量不高。一般多出現(xiàn)在河流的中下游，我國長江下游，湘水下游，松花江下游都有著廣泛的分布。（一）分汊型河段的一般形中水河槽呈寬窄相間的藕節(jié)狀，窄段為單一河槽，水深較大；而寬段則有一個或幾個存在，將水流分成二股或多股，汊道中水深較小，在分流口和匯流口處常有淺灘存在。

飛沙外玉壘 魚內(nèi)

關(guān)河心常用的分汊河道定量指標(biāo)汊河段最大寬度（汊河放寬率

寬度汊河段上端狹段寬度汊河段各支汊道總長度分汊系數(shù)汊道分流比

汊河段直線長度該汊道流汊道分

汊河段各支汊道總流量該汊道流量斷面平均含沙量（汊河段各支汊道流量斷面平均含沙量的總和（二）分汊型河段的水沙特分汊型河段水流運動最顯著的特征是具有分流區(qū)和匯區(qū)高水下移，低水上提。這是由于水流動量的大小所決定的。橫向的變化呈中部高兩側(cè)低的馬鞍形，并與橫斷面相對應(yīng)。水位沿縱向的變化為沿程略有升高。分流區(qū)的縱比降支汊一側(cè)小于主汊一側(cè)。分流區(qū)恒存在環(huán)生環(huán)流的原因是多樣的，最主要的方面是水流由單一水流轉(zhuǎn)為分流時流線發(fā)生了彎曲所匯流區(qū)的水位，支汊的一側(cè)高于主汊的一側(cè)，水位沿程降低，主汊一側(cè)比支汊一側(cè)降低得更快些，因而其縱比降是主汊一側(cè)大于支汊一側(cè)。匯流區(qū)的斷面平均流速沿程增大，來自主汊一側(cè)的垂線平均流速大于支汊一側(cè)的。區(qū)的情況則恰好相反，左右兩側(cè)含沙量都較小而中間較大，且底部的含沙量更大。（三）分汊型河段的形成條分汊型河段的形態(tài)各異，其形成條件有下列幾個方面①落淤而堆積成灘，堆積部位多位于河道的中部。灘經(jīng)過多次的落淤而不斷淤長轉(zhuǎn)化成，逐漸即可發(fā)展成為分汊型河道；②在河道發(fā)生裁彎取直時，原新老河之間的河灘在完成裁③在邊灘比較發(fā)育的河段，洪水期由于水流的慣性作用流路趨直，切割的邊灘逐漸轉(zhuǎn)化為（四）分汊型河段的河床演變特洲灘的移動和分洪水期水流漫過，由于洲面水深小，糙率大，流速低，一部分懸沙會在洲上落淤，使得不斷增高。洲面淤積厚度一般均較小，且隨著小，特別是當(dāng)洲上筑堤圍墾時，一般洪水不會淹沒，淤積就完全停止。一般情況下，頭部由于受到水流的頂沖和環(huán)流的作用會不斷崩坍后退，而尾部則在螺旋流作用下不斷淤積延伸，因而整個以慢速向游動。 河岸的崩坍和彎自然界中汊道的一支或二支往往具有微彎的外形，由于 部分環(huán)流的作用，進(jìn)入凹岸一側(cè)的水流含沙較小，頂沖點處的河岸將不斷崩坍后退，沖刷的泥沙則在對岸 上淤積。而另一側(cè)則逐漸 。當(dāng)凹岸主汊彎曲發(fā)展到一定程度時，河岸不再崩坍，將逐漸穩(wěn)定，其支汊也相應(yīng)穩(wěn)定下來。但當(dāng)凹岸為廣闊的河漫灘時，凹岸支汊將不斷彎曲發(fā)展，頂沖點不斷下移， 也相應(yīng)向凹岸一側(cè)淤長，汊道將發(fā)展成為鵝頭型分汊河道。汊道的興衰和交若上游水流條件不變，彎曲的汊道由于河身加長，河床曲折，水流阻力加大，因而分流比不斷減小。汊道彎曲也會影響到分流區(qū)的環(huán)流形態(tài)，使越來越多的泥沙進(jìn)入彎汊，這樣彎汊就會逐漸衰亡，而直汊則逐漸發(fā)展為單一河道。事實上，天然情況下上游來水條件是不可能不變的因此在汊道發(fā)展過程中，當(dāng)支汊 到一定階段時，由于水流條件發(fā)生了變化，會出現(xiàn) 停滯的現(xiàn)象。甚至兩汊有可能交替發(fā)展，即主、支汊易位。四、游蕩型河道的演游蕩型河段是平原河流一種常見的河型，在國內(nèi)外分布都較廣，我國多分布在華北及西北地區(qū)河流的中下游，如中游的小北干流河段、下游的孟津至高村河段，渭河下游的咸陽鐵路橋至涇河口河段，漢江中游的丹江口至皇莊河段，永定河下游的盧溝橋至梁各莊河段等均為典型的游蕩型河道。（一）游蕩型河段的一般形①在平面形態(tài)上，游蕩型河流與蜿蜒型河流相比，一般比②在縱向上，游蕩型河流的比降較陡，挾帶的泥③在橫向上，游蕩型河流的寬深比較大游蕩型河段的突出特點是河床寬、淺、散亂，主流擺動不定，河勢變化急劇，演變規(guī)律十分復(fù)雜。比降陡峻，橫斷面寬淺，河相系數(shù)相當(dāng)大。高于地面而形成“懸河”。如：下游大堤的背臨差一般達(dá)～，最高達(dá)到以上。與蜿蜒型河流的異同①游蕩型河段彎曲程度不大，一般彎曲系數(shù)略大于1，高村以上河段曲折系數(shù)約為1.05②橫剖面一般都十分寬淺，灘槽高差一般很小，如般均在1～2m之間③河床坡降均比蜿蜒型河段大，如游蕩型河段為4.0，而相同尺度蜿蜒型河段為1.0以下與分汊型河流的異（二）游蕩型河段的水沙特游蕩型河段平均水深一般很淺，如花園口平均水變化在1～3m之間。河床坡降大流速大，數(shù)遠(yuǎn)較一般河流大，河床組成泥沙顆粒細(xì)，河床很不穩(wěn)定。水下灘，邊灘等相對游蕩型河流的來沙量一般偏多，并且同流量下的含沙變化很大，流量與含沙量的關(guān)系極不明顯。其主要原因是①洪水來自流域的不同地區(qū)，來水中攜帶的泥沙量大小同②同一流量下，隨著上站含沙量的不同，其輸沙率相差大，出現(xiàn)“多來多排、少來少排”的現(xiàn)象（三）游蕩型河段的形成條游蕩型河段形成的有利條件河道坡降較陡河床組成為松散的細(xì)顆粒泥沙兩個條件結(jié)合在一起，水流強度大，河床會發(fā)生嚴(yán)重沖刷，使河