第十章 河流泥沙及河川過(guò)程教材

1、第十章 河流泥沙及河床演變 環(huán)境水文學(xué)之概述 泥沙量是流域管理和水資源管理的重要信息，過(guò)高的泥沙量會(huì)對(duì)水質(zhì)、水生動(dòng)物、農(nóng)林業(yè)和環(huán)境的非典源污染、河道、水庫(kù)等基礎(chǔ)設(shè)施造成影響。 泥沙的搬運(yùn)和沉積涉及到復(fù)雜的河床演變過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)，人們對(duì)許多過(guò)程缺乏認(rèn)識(shí)。第一節(jié) 河流泥沙一、河流泥沙的來(lái)源1.流域侵蝕降雨形成的地表徑流2.河槽沖刷河底沖刷河岸沖刷二、河流泥沙的特性1.幾何特性：形狀、粒徑及其組成2.重力特性：容重和密度（干、濕）3.沉降特性：在水中下沉的狀態(tài)及其速度三、河流泥沙的分類(lèi)和表示方法1、按照泥沙粒徑大小分1994年，水利部頒發(fā)的河流泥沙顆粒分析規(guī)程，規(guī)定河流泥沙按下表分類(lèi)。2、按泥沙的運(yùn)

2、動(dòng)態(tài)式分靜止：床沙運(yùn)動(dòng)推移質(zhì)懸移質(zhì)河流泥沙的表示1、含沙量：河水中泥沙的含量，單位為kgm3。2、輸沙率：指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定過(guò)水?dāng)嗝娴哪嗌晨偭?。單位為kgs或ts 。3、輸沙量：指在一定時(shí)段內(nèi)通過(guò)一定過(guò)水?dāng)嗝娴哪嗌晨偭俊挝粸閠或萬(wàn)t 。4、侵蝕模數(shù)：是指每km2流域面積上，每年被侵蝕并匯入河流的泥沙重量，單位為t（km2a）四、河流泥沙的運(yùn)動(dòng)1、泥沙的水力特性河流泥沙的運(yùn)動(dòng)不僅與水力條件、水流結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且也與泥沙特性有關(guān)。泥沙特性包括顆粒的大小、形狀、容重及泥沙的水力特性。當(dāng)下沉速度達(dá)某一極限值時(shí),阻力與重力恰好相等,則泥沙以均勻速度下沉,這時(shí)泥沙的運(yùn)動(dòng)速度稱(chēng)為泥沙的沉降速度(,cm/s

3、)。沉降速度可表達(dá)泥沙直徑的大小，故沉降速度也稱(chēng)泥沙的水力粗度。影響因素有泥沙顆粒直徑d,泥沙容重rs,水流的紊動(dòng)強(qiáng)度等。泥沙沉速的基本公式為：泥沙沉速的基本公式為： s s及及分別為泥沙和水的密度；分別為泥沙和水的密度；g g為重力加速度；為重力加速度；c cD D為阻力系數(shù)，阻力系數(shù)與流態(tài)有關(guān)。為阻力系數(shù)，阻力系數(shù)與流態(tài)有關(guān)。2、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)（1）單粒泥沙的推移運(yùn)動(dòng)泥沙的起動(dòng)條件:在分析河槽的沖刷特性時(shí)，必須先弄清泥沙的起動(dòng)條件。據(jù)觀察，顆粒大的泥沙或礫石，在起動(dòng)時(shí)，常常是單粒地滑動(dòng)或滾動(dòng)；顆粒較細(xì)的泥沙在起動(dòng)時(shí)往往是成片滾動(dòng)或躍動(dòng)。 起動(dòng)流速:泥沙原來(lái)在河床上是靜止不動(dòng)的，如果接近河底的水

4、流速度增加到一定數(shù)值時(shí)，作用于泥沙顆粒的力開(kāi)始失去平衡，泥沙便開(kāi)始起動(dòng)，這時(shí)的臨界流速稱(chēng)為起動(dòng)流速（Vc）。泥沙的起動(dòng)標(biāo)幟著河床沖刷的開(kāi)始，即起動(dòng)流速是河床不受沖刷的最大流速，又稱(chēng)允許流速。止動(dòng)流速:泥沙停止時(shí)的臨界流速稱(chēng)為泥沙的止動(dòng)流速.泥沙的起動(dòng)流速一般為止動(dòng)流速的1.2-1.4倍。揚(yáng)動(dòng)流速:當(dāng)流速增大到一定程度后,泥沙不再回到河床上,而懸浮在水中隨水流一起下移，這時(shí)的水流速度稱(chēng)為揚(yáng)動(dòng)流速，它是泥沙從推移到懸移運(yùn)動(dòng)的一個(gè)參數(shù)。2、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)（2）群體泥沙的推移運(yùn)動(dòng)河流推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，河床表面便逐漸形成外形與風(fēng)成沙丘類(lèi)似的起伏的水下沙波，稱(chēng)沙波運(yùn)動(dòng)。沙波運(yùn)動(dòng)是推移質(zhì)群體運(yùn)動(dòng)的一種主

5、要形式，也是構(gòu)成河床地形的基本單位。2、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)（3）推移質(zhì)輸沙率天然河道的推移質(zhì)輸沙能力用推移質(zhì)輸沙率表示。推移質(zhì)輸沙率是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)河槽單寬的推移質(zhì)數(shù)量，其單位為kg/ms或m3/ms。如果上游推移質(zhì)來(lái)量小于本河段推移質(zhì)輸沙率，就形成沖刷；反之，則發(fā)生淤積。研究輸沙率的規(guī)律，判斷河槽的沖淤。 3、懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)懸移質(zhì)是泥沙運(yùn)動(dòng)的主要方式之一。沖積平原河流所挾帶的泥沙中,懸移質(zhì)占絕大部分,有些山區(qū)河流懸移質(zhì)也可占很大比重.紊動(dòng)和重力作用是主要因素。3、懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)（1）懸移質(zhì)的分布與變化懸移質(zhì)含沙量沿垂線(xiàn)的分布懸移質(zhì)含沙量在斷面內(nèi)的分布懸移質(zhì)含沙量沿河流縱向變化懸移質(zhì)含沙量隨時(shí)間的變化3、懸

6、移質(zhì)運(yùn)動(dòng)（2）水流的挾沙能力單位水體積的飽和含沙量稱(chēng)為水流挾沙能力。當(dāng)上游來(lái)水中實(shí)際含沙量超過(guò)本河段水流挾沙能力時(shí),河槽就會(huì)淤積,相反則發(fā)生沖刷, 兩者相適應(yīng)處于輸沙平衡狀態(tài)。在河槽沖淤計(jì)算中必不可少。3、懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)（3）河流總輸沙量應(yīng)為推移質(zhì)與懸移質(zhì)輸沙量之總和。由于推移質(zhì)輸沙量的實(shí)測(cè)較難,并缺乏完善的推算方法,而且推移質(zhì)輸沙量在總輸沙量中所占比例很小往往被忽略不計(jì)。因此,除了山區(qū)河槽或水庫(kù)壩上游等特定河段外,平原河流沖淤計(jì)算中,以懸移質(zhì)輸沙量代替總輸沙量。4、高含沙水流的群體泥沙運(yùn)動(dòng)含沙量很高的河流，在汛期常出現(xiàn)一種特殊的高濃度輸沙情況,一般當(dāng)含沙量超過(guò)500kg/m3后,泥沙的懸浮不再是

7、分散的單個(gè)顆粒懸移,而是組成絮凝結(jié)構(gòu)體,即轉(zhuǎn)化為流動(dòng)的均質(zhì)漿體,而進(jìn)行群體運(yùn)動(dòng)。高含沙水流的群體泥沙運(yùn)動(dòng)主要特點(diǎn)是:運(yùn)動(dòng)模式、懸移運(yùn)動(dòng)、推移運(yùn)動(dòng)、漿河現(xiàn)象、揭河底現(xiàn)象?？傊吆乘嘣谒餍再|(zhì)、運(yùn)動(dòng)及輸沙特性上，都和一般水流有本質(zhì)差異。高含沙水流的研究，在河流含沙量居世界首位的我國(guó)的治河事業(yè)中，有著特殊重要的意義。 20022002年年7 7月月1010日，黃日，黃河小北干流（山西河小北干流（山西和陜西河段）山西和陜西河段）山西河津段大、小石嘴河津段大、小石嘴區(qū)間出現(xiàn)了百年奇區(qū)間出現(xiàn)了百年奇觀觀“揭河底揭河底”，河底，河底的淤積物如同地毯的淤積物如同地毯一樣被水流卷起。一樣被水流卷起。五、河

8、流的總輸沙量1、多年平均年懸移質(zhì)輸沙量的估算（1）具有長(zhǎng)期資料的情況五、河流的總輸沙量1、多年平均年懸移質(zhì)輸沙量的估算（2）資料不足的情況五、河流的總輸沙量1、多年平均年懸移質(zhì)輸沙量的估算（3）資料缺乏的情況五、河流的總輸沙量2、多年平均年推移質(zhì)輸沙量的估算系數(shù)法：考慮推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量之間具有一定的比例關(guān)系，在一定的地區(qū)和河道水文地理?xiàng)l件下相當(dāng)穩(wěn)定，可用系數(shù)法計(jì)算：五、河流的總輸沙量3、河流總輸沙量的估算某斷面的多年平均年輸沙總量，等于多年平均懸移質(zhì)年輸沙量與多年平均推移質(zhì)年輸沙量之和。但由于：（1）推移質(zhì)輸沙量的實(shí)測(cè)較難，并缺乏完善的推算方法，（2）推移質(zhì)輸沙量在總輸沙量中所占比例

9、很小（尤在平原河流中），故它往往被忽略不計(jì)。六、影響泥沙數(shù)量的因素河流泥沙的主要來(lái)源是流域表面的侵蝕和河床的沖刷，而泥沙的多少和流域的氣候、植被、土壤、地形因素有關(guān)。因此，影響河流輸沙量的因素也有三個(gè)方面：氣候因素：降水、氣溫、風(fēng)下墊面因素：地形、植被、土壤人類(lèi)活動(dòng)：改變下墊面第一節(jié)完第二節(jié) 河床演變河床演變p任何一條江河，其河床形態(tài)都在不斷地發(fā)生變化，只是有的河段變形顯著，有的河段變形緩慢或者暫時(shí)趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。p這種河床形態(tài)的變化，稱(chēng)之為河床演變。p河床演變是水流與河床相互作用的結(jié)果，河床影響水流條件，水流促進(jìn)使河床變化。p水流與河床的相互作用是通過(guò)泥沙運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 一、河床演變的一般

10、現(xiàn)象1、縱向變形縱向變形是河床沿深度方向的變化。表現(xiàn)為河床縱剖面和橫剖面上的沖淤變化，是由于水流縱向輸沙不平衡所引起?？v向輸沙不平衡是由于來(lái)沙量隨時(shí)間變化和沿程的變化，河流比降和河谷寬度的沿線(xiàn)變化及攔河壩等的興建的造成。一、河床演變的一般現(xiàn)象2、橫向變形橫向變形是河床與流向垂直的兩側(cè)方向上的變形。表現(xiàn)為河岸的沖刷和淤積使河床平面位置發(fā)生擺動(dòng)。河流橫向變化是由橫向輸沙不平衡引起的。造成橫向輸沙不平衡主要是由于環(huán)流。最常見(jiàn)的是彎曲河段的橫向環(huán)流。另外，水流繞過(guò)河道中各種障礙物時(shí)(沙灘)也能形成環(huán)流。一、河床演變的一般現(xiàn)象3、單向變形指在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)河流床緩慢地朝一個(gè)方向沖刷或淤積不出現(xiàn)沖淤交替。4、往

11、復(fù)變形指河道周期性往復(fù)發(fā)展的演變現(xiàn)象。如洪期沖刷枯期淤積，沖淤交替。二、河床演變的基本原因和影響因素1、河段的來(lái)水量及其變化來(lái)水量變化使水力條件改變，影響水流的挾沙能力。二、河床演變的基本原因和影響因素2、河段的來(lái)沙量、來(lái)沙組成及其變化來(lái)沙量大，泥沙組成粗，則河床淤積；來(lái)沙量少，泥沙組成細(xì)，則河床沖刷。3、河段的水面比降水面比降影響水流挾沙能力。水面比降小，將減少河床的沖刷或使河床發(fā)生淤積；水面比降增大，則將減少淤積或使發(fā)生沖刷。二、河床演變的基本原因和影響因素4、河床地質(zhì)情況河床地質(zhì)情況不同，河床抵抗沖刷的能力也不同，疏松的土質(zhì)河床容易沖刷變形，堅(jiān)硬的巖石河床甚難沖刷，不易變形。p另外，水土

12、保持工程和水利工程建筑物的修建也會(huì)影響河床的沖淤變形。三、平原河流的河床演變?cè)跈M向環(huán)流與縱向主流作用下，河流水流實(shí)際上呈螺旋形前進(jìn)。沖擊平原的河流，按其平面形態(tài)和演變特點(diǎn)的不同，可分成四種類(lèi)型的河段。三、平原河流的河床演變1、順直微彎河段河床比較順直或略有彎曲，河岸的可動(dòng)性小于河床的可動(dòng)性。多位于比較狹窄順直的河谷中。由于沙波在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到河岸的阻礙形成沙嘴，沙嘴處泥沙淤積形成邊灘，邊灘約束水流，使對(duì)岸河流沖刷，形成深槽，河床便呈現(xiàn)出邊灘與深槽犬牙交錯(cuò)的形狀。三、平原河流的河床演變1、順直微彎河段順直(微彎)型河段的演變表現(xiàn)為縱向變形和橫向變形。三、平原河流的河床演變2、彎曲河段河床蜿蜒曲

13、折，河岸可動(dòng)性大于河床可動(dòng)性，因此在兩岸發(fā)展河彎彎形。當(dāng)沙波運(yùn)動(dòng)使河床出現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的邊灘時(shí)，由于河岸的可動(dòng)性大，河床可動(dòng)性小，河岸沖刷發(fā)展較快，邊灘下移較慢，因此河床將繼續(xù)彎曲，形成河彎。水流進(jìn)入河灣后，水面產(chǎn)生橫比降，形成橫向環(huán)流。三、平原河流的河床演變2、彎曲河段在橫向環(huán)流作用下，凹岸不斷沖刷，凸岸不斷淤積，從而使河彎更加彎曲，逐漸發(fā)展成為河套。三、平原河流的河床演變3、游蕩型河段當(dāng)河岸和河底的可動(dòng)性很大時(shí)(河床地質(zhì)組成的可動(dòng)性)，河床演變會(huì)導(dǎo)致游蕩型河段的形成。特點(diǎn)：特點(diǎn)：水流湍急，河身寬淺，沙灘較多，汊道交錯(cuò)，河床變化迅速，主流游蕩不定。形成條件：形成條件：河床的泥沙淤積作用。決定河段

14、游蕩性的水力、泥沙條件是河床具有較大的比降和組成河床的物質(zhì)顆粒較細(xì)的泥沙，因而河床和河岸的可動(dòng)性大。形狀：形狀：游蕩性河段往往在平面上是寬窄相間，窄段沙灘較小，水流集中，水流擺動(dòng)幅度也不大。適用：適用：游蕩性河段穩(wěn)定性極差，對(duì)設(shè)置固定式取水構(gòu)筑物非常不利。如必須設(shè)置時(shí)，則盡可能設(shè)在河床較窄、變動(dòng)性較小的河段(有堅(jiān)硬巖露頭處)。取水構(gòu)筑物型式要盡量適應(yīng)河床可能的變化，并要有備用取水構(gòu)筑物，同時(shí)，必須采取河道整治措施。三、平原河流的河床演變4、分汊河段三、平原河流的河床演變4、分汊河段 特點(diǎn)：特點(diǎn)：河身呈寬窄相間的蓮藕狀，寬河槽中常有江心洲存在，將河道分成兩股或多股汊道。江心洲：其江心存在只有洪水

15、期才被淹沒(méi)的泥沙堆積體。河道被江心洲隔開(kāi)分成若干河汊，稱(chēng)為汊道。形成原因：形成原因：由于河道放寬，流速降低，以致泥沙淤積。洪水時(shí)水流切割邊灘或沙嘴，形成心灘，并逐漸發(fā)展成江心洲，使水流分汊。由于環(huán)流作用，使泥沙堆積，也能形成心灘，并發(fā)展成江心洲。汊道經(jīng)常處于緩慢的發(fā)生、發(fā)展和衰退過(guò)程中。下荊江歷史變遷下荊江歷史變遷四、河床穩(wěn)定程度的估算1、縱向穩(wěn)定程度主要與河床的粒徑組成、水面坡度以及河流水深有關(guān)，縱主要與河床的粒徑組成、水面坡度以及河流水深有關(guān)，縱向穩(wěn)定系數(shù)向穩(wěn)定系數(shù)f的經(jīng)驗(yàn)公式的經(jīng)驗(yàn)公式如下如下黃河黃河f=0.180.21，長(zhǎng)江，長(zhǎng)江f=0.270.33f越小，泥沙運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)越小，泥沙運(yùn)動(dòng)越

16、強(qiáng)(顆粒相對(duì)細(xì)顆粒相對(duì)細(xì))，河床不穩(wěn)定。，河床不穩(wěn)定。四、河床穩(wěn)定程度的估算2、橫向穩(wěn)定程度橫向不穩(wěn)定系數(shù)e經(jīng)驗(yàn)公式：B與河床演變影響最大的洪水流量相應(yīng)的水面寬（m）；b枯水時(shí)的水面寬（m）。e值越大，說(shuō)明枯水時(shí)露出的沙灘越寬，則洪水對(duì)河岸越易沖刷。四、河床穩(wěn)定程度的估算3、河彎穩(wěn)定程度用經(jīng)驗(yàn)公式反映，較穩(wěn)定的河彎應(yīng)該是：穩(wěn)定河彎的長(zhǎng)度L和直線(xiàn)段的河寬B關(guān)系 L=(1.21.5)B穩(wěn)定河彎的曲線(xiàn)半徑R和河彎的過(guò)水?dāng)嗝婷娣eF關(guān)系五、河川五、河川發(fā)育和發(fā)育和土壤侵蝕土壤侵蝕天然降水天然降水 徑流徑流 聚澗成溪聚澗成溪 匯溪成河川匯溪成河川出露的地下水出露的地下水 u天然河川：分為河源、上游、中游、

17、下游和河口。天然河川：分為河源、上游、中游、下游和河口。u河川的侵蝕從河源到河口河川的侵蝕從河源到河口逐漸減輕逐漸減輕，河川侵蝕是土，河川侵蝕是土壤侵蝕的一部分，是其流域地區(qū)土壤侵蝕的繼續(xù)。壤侵蝕的一部分，是其流域地區(qū)土壤侵蝕的繼續(xù)。河流的分段特征河流的分段特征河流分為上、中、下游三段，但是其劃分不是絕對(duì)的。有的劃河流分為上、中、下游三段，但是其劃分不是絕對(duì)的。有的劃分著重地貌特征（河槽的縱降比、沖淤規(guī)律等），有的劃分著分著重地貌特征（河槽的縱降比、沖淤規(guī)律等），有的劃分著重水文特征（流速、流量等），有的劃分考慮綜合因素。重水文特征（流速、流量等），有的劃分考慮綜合因素。上游段上游段侵蝕強(qiáng)烈侵

18、蝕強(qiáng)烈。比降大、流速大、流量小，河槽為基巖或礫石，河谷狹窄，多瀑布急灘，主要是沖刷侵蝕。中游段中游段沖刷與淤積都不嚴(yán)重沖刷與淤積都不嚴(yán)重。比降與流速減小，流量加大，河槽多為粗沙。下游段下游段沖刷與淤積都不嚴(yán)重。比降與流速更小，流量更大，河槽多為細(xì)紗和淤泥，多淺灘和沙洲，易發(fā)生水災(zāi)易發(fā)生水災(zāi)。水流、河槽、侵蝕、泥沙的相互作用水流、河槽、侵蝕、泥沙的相互作用水流塑造河槽，河槽約束水流水流塑造河槽，河槽約束水流，相互制約，互為因果。，相互制約，互為因果。河流具有河流具有自動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，流速、流量、含沙量、挾沙能力相互作用，流速、流量、含沙量、挾沙能力相互作用，塑造河槽。作用，塑造河槽。河槽的外

19、形改變具有一定的惰性，與河槽的物質(zhì)抗蝕性、抗沖河槽的外形改變具有一定的惰性，與河槽的物質(zhì)抗蝕性、抗沖性有關(guān)。性有關(guān)。河谷橫剖面結(jié)構(gòu)圖河谷橫剖面結(jié)構(gòu)圖1. 1. 河床河床 2. 2. 河漫灘河漫灘 3. 3. 谷坡谷坡 4. 4. 階地階地 枯水期河床地貌類(lèi)型枯水期河床地貌類(lèi)型環(huán)流示意圖環(huán)流示意圖心灘形成示意圖心灘形成示意圖表流 底流表流表流 底流底流主線(xiàn)流主線(xiàn)流曲流和汊河曲流和汊河u曲流又稱(chēng)河曲，為一種蜿蜒彎曲流又稱(chēng)河曲，為一種蜿蜒彎曲如蛇行的河流。曲如蛇行的河流。河灣凹岸有深槽，凸岸有邊灘，上下兩深槽間的過(guò)渡段有淺灘。 2. 2. 汊河汊河u當(dāng)河床中出現(xiàn)心灘或心洲時(shí)，當(dāng)河床中出現(xiàn)心灘或心洲時(shí)

20、，河床水流分汊成兩股或數(shù)股水道，河床水流分汊成兩股或數(shù)股水道，即為分汊（辮狀）河床，簡(jiǎn)稱(chēng)汊即為分汊（辮狀）河床，簡(jiǎn)稱(chēng)汊河。河。高出于中水位以上，又能被洪水淹沒(méi)的平坦谷底。高出于中水位以上，又能被洪水淹沒(méi)的平坦谷底。一般是河床長(zhǎng)期側(cè)向移動(dòng)與河流周期泛濫的產(chǎn)物一般是河床長(zhǎng)期側(cè)向移動(dòng)與河流周期泛濫的產(chǎn)物發(fā)育典型的河漫灘分為三部分：發(fā)育典型的河漫灘分為三部分：a. a. 濱河床部分濱河床部分b. b. 中央部分中央部分c. c. 近谷坡部分近谷坡部分B.B.河漫灘的形成河漫灘的形成 河漫灘的形成河漫灘的形成 A1.河床相沖擊物 A2.河漫灘相沖擊物 a. 小邊灘 b. 大邊灘 c. 河漫灘A A1 1

21、A A2 2A A1 1C.C.河漫灘的物質(zhì)結(jié)構(gòu)河漫灘的物質(zhì)結(jié)構(gòu) 粉沙 上層：河漫灘相沖積物 （較細(xì)） 粘土 壤土二元結(jié)構(gòu) 砂層 下層：河床相沖積物（較粗） 碎石 原河谷的谷底，由于河流下切侵蝕，相對(duì)抬升，超出一原河谷的谷底，由于河流下切侵蝕，相對(duì)抬升，超出一般洪水位之上，呈階梯狀分布于河兩側(cè)（或一側(cè)），即般洪水位之上，呈階梯狀分布于河兩側(cè)（或一側(cè)），即為河流階地。為河流階地。河流階地的類(lèi)型：河流階地的類(lèi)型：p侵蝕階地：侵蝕階地：階地斜坡上基巖裸露，階地面上僅有 零星河流沉積物分布，有河流侵蝕的痕跡。p堆積階地：堆積階地：階地面和階地斜坡全是由河流沉積物質(zhì)組成，無(wú)基巖暴露。p基座階地：基座階地：階地之下有基底暴