河流動力學(xué)6章hxgmzhang

主講教師：張紅霞

Email:河流動力學(xué)概論Introductiontorivermechanics教材：邵學(xué)軍王興奎.

《河流動力學(xué)概論》第1版.

清華大學(xué)出版社6.1沖擊河流演變的影響因素與時間尺度6.2沖擊河道演變中的均衡狀態(tài)6.3造床流量6.4黃河上游人為活動對有效輸沙流量的影響6.5河相關(guān)系6.6河相關(guān)系的理論推導(dǎo)方法-1-河道演變的基本原理第6章xe第六章河道演變的基本原理一、河流沿縱向分段1、侵蝕段（河源段）2、輸運段3、沉積段基本概念-3-1、河源段（侵蝕段）特點：河源區(qū)，比降大，水流湍急，河道下切成V形河谷，常見急流、瀑布?；靖拍畹诹潞拥姥葑兊幕驹硪?、河流沿縱向分段-4-第六章河道演變的基本原理一、河流沿縱向分段2、輸運段特點：支流匯合，河道比降趨緩，河谷變得寬闊，河槽出現(xiàn)彎道，開始擺動?；靖拍?5-第六章河道演變的基本原理基本概念一、河流沿縱向分段3、沉積段特點：進入平原地帶后，河道緩緩游蕩、擺動，形成平坦、寬闊的河谷。河口處泥沙沉積形成三角洲，可能出現(xiàn)多個汊道分流如海。-6-第六章河道演變的基本原理基本概念一、河流沿縱向分段3、沉積段特點：在山區(qū)和高原地帶，河流的主要動力過程是侵蝕和輸運，在平原和河口則主要是沉積。-7-圖北盤江毛虎段河谷斷面形態(tài)圖（a）V形河谷形態(tài)（b）U形河谷形態(tài)第六章河道演變的基本原理山區(qū)河流基本概念-8-圖平原河流的河谷形態(tài)第六章河道演變的基本原理平原河流的河谷形態(tài)斷面圖如下所示，其特點是有寬廣的河漫灘?；靖拍?9-第六章河道演變的基本原理1、輸沙不平衡是產(chǎn)生河床演變的根本原因2、河床的自動調(diào)整作用（或稱河流反應(yīng)）反映河床的應(yīng)變能力3、河床演變永遠朝著使演變停止的方向發(fā)展二、河床演變的基本原理基本概念-10-1、輸沙不平衡是產(chǎn)生河床演變的根本原因-11-2、河床的自動調(diào)整作用（或稱河流反應(yīng)）反映河床的應(yīng)變能力-12-6.1沖擊河流演變的影響因素與時間尺度天然河流的河床演變是由多方面極其復(fù)雜的因素決定的，一般來說，對于任何一個具體河段，影響河床演變的主要因素有以下三項：（1）河段進口的水沙條件：來水條件----來水量、來水過程來沙條件----來沙量、來沙過程、來沙組成（2）河段邊界條件：地質(zhì)條件-----河床、河岸的構(gòu)成，沉積物的構(gòu)成地貌條件-----河谷的寬度、比降，河槽的寬度、比降，平面形態(tài)影響河床演變的主要因素：-13-（3）河段出口的水位流量關(guān)系，反映下游侵蝕基點的影響。

對于河流的河口，可以是湖泊、河流、海洋的水面高程；對于河段，是出口處的水面高程而非床面高程；

出口斷面的水位流量關(guān)系；

水庫、橋梁、整治工程的修建可以改變侵蝕基準面。6.1沖擊河流演變的影響因素與時間尺度影響河床演變的主要因素：-14-（1）、（3）決定河段進出口邊界條件，（2）決定河身的周界條件，三者結(jié)合在一起，決定全河段的演變過程。6.1沖擊河流演變的影響因素與時間尺度影響河床演變的主要因素：-15-（1）是決定性因素，而河谷比降的大小是由來水含沙量的大小決定的，河谷河漫灘組成決定于來沙粒配及其沉積過程。對于河流的侵蝕基點，就入海沖擊河流而言，主要決定于海平面的高度，基本上是穩(wěn)定不變的。但如入海泥沙量很大，河口迅速外移，也會使得河流的侵蝕基點發(fā)生相對性變化。6.1沖擊河流演變的影響因素與時間尺度影響河床演變的主要因素：-16-6.1.1Langbein-Schumn定律1、流域內(nèi)影響河道演變過程自然因素：氣候、植被與土壤、地質(zhì)與巖性、地貌形態(tài)。2、在地貌學(xué)時間尺度上（數(shù)萬年至數(shù)十萬年），氣候為自變量，其他量隨氣候而改變。3、根據(jù)蒸發(fā)量與降雨量的對比，可將流域氣候分為濕潤、半濕潤、半干旱、干旱、極端干旱等。-17-4、Langbein-Schumn定律1985年，Langbein-Schumn研究了考慮植被影響的情況下小流域單位面積產(chǎn)沙量與有效降水量的關(guān)系，以美國中南部若干中小流域的水庫淤積和水文站觀測資料為基礎(chǔ)點繪制圖6-4的關(guān)系曲線，稱為Langbein-Schumn定律。6.1.1Langbein-Schumn定律-18-6.1.1Langbein-Schumn定律圖6-4Langbein-Schumn定律圖6-4中，橫坐標是用年平均氣溫為10℃的流域產(chǎn)生給定徑流所需降水量，作為其流域產(chǎn)生同樣數(shù)量徑流時的有效降水量。舉例：年平均氣溫為10℃的流域產(chǎn)生徑流為10m3/s需要降水量為100mm。同一流域產(chǎn)生同樣是10m3/s的徑流的有效降水量就是100mm。4、Langbein-Schumn定律-19-流域地表面的降水，如雨、雪等，沿流域的不同路徑向河流、湖泊和海洋匯集的水流叫徑流。

在某一時段內(nèi)通過河流某一過水?dāng)嗝娴乃糠Q為該斷面的徑流量。徑流、徑流量補充-20-

(1)流量Q。指單位時間內(nèi)通過某一過水?dāng)嗝娴乃俊３Ｓ脝挝粸榱⒎矫酌棵耄╩?３/s）。各個時刻的流量是指該時刻的瞬時流量，此外還有日平均流量、月平均流量、年平均流量和多年平均流量等。

(2)徑流總量W。時段Δｔ內(nèi)通過河流某一斷面的總水量。以所計算時段的時間乘以該時段內(nèi)的平均流量，就得徑流總量W，即W=QΔｔ。它的單位是立方米(m３)。以時間為橫坐標，以流量為縱坐標點繪出來的流量隨時間的變化過程就是流量過程線。流量過程線和橫座標所包圍的面積即為徑流量。

(3)徑流深R。指計算時段內(nèi)的徑流總量平鋪在整個流域面積上所得到的水層深度。它的常用單位為毫米（mm）。

若時段為Δｔ(s)，平均流量為Q(m3/s)，流域面積為A(ｋｍ２)，則徑流深R(mm)由下式計算：

R=Q

Δｔ/(1000A)

(4)徑流模數(shù)M。一定時段內(nèi)單位面積上所產(chǎn)生的平均流量稱為徑流模數(shù)M。

它的常用單位為m3/(sｋm2)，計算公式為：

M=Ｑ／Ａ

(5)徑流系數(shù)α。為一定時段內(nèi)降水所產(chǎn)生的徑流量與該時段降水量的比值，以小數(shù)或百分數(shù)計。徑流量的表示方法及其度量單位補充-21-徑流的形成過程

補充

從降雨到達地面至水流匯集、流經(jīng)流域出口斷面的整個過程，稱為徑流形成過程。

徑流的形成是一個極為復(fù)雜的過程，為了在概念上有一定的認識，可把它概化為兩個階段，即產(chǎn)流階段和匯流階段。

1.產(chǎn)流階段。當(dāng)降雨滿足了植物截留、洼地蓄水和表層土壤儲存后，后續(xù)降雨強度又超過下滲強度，其超過下滲強度的雨量，降到地面以后，開始沿地表坡面流動，稱為坡面漫流，是產(chǎn)流的開始。如果雨量繼續(xù)增大，漫流的范圍也就增大，形成全面漫流，這種超滲雨沿坡面流動注入河槽，稱為坡面徑流。地面漫流的過程，即為產(chǎn)流階段。

2匯流階段。降雨產(chǎn)生的徑流，匯集到附近河網(wǎng)后，又從上游流向下游，最后全部流經(jīng)流域出口斷面，叫做河網(wǎng)匯流，這種河網(wǎng)匯流過程，即為匯流階段。-22-降水量補充是一定時間內(nèi)，降落到水平面上，假定無滲漏，不流失，也不蒸發(fā)，累積起來的水的深度，是衡量一個地區(qū)降水多少的數(shù)據(jù)。其單位是毫米，符號是mm。-23-6.1.1Langbein-Schumn定律思考：解釋Langbein-Schumm定律，說明為什么最大產(chǎn)沙量發(fā)生在半干旱草原上，而不是沙漠灌叢區(qū)或降雨量很大的地區(qū)。答：在干旱區(qū)，地表幾乎處于裸露狀態(tài)，稀疏的荒漠灌叢對地表物質(zhì)保護作用很弱，但由于降雨也很少，降雨侵蝕力極弱，水流的侵蝕強度很低。實際上這類地區(qū)以風(fēng)蝕為主。

處于干旱到半干旱區(qū)這一范圍的流域，有效降雨量增加首先引起侵蝕力迅速增大(降雨多為集中暴雨形式)，而流域內(nèi)植被是并不茂盛的草本植物，其抗蝕力的增加不足以與侵蝕力抗衡，故在這一范圍內(nèi)隨著有效降雨的增加，侵蝕強度迅速增大，并在半干旱區(qū)(有效降雨量為300mm左右)達到峰值。-24-6.1.2河流演變過程研究的時間尺度問題1、時間尺度分類：穩(wěn)定時段（量級為天），準衡時段（量級為百年），地質(zhì)時段（量級為百萬年）。-25-變量類型所考量慮的時段長度穩(wěn)定時段（量級：數(shù)天）準衡時段（量級：數(shù)百年）地質(zhì)時段（量級：數(shù)百萬年）地質(zhì)（巖性、地層結(jié)構(gòu)）自變量自變量自變量古氣候自變量自變量自變量古水文自變量自變量因變量河谷坡度、寬度和深度自變量自變量因變量氣候自變量自變量不確定植被（種類和密度）自變量自變量不確定平均流量自變量自變量不確定平均來沙量自變量自變量不確定河道形態(tài)自變量因變量不確定實際流量和沙量因變量不確定不確定水流的水力特性因變量不確定不確定表6-1不同時間尺度上與沖積河流演變過程有關(guān)的變量6.1.2河流演變過程研究的時間尺度問題-26-答：如果河床和邊岸的物質(zhì)組成不改變或流域來水來沙沒有較大變化，在準衡時段內(nèi)。河道依然能夠在河道平面擺動和斷面有沖有淤的演變過程中達到一個穩(wěn)定、平衡的一般形態(tài)，河道的主要幾何尺寸基本不變，此時稱為河流沙條件和邊岸抗沖性是穩(wěn)定不變的，稱為河流處于平衡狀態(tài)．或稱形成了“均衡河道。

思考：在什么情況下，可以認為沖積河流處于平衡狀態(tài)、形成均衡河道?（6.2節(jié)詳細講解）6.1.2河流演變過程研究的時間尺度問題-27-6.1.3溝道與水系的發(fā)育1、泥沙輸移比一定時段內(nèi)通過溝道或河段某一斷面的實測輸沙量St與該斷面以上流域總侵蝕量Se的比值。用St/Se來表示，恒小于1。

St和Se來兩者之差是自流域侵蝕發(fā)生地點到流域出口控制點之間的輸運過程中沉積減少的沙量。流域越小，或泥沙顆粒越細，泥沙輸移比越大，即越接近于1。

-28-6.1.3溝道與水系的發(fā)育侵蝕發(fā)生點流域出口控制點Se實測輸沙量St舉例：宜昌站以上的長江流域，泥沙輸移比St/Se約為0.35。黃土高原侵蝕產(chǎn)生的泥沙為粉沙級，所以其各級流域的輸移比幾乎與流域面積無關(guān)，均接近于1.0。1、泥沙輸移比-29-圖6-7（c）中最上游，沒有支流的河道定義為級別最低的1級河道，每兩個同級別的河道交匯后形成的河道為高一級的河道；而不同級別的河道交匯后形成的河道級別與交匯前較高的河道級別相同。缺點：級別高河道流量不一定比級別低的河道流量大。2、Strahler天然河流分級法（1957年）6.1.3溝道與水系的發(fā)育-30-單位流域面積內(nèi)的河道長度稱為河網(wǎng)密度(drainagedensity)D。其定義為單位為km/km2（6-1）其中，為級別為u的河道總長度。3、河網(wǎng)密度（drainagedensity）6.1.3溝道與水系的發(fā)育-31-定義：每平方公里流域面積內(nèi)侵蝕溝（或水文網(wǎng)）的總長度，以km/km2表示。黃土高原丘陵溝壑區(qū)，常用溝道總長度來計算溝壑密度。溝壑密度與土壤侵蝕的嚴重程度密切相關(guān)。我國侵蝕極為嚴重的黃土丘陵區(qū)，溝壑密度達1.8～7km/km2。3、溝壑密度6.1.3溝道與水系的發(fā)育-32-6.2沖擊河道演變中的均衡狀態(tài)

1、定義：

如果河床和邊岸的物質(zhì)組成不改變或流域來水來沙沒有較大變化，在準衡時段內(nèi)。河道依然能夠在河道平面擺動和斷面有沖有淤的演變過程中達到一個穩(wěn)定、平衡的一般形態(tài)，河道的主要幾何尺寸基本不變，此時稱為河流沙條件和邊岸抗沖性是穩(wěn)定不變的，稱為河流處于平衡狀態(tài)．或稱形成了“均衡河道”。6.2.1均衡狀態(tài)-33-河道的主要幾何尺寸基本不變。存在一種自動調(diào)整的負反饋機制。水流和泥沙等變量之間達到某種平衡。2、河流處于平衡狀態(tài)特點：6.2.1均衡狀態(tài)-34-影響河道沖淤平衡的主要因素為：輸沙量Qs泥沙的中值粒徑D50流量Q河道比降J3、W.M.Davis提出的“成熟河流的沖淤平衡”關(guān)系式6.2.1均衡狀態(tài)（6-2）-35-例如：如果J減小，而Q不變，則河道發(fā)生淤積，這樣就只有來流輸沙量Qs或來沙粒徑D50減小后，才能使河道恢復(fù)河流沖淤平衡狀態(tài)。6.2.1