河流动力学-6章-hxgmzhang

主讲教师：张红霞Email:河流动力学概论Introductiontorivermechanics教材：邵学军王兴奎.

《河流动力学概论》第1版.

清华大学出版社6.1冲击河流演变的影响因素与时间尺度6.2冲击河道演变中的均衡状态6.3造床流量6.4黄河上游人为活动对有效输沙流量的影响6.5河相关系6.6河相关系的理论推导方法-1-河道演变的基本原理第6章xe第六章河道演变的基本原理一、河流沿纵向分段1、侵蚀段（河源段）2、输运段3、沉积段基本概念-3-1、河源段（侵蚀段）特点：河源区，比降大，水流湍急，河道下切成V形河谷，常见急流、瀑布。基本概念第六章河道演变的基本原理一、河流沿纵向分段-4-第六章河道演变的基本原理一、河流沿纵向分段2、输运段特点：支流汇合，河道比降趋缓，河谷变得宽阔，河槽出现弯道，开始摆动。基本概念-5-第六章河道演变的基本原理基本概念一、河流沿纵向分段3、沉积段特点：进入平原地带后，河道缓缓游荡、摆动，形成平坦、宽阔的河谷。河口处泥沙沉积形成三角洲，可能出现多个汊道分流如海。-6-第六章河道演变的基本原理基本概念一、河流沿纵向分段3、沉积段特点：在山区和高原地带，河流的主要动力过程是侵蚀和输运，在平原和河口则主要是沉积。-7-图北盘江毛虎段河谷断面形态图（a）V形河谷形态（b）U形河谷形态第六章河道演变的基本原理山区河流基本概念-8-图平原河流的河谷形态第六章河道演变的基本原理平原河流的河谷形态断面图如下所示，其特点是有宽广的河漫滩。基本概念-9-第六章河道演变的基本原理1、输沙不平衡是产生河床演变的根本原因2、河床的自动调整作用（或称河流反应）反映河床的应变能力3、河床演变永远朝着使演变停止的方向发展二、河床演变的基本原理基本概念-10-6.1冲击河流演变的影响因素与时间尺度天然河流的河床演变是由多方面极其复杂的因素决定的，一般来说，对于任何一个具体河段，影响河床演变的主要因素有以下三项：（1）河段进口的水沙条件：来水条件----来水量、来水过程来沙条件----来沙量、来沙过程、来沙组成（2）河段边界条件：地质条件-----河床、河岸的构成，沉积物的构成地貌条件-----河谷的宽度、比降，河槽的宽度、比降，平面形态影响河床演变的主要因素：-11-（3）河段出口的水位流量关系，反映下游侵蚀基点的影响。

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

出口断面的水位流量关系；

水库、桥梁、整治工程的修建可以改变侵蚀基准面。6.1冲击河流演变的影响因素与时间尺度影响河床演变的主要因素：-12-（1）、（3）决定河段进出口边界条件，（2）决定河身的周界条件，三者结合在一起，决定全河段的演变过程。6.1冲击河流演变的影响因素与时间尺度影响河床演变的主要因素：-13-6.1.1Langbein-Schumn定律1、流域内影响河道演变过程自然因素：气候、植被与土壤、地质与岩性、地貌形态。2、在地貌学时间尺度上（数万年至数十万年），气候为自变量，其他量随气候而改变。3、根据蒸发量与降雨量的对比，可将流域气候分为湿润、半湿润、半干旱、干旱、极端干旱等。-14-4、Langbein-Schumn定律1985年，Langbein-Schumn研究了考虑植被影响的情况下小流域单位面积产沙量与有效降水量的关系，以美国中南部若干中小流域的水库淤积和水文站观测资料为基础点绘制图6-4的关系曲线，称为Langbein-Schumn定律。6.1.1Langbein-Schumn定律-15-6.1.1Langbein-Schumn定律图6-4Langbein-Schumn定律图6-4中，横坐标是用年平均气温为10℃的流域产生给定径流所需降水量，作为其流域产生同样数量径流时的有效降水量。举例：年平均气温为10℃的流域产生径流为10m3/s需要降水量为100mm。同一流域产生同样是10m3/s的径流的有效降水量就是100mm。4、Langbein-Schumn定律-16-6.1.1Langbein-Schumn定律思考：解释Langbein-Schumm定律，说明为什么最大产沙量发生在半干旱草原上，而不是沙漠灌丛区或降雨量很大的地区。答：在干旱区，地表几乎处于裸露状态，稀疏的荒漠灌丛对地表物质保护作用很弱，但由于降雨也很少，降雨侵蚀力极弱，水流的侵蚀强度很低。实际上这类地区以风蚀为主。

处于干旱到半干旱区这一范围的流域，有效降雨量增加首先引起侵蚀力迅速增大(降雨多为集中暴雨形式)，而流域内植被是并不茂盛的草本植物，其抗蚀力的增加不足以与侵蚀力抗衡，故在这一范围内随着有效降雨的增加，侵蚀强度迅速增大，并在半干旱区(有效降雨量为300mm左右)达到峰值。-17-6.1.2河流演变过程研究的时间尺度问题1、时间尺度分类：稳定时段（量级为天），准衡时段（量级为百年），地质时段（量级为百万年）。-18-变量类型所考量虑的时段长度稳定时段（量级：数天）准衡时段（量级：数百年）地质时段（量级：数百万年）地质（岩性、地层结构）自变量自变量自变量古气候自变量自变量自变量古水文自变量自变量因变量河谷坡度、宽度和深度自变量自变量因变量气候自变量自变量不确定植被（种类和密度）自变量自变量不确定平均流量自变量自变量不确定平均来沙量自变量自变量不确定河道形态自变量因变量不确定实际流量和沙量因变量不确定不确定水流的水力特性因变量不确定不确定表6-1不同时间尺度上与冲积河流演变过程有关的变量6.1.2河流演变过程研究的时间尺度问题-19-答：如果河床和边岸的物质组成不改变或流域来水来沙没有较大变化，在准衡时段内。河道依然能够在河道平面摆动和断面有冲有淤的演变过程中达到一个稳定、平衡的一般形态，河道的主要几何尺寸基本不变，此时称为河流沙条件和边岸抗冲性是稳定不变的，称为河流处于平衡状态．或称形成了“均衡河道。

思考：在什么情况下，可以认为冲积河流处于平衡状态、形成均衡河道?（6.2节详细讲解）6.1.2河流演变过程研究的时间尺度问题-20-6.1.3沟道与水系的发育1、泥沙输移比一定时段内通过沟道或河段某一断面的实测输沙量St与该断面以上流域总侵蚀量Se的比值。用St/Se来表示，恒小于1。

St和Se来两者之差是自流域侵蚀发生地点到流域出口控制点之间的输运过程中沉积减少的沙量。流域越小，或泥沙颗粒越细，泥沙输移比越大，即越接近于1。宜昌站以上的长江流域，泥沙输移比St/Se约为0.35-21-图6-7（c）中最上游，没有支流的河道定义为级别最低的1级河道，每两个同级别的河道交汇后形成的河道为高一级的河道；而不同级别的河道交汇后形成的河道级别与交汇前较高的河道级别相同。缺点：级别高河道流量不一定比级别低的河道流量大。2、Strahler天然河流分级法（1957年）6.1.3沟道与水系的发育-22-单位流域面积内的河道长度称为河网密度(drainagedensity)D。其定义为单位为km/km2（6-1）其中，为级别为u的河道总长度。3、河网密度（drainagedensity）6.1.3沟道与水系的发育-23-定义：每平方公里流域面积内侵蚀沟（或水文网）的总长度，以km/km2表示。黄土高原丘陵沟壑区，常用沟道总长度来计算沟壑密度。沟壑密度与土壤侵蚀的严重程度密切相关。我国侵蚀极为严重的黄土丘陵区，沟壑密度达1.8～7km/km2。3、沟壑密度6.1.3沟道与水系的发育-24-6.2冲击河道演变中的均衡状态

1、定义：

如果河床和边岸的物质组成不改变或流域来水来沙没有较大变化，在准衡时段内。河道依然能够在河道平面摆动和断面有冲有淤的演变过程中达到一个稳定、平衡的一般形态，河道的主要几何尺寸基本不变，此时称为河流沙条件和边岸抗冲性是稳定不变的，称为河流处于平衡状态．或称形成了“均衡河道”。6.2.1均衡状态-25-河道的主要几何尺寸基本不变。存在一种自动调整的负反馈机制。水流和泥沙等变量之间达到某种平衡。2、河流处于平衡状态特点：6.2.1均衡状态-26-影响河道冲淤平衡的主要因素为：输沙量Qs泥沙的中值粒径D50流量Q河道比降J3、W.M.Davis提出的“成熟河流的冲淤平衡”关系式6.2.1均衡状态（6-2）-27-例如：如果J减小，而Q不变，则河道发生淤积，这样就只有来流输沙量Qs或来沙粒径D50减小后，才能使河道恢复河流冲淤平衡状态。6.2.1均衡状态3、W.M.Davis提出的“成熟河流的冲淤平衡”关系式-28-1、以河道形态随时间的变化为判据如果一定时段内，流域来水来沙条件和边岸抗冲性是稳定不变的，则河流会响应这些条件调整自身的空间形态，在平均意义上使其宽度、比降和弯道形态（弯曲系数）维持一个相应的稳定值。也即，泥沙输运和冲积演变过程的稳定性能够衍生出河道平均形态的稳定性，如果流域来水来沙条件和边岸抗冲性改变，则河道会通过调整适应而形成新的均衡河道。三种有代表性的均衡河流的定义：6.2.2均衡状态的判据-29-2、以河道内泥沙的输运过程为判据一条均衡河流是在经过一定的年月以后，坡降经过精致的调整，在特定的流量和断面特征条件下，所达到的流速恰好使来自流域的泥沙能够输移下泄。均衡河流是一个处于平衡状态的系统；它的主要特点是控制变量中任何一个变量的改变都会带来平