第二章 河流特性与河道演变.ppt

第二章河流特性与河道演变TheBehaviorofRiverandChannelEvolution 授课老师 王晓 一 河流的基本概念1 河流 干流 支流 水系2 河谷 河床 山谷 谷底3 洪水河床 中水河床 枯水河床 第一节河流及河流特征 二 河流的分段河流沿河长按不同的自然特征可划分为 河源 上游 中游 下游 河口 上游 连接河源 位于河流上段 较大河流的上游往往高山夹峙 沿河有许多峡谷 河床一般窄而深 特点 水流急 落差大 洪水涨落急剧 带有跌水等险滩 中游 河流中段 多位于丘陵地区 特点 河面较宽 河床坡度较平缓 水流较平静 下游 河流最下一段 大河流下游位于冲击平原地区 特点 河床较宽 复式断面 图 河槽纵向坡度平缓 流速较小 河口 河流终点 大河流入海洋 小河流入湖泊或其他河流 再者消失沙漠之中 特点 河床断面特征 三 河流的基本特征1 河流长度 谿线 河流长度指河源到河口的轴线长度 确定河流长度可以在大比例尺的地形图上 用曲线计或两脚规量取 地图的比例尺越大 量得的河长越精确 河流的弯曲程度和两脚规跨度大小 都影响河长的量算结果 两脚规跨度大或河流小弯道过多时 两脚规与曲线计都会因忽略小的弯曲而使量得的结果偏小 河流长度的量算由于采用的方法与选取的河源不同 量得的结果往往有很大出入 2 河流动力轴线 3 河流断面 横 纵 1 纵断面 沿河流中线 也有取沿程各横断面上的河床最低点 的剖面 测出中线以上 或河床最低点 地形变化转折的高程 以河长为横坐标 高程为纵坐标 即可绘出河流的纵断面图 纵断面图可以表示河流的纵坡及落差的沿程分布 沿水流方向的断面 纵断面 3 河流断面 横 纵 2 横断面 河槽中某处垂直于流向的断面称为在该处河流的横断面 它的下界为河底 上界为水面线 两侧为河槽边坡 有时还包括两岸的堤防 横断面出称为水断面 它是计算流量的重要参素 常见的断面形式有矩形断面 马蹄形断面等 与水流方向垂直的断面 横断面 河湾段与直线段河流横断面示意图 4 河流比降河床底部比降越大 水面比降越大 落差比降示意图 偏转力引起的横比降 5 水位及水位差上游水位差大 下游水位差小6 河流宽度7 过水断面面积8 流速 流量流速 水流某质点在单位时间内所移动的距离9 含沙量 悬移质 推移质 1 地质特征 1 山区性河流 流经地势高峻 地形复杂的山区地带 河床由难以冲刷的基岩组成 2 平原性河流 流经地带为冲积层 泥沙淤积 2 平面特征 1 山区性河流 急 弯 卡口多 2 平原性河流 河流走势平缓 四 山区性河流与平原性河流的一般特征 3 横断面特征 1 山区性河流 V U形 水位上升 宽度变化不大 汇流时间短 净流系数大 2 平原性河流 W 倒三角 抛物线 散乱形 汇流时间大 净流系数小4 纵断面特征 1 山区性河流 纵比降比较大 水面比降也大 2 平原性河流 纵比降比较小 水面比降也小 5泥沙特征 含沙情况比较 颗粒大小 推移质 悬移质 1 山区性河流 泥沙颗粒粗 推移质多 2 平原性河流 泥沙颗粒细 悬移质多6水流特征 水位过程线比较 涨落 径流系数 径流量 形成径流的降雨量 汇流时间 河床断面形态 1 山区性河流 暴涨暴落 2 平原性河流 比较平缓 一 水位变化 基本术语 历年最高洪水位 历年最低枯水位平均高水位 平均低水位平均水位 常水位 第二节河流的水文情况 二 水面比降1 纵比降 1 定义 河水运动主要是由于重力沿水面方向的作用而产生的 也就是说河水需运动必须要有自上而下的水面坡度 纵向比降 2 计算公式 河段的落差 H H1 H2纵比降 i H1 H2 L H L 3 纵比降的规律 河流的纵比降一般自河源向河口逐渐减小 小河的比降较大河陡 支流的比降较干流陡 我国长江各段比降见表 4 纵比降的影响因素 地层条件 河床土质坚硬 能够抵抗水流的冲刷 比降较大 反之河床土质松软 则比降较平 河床形态 河床放宽 比降减小 例 峡谷比降大 出了峡谷比降突然减小 水位升降变化 详见下图说明 图aaaa线 河流深槽与浅滩间 如遇断流 形成一系列水塘 图bbbb线 随水流增大 塘内水满 向下溢流 水面比降与滩底坡度近于平行 而深槽处比降则较平缓 图cccc线 流量继续增加 浅滩上水面比降减小 深槽比降相应增大 图dddd线 流量再增加 水位上涨 发生直线的纵断面 图eeee线 流量还增大 河道平面形状影响超过河底起伏的影响 由于深槽通常在河湾地段 对水流阻力大 因此比降增大 2 横比降 1 产生原因 河流在弯道处由于离心力和偏转力的作用 会产生横比降 如图所示 偏转力引起的横比降 2 计算公式 Ir tg C G式中 Ir 水面横比降C 单位水体的偏转力G 单位水体的重力 由于离心力作用产生的横比降 如图所示 Ir tg P G V2 Rg式中 Ir 水面横比降V 水流的纵向流速 m s R 弯曲半径 m g 重力加速度 m s2 P 离心力地球偏转力及离心力综合作用下所产生的横比降为两者的代数和 离心力引起的横比降 三 流速1 定义河流中的流速系指水流某质点在单位时间内所移动的距离 通常以m s计 2 影响因素河底 河岸的形状 河岸的粗糙程度 河底植物生长 河流冰冻 风速 风向等3 河流的等流速线图横断面中流速相等各点的连线 见冰冻和畅流时河流横断面上的等流速线图 封冻期河流等流速线图 畅流期河流等流速线图 河流的等流速线图 4 流速垂线分布曲线如果把横断面各垂线上诸点所测得的流速绘成曲线 可得到流速沿水深的分布 这种曲线称为流速垂线分布曲线 其形状近似抛物线 5 流速分布规律 1 受河周界摩擦力影响 流速自水面向河底逐渐减少 流速自河中向河岸逐渐减少 2 沿铅垂线上的流速分布 最大流有时在水面 有时在水面下0 2 0 3m水深处 3 横断面最大流速一般在最大水深处的水面附近 河面结冰后 最大流速移向断面中部 四 横向环流和螺旋流1 横向环流水流沿断面的环状运动 对河道演变起重要作用 除在弯道处较明显外 水流流向改变处 分汊及汇合处 江心洲两旁 也会产生环流 自然河流中 环流分布最广的地方是弯曲河道的凹岸 引起横向环流的力之解剖图 横向环流示意图 2 螺旋流由于纵向水流受横向环流的影响 而使水流成螺旋状向下流动 螺旋流示意图 1 定义深槽 过渡段 枯水期 天然障碍物 第三节浅滩及其规律 2 浅滩的组成 图浅滩的组成a 平面图 b 沿深泓线纵断面 c A B断面1 上边滩 2 下边滩 3 上深槽 4 下深槽 5 沙梗 6 上深槽尖潭 7 下深槽倒套 8 上沙梗 9 下沙嘴 c 鞍凹 8 c 9滩脊 1 上边滩 或称上沙咀 上岸滩 它位于浅滩鞍槽的上游 2 下边滩 或称下沙咀 下岸滩 它位于浅滩鞍槽的下游 3 上深槽 或称上深潭 是浅滩上游的深水河槽部分 4 下深槽 或称下深潭 是浅滩下游的深水河槽部分 其中深入上边滩尾部的下深潭的尖端部分 称为沱口 或称尖潭 5 沙鞍 是连接上下两边滩的一道沙埂 其形状如马鞍 故称沙鞍 沙鞍上最深的部分称作鞍凹 3 浅滩的分类 按滩形特征和碍航情况分 1 正常浅滩这类浅滩位于蜿蜒性河流两反向河湾之间 且平面形态较好的过渡河段上 上下深槽彼此不相交错 而是通过鞍凹平顺的相连 沙脊前坡与后坡的坡度平缓 鞍凹具有稳定而足够的宽度和深度 水流漫溢的方向与鞍凹的方向一致 这些特点使得这类浅滩对航行有利 一般不需整治 故称好滩 正常浅滩 2 交错浅滩这类浅滩多出现在河身较宽的微弯型河段或曲率较大 过渡段很短的蜿蜒性河段上 它的上下深槽交错形成沱口 缺点是从上深槽流出的水量 相当大一部分经上边滩流入下深槽首部的沱口处 以致在两深槽间的沙脊处流量减少 水深不足 另外由于水流分散 还易使船舶偏航 撞上边滩 发生事故 交错浅滩 3 复式浅滩这类浅滩多出现在比较顺直或过渡段很长的河段内 它是由两个或数个浅滩组成 一般具有沱口 这类浅滩对航行很不利 特别是长船队通过此类浅滩更困难 为了改善浅滩的航行条件 通常在中间边滩上设置挖槽 进行大量的疏浚挖泥工作 开辟新航道 复试浅滩 4 散乱浅滩这类浅滩多出现在河槽宽阔的顺直河段和周期性壅水的河段 它没有明显边滩和滩脊 河床上散布各种大小沙丘 水深很浅 航道散乱 这种浅滩对航运显然是不利的 散乱浅滩 4 浅滩的成因 1 在河段突然放宽的地方 过水断面增大 流速降低 水流挟沙力减弱 大量泥沙落於 形成浅滩 2 在收缩的河段上游 水流因受收缩段的影响 形成壅水 比降变小 流速降低 水流挟沙力减弱 大量泥沙落淤 形成浅滩 3 在两个河湾的过渡段 由于环流作用的逐渐消失 水流挟沙力减弱 引起大量泥沙落淤 形成浅滩 如果过渡段长和曲率半径大 浅滩就长些 反之 浅滩就短些 4 在河道分汊处 由于汊道阻力的不同和水流的弯曲 常在汊道之一的入口上游产生较高的壅水 引起泥沙落淤 形成浅滩 在汊道汇合处 由于汊道挟沙数量不同和水流弯曲 在挟沙较多的出口处 常因泥沙落淤 形成浅滩 5 在支流汇入的地方 如支流挟带的泥沙颗粒较大 超过了干流的挟沙能力 也会落淤 形成浅滩 6 横跨河流的一些水工建筑物 如桥梁 水闸等 也能使上游水位壅高 引起泥沙淤积 形成浅滩 7 不适当的裁弯取直 会造成引河冲刷 而在引河下游淤积 形成浅滩 5 浅滩演变的主要影响因素 1 来水 来沙条件来水条件 来水总量 洪峰大小及洪峰过程线的形式 某一特定水位的持续时间 来沙条件 来沙总量 含水量大小 粒径级配及过程线的形式 黄河秦厂站1954年流量 含沙量过程线演变特点 7 9月 冲刷 11 4月 淤积 2 河床边界条件河床的平面形状 纵向形态 河床的组成 边滩的尺度 部位及形状等 浅滩上 下游的边滩对其冲淤有很大影响 边滩的高低 标志水流归槽水位的高低及对水流导沙作用的强弱 过渡段的长度对过渡段浅滩的影响 过渡段适当 上下弯道的环流使浅滩对面形成两个大边滩 过渡段太长 常形成两个以上浅滩 浅滩不稳定 过渡段长 河床宽 泥沙大量在河床上淤积 形成心滩或江心洲 过渡段太短 形成交错浅滩 不利航行 河道的放宽段 在束窄 峡口 上游段 支流河口 入海河口 3 上 下游河段演变影响 上游河段的影响 主要表现在进入本滩段的水流动力轴线上 下游河段的影响 主要表现在下游河床冲淤对本河段比降的变化 引导水流走向 使浅滩的冲淤水位和输沙力受到影响 6 浅滩演变的基本规律 1 浅滩的稳定性和活动性稳定性 河床形态没有根本性变化 浅滩不会自行消失 活动性 体现在滩脊高程和位置的变化 2 浅滩演变的年周期性水文条件的变化 是引起浅滩变化在直接条件 水文条件有年周期的变化 浅滩也有汛期淤 枯期冲刷的年周期变化 大多数浅滩在洪水上涨期淤积 退落时冲刷 即洪淤枯冲 洪淤 洪水中泥沙多 容易淤积 枯冲 河床变窄 河道束水归槽 水动力变大 开始冲刷浅滩 3 浅滩演变的多年周期性以多年水文周期性变化为依据浅滩年际周期性的表现型式 边滩反复消长 深泓线上下摆动 岸线不断变化 过渡段时而延长时而缩短 汊道兴衰交替 通航汊道易位 一 河口的定义和分类1 定义 河口 rivermouth estuary 是半封闭的向陆延伸至潮汐影响的上界 有不止一种的方式与开阔的海洋或含盐的海岸水体自由连通 并能有效地被陆地上的淡水冲淡 而且能够维持生命周期循环的海岸水体 PerilloGME Newgeodynamicdefinitionofestuaries 1989 第四节河口的动力条件及盐水楔重 2 河口分类 按其注入的场所分 河口有入海河口 入湖河口 入库河口和支流河口 就入海河口而言 它是一个半封闭的海岸水体 从河流到海洋的过渡地带 与海洋自由沟通 海水在其中被陆域来水所冲淡 为了研究方便 根据河口各部分特征 将河口区分为若干段 河流近口段 河流河口段和口外海滨 河口区分段示意图a 三角洲河口 b 三角港河口1 河流近口段 2 河流河口段 3 口外海滨段 1 河流近口段通常是指潮区界和潮流界之间的河段 其上界即潮区界 是指潮水位影响的最远点 其下界即潮流界 是指河道中潮流上溯的最远点 2 河流河口段也称潮流段 通常是从潮流上溯的最远点到河流的口门为止的河段 河流口门的位置 可取河口地区平均水位纵剖面线与外海平均海平面的交汇点 3 口外海滨是从河流河口段的下界起到滨海浅滩的外界止的区域 在大陆架较窄的地区 其下界直接和大陆坡相接 2 河口分类 按其形态分 河口按其形态分为三角港河口与三角洲河口 1 三角港河口三角港河口是海洋伸入大陆内部形成一个漏斗或喇叭口 当河流的含沙量小 又有较强的潮汐和沿岸流可把泥沙带走时 往往形成单一的河道逐渐放宽 水深随潮增大的喇叭形的河口 即三角港河口 例 钱塘江河口 见下图 钱塘江河口的特征 1 河口平面外形呈喇叭状 放宽率大 河床纵剖面呈隆起状 水深浅 拦门沙位于口内 成为沙坎 2 潮差大 潮流急 常有涌潮出现 3 河槽不稳定 纵向冲淤幅度大 河宽水浅 主槽摆动频繁 呈游荡型 2 三角洲河口三角洲河口是大陆突出于海洋而形成的三角形的沙洲 当河流的含沙量大 河口区的盐淡水异重流较强 而潮汐弱 潮流和沿岸流不能将河流带来的泥沙带走时 在河口区就容易淤积成沙滩 沙滩逐渐淤高 河口段就冲积成许多放射状的汊道 而每一条汊道口外又会形成沙滩 如此发展下去 就形成了扇形的分汊式河口 即三角洲河口 例如 长江河口 见下图 三角洲河口的特征 1 河道放宽率不大 放宽较均匀 2 地形对潮波影响较小 潮波变形不很剧烈 3 流域来沙丰富 外海动力作用通常较弱 4 当山水强时 落潮流速大于涨潮流速 山水对河床演变常起主导作用 2 河口分类 按其动力特性分 河口地区的河床演变特征主要处决于径流大小 潮流强弱 含沙量高低和河口区的地质地貌条件 按其动力特性 我国潮汐河口可分为以下四类 1 强潮海相河口以钱塘江为代表 特点是潮流强 泥沙来自口外海滨 平面外形呈喇叭口形 盐淡水混合对泥沙运动的影响小 强潮把泥沙推向口内形成沙坎 2 弱潮陆相河口以黄河为代表 其特点是潮流弱 河流来沙很丰富 河口区河道容易改道 常形成圆弧状三角形 各汊道口门附近多有拦门沙 3 湖源海相河口其特点是径流经过上游湖泊的调节 变幅小 泥沙主要来自口外 在口外生成拦门沙 河道形态沿程变化小 并且比较弯曲 如黄浦江 浏河 射阳河等河口 4 陆海双相河口这类河口的特点是陆相和海相得泥沙都较丰富 径流和潮流的力量相当 口门处常形成拦门沙 口门内也会形成隆起的沙坎 这种隆起沙坎在平原河口常是咸淡水交混的产物 在山区河口多为径流所带来的粗颗粒泥沙在过渡段造成的集中淤积 如长江 辽河 闽江及鸭绿江等河的河口 二 河口区的水流特征和泥沙运动1 河口区的水流 既受内陆径流的影响 又受到外海潮流的影响 1 潮流界 TidalCurrentLimit 海洋涨潮时 潮水沿河上溯 因受河水顶托及河床阻力的影响 潮流能量逐渐消耗 流速愈来愈慢 潮差越来越小 涨潮流上溯到一定的距离 涨潮流速为零 涨潮流消失 即潮水停止倒灌 其达到的最远断面 称为潮流界 即在潮流界以上无涨潮流 2 潮区界 TidalLimit 在潮流界以上 河水受潮水顶托 潮波仍可影响一定距离 在潮差为零的地方 称为潮区界 潮区界和潮流界的位置 随径流和潮势力的消长而变动 潮区界离河口口门的远近 取决于潮差的大小 河流径流强弱 河底坡度及河口的几何形态等因素的不同组合 南美洲亚马孙河口的潮波 可上溯1400多公里 中国黄河口的潮波 只上溯20 30公里 2 河口区的水流特征 1 涨落潮历时不等潮差愈大 低潮水深愈小或托顶的水流愈强 则涨潮历时愈短而落潮历时愈长 2 流速和潮位过程线出现相位差潮流和潮位曲线出现相位差 很大程度上取决于反射波的作用 无反射波时 潮流和潮位曲线相位一致 完全反射时 两者的相位差90 一般情况介于两者之间 河口潮流相位差的存在 使最大流速先于高水位出现 使落潮平均水深增加 涨潮平均水深减小 a 前进波 b 驻波河口潮位及潮流过程线 浅海潮汐受地形和底部阻力的影响 水面除有垂直波动外 还有水平移位 具有移动波性质 称为浅海潮流 亦称浅海潮波 浅海潮波进入河口后 受河床的约束和河川径流的阻碍而形成水位周期涨落 流向倒顺变动的往复水流 在一般情况下 整个往复流过程可划分为四个阶段 涨潮落潮流 当潮流侵入河口之初 海水因密度较大潜入河底向上游推进 此时河口水位上升 水面坡降变缓 但上层水流方向仍指向下游 此时 在咸淡水交汇地区 流速垂线分布呈上下两层 上层为淡水 流向下游 下层为咸水 向上游推进 图1a 涨潮涨潮流 随着海水的上涨 河口水位不继上升 水面转向上游倾斜 落潮流经历憩流 即潮流速降为零 以后在整个断面上水流转向 变为涨潮流 图1b 落潮涨潮流 当潮波向上游推进至相当距离后 海洋中已开始落潮 河口内的水位也随之下降 此时水面比降虽趋于平缓 涨潮流速逐渐减小 但在惯性力作用下 水流方向仍指向上游 图