第七章-河床演变-2-13ppt课件

.,第七章河床演变,第一节河床演变的基本概念,思考：水流与河床的关系？,河流动力学研究把河道形态演变过程与各种环境因素之间的因果关系，归为水文过程、泥沙特性和河道形态之间的一种确定性的函数响应关系，并用以预测流域、河道边界等环境因素变化可能引起的河道形态调整。,河床演变？,.,一、冲积河流演变过程的时间尺度对于不同的时间尺度，冲积河流演变过程的自变量和因变量是不同的。地理学家分为三种时间尺度：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）。,.,.,对实际工程有重要影响的泥沙输运问题一般其时间尺度都限于百年以内，流域中气候、地形、植被、岩性可视为确定的自变量，河流沿程地质构造的升降运动可以忽略不计，侵蚀基准面（内陆湖泊水面、海平面也可视为稳定。河道形态（河道比降）是因变量，它是由其他自变量（流量、输沙率、泥沙粒径、河谷比降、岸壁阻力等）决定的。,.,冲积河流演变包括河道的比降、形态、河床物质组成的变化，常常趋向于使河道形态达到一定的相对平衡，上游的来水来沙能通过河段下泄。能够在准衡时段上造成流域水文泥沙要素和河道边界条件发生重大变化、影响河道演变的人为活动：流域内的植被、土地利用方式、干流上的水利枢纽等，这些活动影响流域的来水来沙条件，从而引发相应的调整变化。举例？,.,二、河床演变形式,.,表现形式-纵向，横向发展方向-单向，往复变化范围-长河段，短河段,.,三、河床演变的机理冲积河道演变中的均衡状态：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，河道的主要几何尺度基本不变，为河流处于平衡状态。自动调整作用：通过改变B、H、J、DS来S，淤；反之冲,水流与河床的自动调整机理？,.,四、影响河床演变的因素（1）河段的来水量及其变化（2）河段的来沙量、来沙组成及其变化（3）河段的河谷比降（4）河床形态及地质决定着河床条件第1、2、3决定着水流挟沙能力。第1、2对平原河流起主导作用第3、4对山区河流起主导作用。,.,第二节河床演变的基本类型及特性,一、河型的划分,.,.,二、山区河流的河床演变,（一）、山区河流主要特征1、山区河流水流特征洪峰，QZ，中水历时，流速大，滩上23m/s，比降陡0.31.3,闽江,.,流态乱-回流、漩水、横流、滑梁水、扫弯水、泡水、剪刀水、跌水、激浪,.,2、山区河流形态特征,纵剖面陡峻,横断面“V”“U”字形,侵蚀下切,3、山区河流泥沙运动卵石运动的间隙性，随机性，运动速度,.,三、平原河流的河床演变,（一）、平原河流的主要特征1、水文泥沙特征Q、Z、J、V,悬移质（沙、粉沙、粘土）；推移质（中沙、细沙）以沙波形式运动。,.,2、平原河流形态特征横断面形态；河漫滩；成型淤积体（数10100米）,浅滩,江心洲,边,江心滩,滩,.,（二）、顺直（微弯）河道河床演变,浅滩深槽冲淤交替；边滩、深槽同步下移；河床周期性展宽。,.,.,（三）、游荡型河道河床演变,出现散乱游荡型河道的关键条件,.,（四）、弯曲型河道的河床演变,1、弯道的水流特征水面横比降,出现弯曲型河道的原因,.,2）弯道环流产生的机理?,横比降在弯顶附近最大,.,水流动力轴线？深泓线？3）弯道水流动力轴线顶冲点：低水上提，高水下挫；主流线：低水傍岸，高水居中.,工程问题：河道拓宽，护岸范围怎样变化？,.,4）、弯道纵比降弯道上段-凸岸凹岸；弯道下段-凸岸凹岸,凹岸,凸岸,进口,出口,.,5）纵向流速,6）横向流速,.,.,弯道河段分区,.,2、弯道的泥沙运动,（1）悬移质运动弯道泥沙运动与弯道螺旋流密切相关。在螺旋流作用下，凹岸含沙较小且泥沙颗粒较细，含沙量处于不饱和状态；凸岸附近含水量沙量较大，颗粒较粗，含沙量沿水深分布更不均匀。,.,（2）推移质运动同岸输移-泥沙由弯道凹岸输移到下游弯道同一岸。异岸输移-输移到本河湾的凸岸和下游弯道另一岸。与底部流速、流向和河床形态有关。当R小、横向环流强，底部螺旋流强，则离开凹岸输移到凸岸，为异岸输移。,.,推移质运动的成带性推移质在断面上的分布并不遍及整个河宽，而是集中成带。单宽推移质输沙率沿断面分布很不均匀，靠近两岸几乎没有推移质，在中间部分有两个峰，较大的峰偏于凸岸。在弯顶及其下游最为明显。,.,3、弯道的形态特征,左图为美国普博阿齐河实测与理论的比较。可以看出实测点群很好地分布在正弦曲线的两侧。,右图为限制性河弯形态,.,4、弯曲河段的演变,凹岸崩退和凸岸淤长,切滩撇弯,河湾发展、河线蠕动,.,32,蜿蜒河道演变,在弯曲河流上，河床形态各要素之间能自我调整形成某种相对稳定的关系。长江中游的微弯河道总弯曲度为1.1-1.4，而蜿蜒河段为1.8-3.0.见图7-12和7-13关系，双对数关系下呈直线关系。,.,33,弯道的演变,弯道演变的过程最突出的是凹岸因冲刷而后退、凸岸因淤积而前进。弯道摆动是破坏河势稳定的主要威胁，长江段崩岸有50%是因为弯道环流引起的，弯道横向流速导致凹岸处的表面顶冲，会引发强烈崩岸。,.,34,流量较小的时候，冲刷发生在凹岸弯道顶点或略偏下游，使凹岸后退，凸岸前进，弯曲程度加大。在急弯上和流量较大时，流速难以迅速改变，下一个弯道的凸岸顶点上游处发生冲刷，使得弯道凸岸上游处和凹岸下游处发生冲刷，弯道发生纵向平移。图7-15,.,35,在天然河流上的观测表明：当弯道的曲率半径与河宽之比在24之间时，弯道横向摆动的运动速度最大图7-16,.,裁弯取直、河湾消长,.,37,弯道的发展是自我调整过程，比降变得越来越小，凸岸发生冲刷的情况将十分频繁，在适当的流量下会发生裁弯，降低弯曲度。裁弯分为切滩、截颈两种方式，使原河湾处的流路缩短，河道比降增大，从而输运能力增强。图7-17,.,（五）分汊型河道的河床演变,1、汊道的形态及类型,弯曲分汊,顺直分汊,弓形分汊,复杂分汊,.,分汊程度和形态指标：KF=LK/LZKF分汊系数，LK各汊长度总和LZ分汊河段直线长度BF=BM/BSBF分汊系数，BM各汊长度总和，BS分汊河段直线长度,.,40,游荡分汊型,游荡分汊型河流一般比较顺直，有两股或两股以上的汊道，纵向比降较陡，挟带的床沙质泥沙数量大，水文过程急涨急落型。边岸物质含粘粒少、抗冲性差。游荡分汊型河流的宽深比高于单一流路弯曲型和相对稳定分汊型的河流。游荡分汊型河流总的趋势比较顺直，弯曲系数略大于1.0，一般都小于1.3.主流的方向变化较大，对防洪工程造成严重威胁。多沙的游荡分汊河流的河道横断面十分宽浅，宽深比在2040之间。,.,41,为了区别游荡性河流和非游荡性河流，建立游荡指标。Leopold和Wolman,.,42,Parker把河道比降、Froude数、宽深比等参数组合在一起判别图。图7-24,.,43,上述两种方法没有考虑河床质粒径对河型影响，VandenBerg把单位河流功率和河床质中值粒径作为主要参数，图7-25,.,2、汊道水流泥沙运动（1）分流区和汇流区的水流泥沙运动,.,（2）汊道横断面特性（河相关系）,（3）汊道纵断面特性（4）汊道的分流比和分沙比,.,3、汊道的河床演变过程,（1）洲滩的移动和分合（2）河岸的崩坍和弯曲（3）汊道的交替兴衰,.,第三节河相关系,一、造床流量-定义；计算方法-平滩水位法，计算法,步骤：（1）选河段某断面典型年Qt，并将其分成若干等级；（2）确定各级流量出现的频率P（3）绘QJ关系，确定各级流量相应的比降；（4）计算Q2JP（5）绘QQ2JP曲线。,.,二、河床稳定性纵向称定性系数-取决于泥沙抗拒运动的能力与水流对泥沙作用力之间的对比关系.,横向稳定性系数-河岸土壤的抗冲能力；滩槽高差。,D-床沙平均粒径，h-平滩水深，J-造床流量下的比降。,Q-造床流量；B-造床流量下的河宽；J-造床流量下的水面比降,.,三、河相关系从流域的概念出发，河流的断面形态和纵剖面应该是流域来水来沙条件的函数。B=F1（Q，G0，D0）H=F2（Q，G0，D0）J=F3（Q，G0，D0）上述三个函数就是所谓的河相关系。（一）纵剖面河相关系长江荆江段：,.,（二）横向河相1、宽深比(平滩水位下）2、关注不同流量下过水断面尺度,谢鉴衡方法,.,3、考虑来水来沙情况的河相关系式,4、量纲形式的河相关系式Q为造床流量,Q多年平均流量，m历年最低水位与多年平均立位之间河岸边坡系数，其值越大，坡角越小。,.,5、最小活动性假说,窦国仁认为在给定来水来沙条件及河床边界条件下，河床在溃淤变化过程中力求建立活动性最小的断面形态。用Kn表示河床活动性指标。,流量的相对变幅，Qf为保证率等于2%的多年平均洪水流量，Qm为多年平均流量。,水流对河床的相对作用力，U断面平均流速，Ucb为床面泥沙的止动流速。,断面宽深比,=河岸稳定系数/河底稳定定系数,.,第四节水利枢纽对河道演变的影响,一、水利枢纽对上游河道的影响（一）改变河道原有自然形态1、常年库区-自大坝上游至水库最低水位回水曲线端点之间较长的河段。淤积问题。,上段畅流期长，除汛期淤积较大外，其它时间与天然河流基本相同。下段处于壅水状态，一般为单向淤积，消落期的冲刷历时短；中段河床演变情况介于上、下段之间。,2、变动回水区-水库设计正常高水位回水未端至历年消落最低水位回水未端之间的河段。,.,二、水利枢纽对下游河道的影响,（一）来水来沙条件的主要变化1、来水条件洪峰减小；中水持续时间延长枯水流量增大年内和年际流量变幅减小；2、来沙条件下泄沙量减少，下游河道含沙量显著降低，泥沙组成变细；水库运行情况不同水沙关系也不同。,.,（二）对下游河道河床演变和港航工程影响,1、河床下切，水位下降,.,56,河型成因分析中的极值条件假说,确定河型，实际上是泥沙输运计算的反问题，也就是已知流量和输沙量，求解河宽、水深和河道水力破降。需要引入附加的假定，可采用能量极值原理（虚功原理）作为补充条件。很多学者引入极值条件假说（extremalhypothesis）对均衡输沙河道进行定量计算,.,57,极值假说有两种，W.R.White等人提出的最大输沙效率假说（sedimenttransportmaximization），以河道比降为常数，令河道宽度和输沙率可变。和张海燕提出的单位河长水流功率最小假说（streampowerminimization），以输沙率为常数，令河道宽度和比降可变。两者是等价的。即河流自我调整总是倾向于用给定的能量消耗输运最多的泥沙。现有理论都还不能确切地阐述河型成因的物理本质，有待进一步研究,.,58,河流功率（streampower）特指比降为J的单位河流上的水流功率，也就是流量为Q的恒定水流经过单位河道长度后发生的势能变化。有时也采用单位河床面积上的水流功率，即。,.,59,为什么差别大？,.,60,天然河流，河流功率相同的情况下河宽、水深和流速不一定相同，输沙能力不一定相同。即使河宽相同，动床阻力的可变性，水深流速仍可能不同，使得输沙能力出现较大区别。,.,61,单位河长最小水流功率假说,张海燕提出的，该假说认为，当一个河段达到均衡状态时，水流和泥沙的运动应严格满足如下三个条件：1.输沙率沿程相等。（冲淤平衡）2.在满足约束的条件下单位河长内的水流功率最小（最小的J）3.在满足约束的条件下水流功率损耗（或能坡）沿程均匀分布。（具有均匀的能坡）,.,河床粗化永定河官厅水库下游卵石夹沙河段的粗化,.,2、河道侧向展宽，,3、水位暴涨暴落，影响船舶航行4、受电站影响，枯水期延长,（但也有断面变窄深的情况，丹江吕水库黄家港至襄阳段以变窄深为主，而襄阳至宜城为展宽型）,.,案例：闽江水口坝下河演,水口枢纽位于闽江下游，是一座以发电为主，兼有防洪、航运功能大型水利水电工程。枢纽建成后坝下河床持续下切，造成船闸及升船机门槛水深大幅下跌，在设计流量308m3/s下，船闸门槛水深下跌了3.22m，门槛露出水面0.22m，严重影响航运正常运行；其次坝下水位大幅度下跌，,.,坝下水位变化过程：308m3/s时，相应坝下历年水位见图,.,坝下水位下降原因分析电站建设初期坝下水位下跌主要原因是，从电站下游高淮濑等高滩地取河卵石等骨料350万m3以上，用于电站建设，导致这期间电站下游水位迅速下跌了1.02m。电站大坝截流后，蓄水拦沙，清水下泄，电站日调节影响坝下不均匀下泄流峰谷变化，水口坝下河床为易冲的沙质河床，必然产生冲刷下切，导致水位持续下跌。坝下河段近几年大规模无序采沙活动，加剧了坝下水位持续下跌的幅度。,.,河床演变分析方法天然河道实测资料分析法运用泥沙运动力学和河床演变学的基本原理，模拟分析法对比分析法。,第五节河床演变分析,.,一、河床冲淤等值图,.,.,平面叠合图,.,.,横断面图,沿程冲淤变化图,.,四、来水来沙条件分析,.,.,五、河床边界条件分析,.,六、水流泥沙运动特性分析,.,1、床沙2、悬移质3、滩顶高程4、滩段平均高程,3S技术在河床演变分析中的应用,传统船测法,信息覆盖范围大，能大范围观测和监测水域研究对象的情况,3S技术,获取资料周期短，成本低，更新快，能反映研究水域观测对象的动态变化,GIS与RS结合使遥感技术的潜力得到进一步的发挥，在GIS支持下，可实现对各种空间问题的专题分析。,加深对海湾泥沙运动规律认识，指导港口建设选址，预测航道冲淤情况,了解浅滩河段的演变情况，为经济的获得水下地形资料和历史资料的插补提供一种新的方法。,基于遥感图像进行岸线利用评价研究，为科学合理规划和利用岸线资源提供可靠参考。,分析悬沙分布,研究水深变化,提取岸线信息,为3S技术在类似海湾、河道研