第十章-河流泥沙及河川过程

第十章河流泥沙和河床演变、环境水文、概述、泥沙量是流域管理和水资源管理的重要信息，过量泥沙量将影响水质、水生动物、农林和环境非典型肺炎源污染、河流、水库和其他基础设施。泥沙输移和沉积涉及复杂的河床演变过程及其动力学，人们对许多过程缺乏了解。第1节河流沉积物，1。河流泥沙来源、流域侵蚀降雨引起的地表径流、流域冲刷和河岸冲刷；2.河流沉积物的特征、几何特征：形状、粒度及其组成重力特征：堆积密度和密度(干和湿)沉积特征：水中沉积的状态和速度；3.河流沉积物的分类和表达；1.根据沉积物的粒度，1994年，水利部发布了河流泥沙颗粒分析规程，规定河流沉积物应根据下表进行分类。根据泥沙的运动，可分为静态的：推移质泥沙运动、推移质泥沙运动、悬移质泥沙运动和河流泥沙运动。1.沉积物浓度：河水中沉积物的含量，单位为千克/立方米。2.输沙率：指单位时间内通过某一断面的泥沙总量。单位为千克/秒或吨/秒3。泥沙输移：指在一定时间内通过某一水域的泥沙总量。单位是t或一万t. 4。侵蚀模数：指流域面积每平方公里每年侵蚀并输入河流的泥沙重量，单位为t/(km2a)。4.河流泥沙运动。1.沉积物的水力特性。河流泥沙运动不仅与水力条件和水流结构有关，还与泥沙特性有关。沉积物特性包括沉积物的粒度、形状、堆积密度和水力特性。当下沉速度达到一定的极限值，阻力和重力完全相等时，泥沙以匀速下沉，泥沙的运动速度称为泥沙的沉降速度(，cm/s)。沉积速度可以表示沉积物直径的大小，因此沉积速度也称为沉积物的水力粗糙度。影响因素包括泥沙粒径D、泥沙容重rs、水流紊动强度等。泥沙沉降率的基本公式如下：s和分别是泥沙和水的密度；g是重力加速度；CD是阻力系数，它与流型有关。推移质运动(1)单泥沙推移质运动的起始条件：在分析河道冲刷特性时，首先必须弄清泥沙的起始条件。据观察，当大颗粒的淤泥或砾石开始时，它们通常会单独滑动或滚动。起动时，颗粒较细的泥沙经常滚动或跳跃成块。起始速度：沉积物最初是静止在河床上的。如果靠近河底的流速增加到一定值，作用在泥沙颗粒上的力开始失去平衡，泥沙开始起动。此时的临界速度称为起始速度(Vc)。泥沙的起动标志着河床冲刷的开始，即起动流速是未经冲刷的河床的最大流速，也称为允许流速。停止速度：沉积物停止的临界速度称为沉积物停止速度。泥沙起动速度一般是停止速度的1.2-1.4倍。提升速度：当速度增加到一定程度时，泥沙将不会返回河床，而是漂浮在水中，并随水流向下运动。此时的水流速度称为提升速度，这是泥沙从运动到悬浮运动的一个参数。推移质运动(2)群沙运动当河床推移质运动达到一定规模时，河床表面逐渐形成波浪状水下沙波，其形态与风成沙丘相似，称为沙波运动。沙波运动是推移质运动的主要形式，也是河床地形的基本单位。推移质运动(3)推移质输沙率天然河流的推移质输沙量用推移质输沙率表示。推移质输沙率是指单位时间内通过单一宽度渠道的推移质输沙量，单位为千克/毫秒或立方米/毫秒悬浮物运动(1)悬浮物的分布和变化含沙量沿垂线分布悬浮物含沙量沿断面分布悬浮物含沙量沿河流纵向变化含沙量随时间变化(3)悬浮物运动(2)水流挟沙能力单位水量饱和含沙量称为水流挟沙能力。当上游来水的实际含沙量超过该河段水流的挟沙能力时，河道将会淤积，反之会发生冲刷，两者处于输沙平衡状态。这在河道冲淤计算中是必要的。悬移质运动(3)河流的总输沙量应为推移质和悬移质的总和。由于推移质输沙量测量困难，没有完善的计算方法，推移质输沙量在输沙总量中所占的比例很小，经常被忽略。因此，在计算平原河流的冲刷和淤积时，除了特定的河流断面，如山河槽或水库大坝上游，采用悬浮泥沙输移代替总泥沙输移。高含沙河流的大规模泥沙运动在汛期往往具有特殊的高含沙输沙量。通常，当沉积物浓度超过500千克/立方米时，沉积物的悬浮液不再是分散的单颗粒悬浮液，而是絮凝结构，即，它被转化为流动的均质浆液，并进行质量运动。高含沙水流的群体泥沙运动主要表现为：运动方式、悬浮运动、推移运动、浆流现象和河底裸露现象。总之，高浓度水泥在水流特性、运动和泥沙输移特性方面与普通水流有着本质的不同。高含沙水流的研究在我国河流治理中具有特殊的意义，我国河流含沙量居世界之首。2002年7月10日，黄河小北干流山西段(山西段和陕西段)的大笑嘴和大笑嘴之间出现了百年不遇的“揭河底”奇观。河底的沉积物像地毯一样被水流卷起。5。河流总输沙量，1。用长期数据估算多年平均年悬浮泥沙输移量(1)，5。河流总输沙量，1。多年平均年悬浮泥沙输移量估算(2)数据不足，5。河流总输沙量，1。多年平均年悬浮泥沙输移量的估算(3)缺少数据，5。河流总输沙量，2。年平均推移质输沙量估算系数法：考虑到推移质输沙量与悬移质输沙量有一定的比例关系，在一定的区域和河流水文地理条件下相当稳定，可采用系数法计算：5。河流总输沙量；3.河流输沙总量估算某一断面的年平均输沙量等于年平均悬移质输沙量和年平均推移质输沙量之和。然而，它常常被忽略，因为(1)很难测量推移质输沙量，也没有完善的计算方法，(2)推移质输沙量占总输沙量的比例很小(特别是在平原河流中)。河流泥沙的主要来源是流域表面的侵蚀和河床的冲刷，泥沙量与流域的气候、植被、土壤和地形因素有关。因此，影响河流输沙量的还有三个因素：气候因素：降水、气温、风的下垫面因素：地形、植被和土壤人类活动：下垫面的变化、第一段的完成、第二段的河床演变、任何河流的河床演变，任何河流的河床形态都在不断变化，除了一些河流断面明显变形，一些河流断面缓慢变形或暂时趋于相对稳定。河床形态的这种变化被称为河床演变。河床演变是相互作用的结果结果表明，河床平面位置因河岸冲淤而摆动。河流的横向变化是由横向输沙不平衡引起的。水平输沙不平衡主要是由环流引起的。最常见的是弯曲河段的横向环流。此外，当水流绕过河道(沙滩)中的各种障碍物时，也会形成环流。单向变形是指河床长期向一个方向缓慢冲刷或淤积，而不发生冲淤交替。4.往复变形是指河道周期性往复发展的演化现象。例如，洪水期和干旱期的侵蚀和沉积交替进行。(2)河床演变的基本原因和影响因素，(1)河段来水及其变化改变水力条件，影响水流挟沙能力。(2)河床演变的基本原因和影响因素，(2)产沙量、泥沙组成及其在河段的变化。如果泥沙成分较粗，就会发生河床淤积；如果来沙量少，泥沙成分细，河床将被冲刷。3.河段的水面坡度影响水流的挟沙能力。水面坡度小，可减少河床侵蚀或淤积。如果水面坡度增加，将会减少淤积或发生冲刷。2.河床演变的基本原因及影响因素。河床地质条件不同的河床地质条件具有不同的抗冲刷能力。松散土质河床容易冲刷变形，而坚硬岩石河床不易冲刷变形。此外，水土保持工程和水利工程的建设也会影响河床的冲淤变形。(3)平原河流河床演变。在水平环流和垂直主流的作用下，河流实际上是以螺旋形流动的。影响平原的河流根据其不同的平面形状和演变特征，可分为四类河段。3.平原河流的河床演变。1.直段和微弯段的河床相对直或微弯，河岸的流动性小于河床。大部分都位于狭窄而笔直的河谷。在沙波运动过程中，由于河岸的阻挡，形成了沙嘴。沙嘴处的泥沙沉积形成了边缘海滩。边缘海滩限制了水流，导致另一边的河流冲刷形成深槽。河床呈现出锯齿状边缘海滩和深槽的形状。3.平原河流的河床演变。1.直(微弯)河段的演变表现为纵向变形和横向变形。3.平原河流的河床演变。弯曲河段的河床蜿蜒曲折，河岸的流动性大于河床。因此，两岸都有河湾。当沙波运动使河床出现锯齿状的边缘海滩时，由于河床流动性大，河床流动性小，河岸冲刷发展迅速，边缘海滩减缓，河床将继续弯曲形成河湾。水流入河湾后，水面产生水平梯度，形成水平循环。(3)平原河流的河床演变，(2)在横向环流的作用下，凹岸不断被冲走，凸岸不断被淤积，使河湾变得更加弯曲，逐渐发展成一个河套。(3)平原河流的河床演变，(3)游荡性河段当河岸和河底的流动性较大时(河床地质成分的流动性)，河床演变将导致游荡性河段的形成。(1)特点：水流湍急，河道宽浅，沙滩多，支流交错，河床变化快，主流游荡。(2)形成条件：河床沉积。决定河段游荡性的水力和泥沙条件是河床坡度较大，构成河床的物质颗粒为较细的泥沙，因此河床和河床流动性较高。(3)形状：漫游范围通常在平面上又宽又窄。窄河段沙滩小，水流集中，水流摆动幅度小。应用：游荡性河段稳定性极差，非常不利江心洲：河流中心有一个沉积物堆积体，只有在洪水期间才被淹没。江心洲把河道分成几个支流，称为支流。(2)形成原因：泥沙淤积是河道松弛和流速降低造成的。洪水期间，水流切割侧滩或沙嘴形成心滩，并逐渐发展到江心洲，形成水流支流。由于环流，沉积物的堆积也可以形成一个中心海滩，发展成一个江心洲。树枝经常处于缓慢的发生、发展和衰退过程中。下荆江的历史变迁。河床稳定度的估算。1.纵向稳定度主要与河床颗粒组成、水面坡度和河流水深有关。纵向稳定系数F的经验公式为：黄河F=0.18 0.21，长江F=0.27 0.33越小，泥沙运动(相对细颗粒)越强，河床越不稳定。4.河床稳定性的估算。横向稳定的横向不稳定系数经验公式：B对河床演变影响最大的泄洪对应的水面宽度(m)；b-旱季水面宽度(m)。E值越大，旱季裸露的沙滩越宽，洪水越容易冲刷河岸。4.河床稳定性的估算。3.河湾的稳定性由经验公式反映。较稳定的河湾应为：稳定河湾的长度L与直线段宽度B的关系L=(1.2 1.5) B 稳定河湾的曲线半径R与河湾的横截面积F的关系。5.河流开发与土壤侵蚀。自然降水径流汇集成溪流，并汇入河流暴露的地下水。天然河流分为源头、上游、中游、下游和河口。河流的侵蚀从源头到河口逐渐减少。河流侵蚀是土壤侵蚀的一部分，是流域土壤侵蚀的延续。这条河分为三段：上段、中段和下段，但这一段不是绝对的。一些部门侧重于地貌特征(河道的垂直落差比、侵蚀和沉积规律等)。)，其他则侧重于水文特征(流速、流速等)。)，其他人则考虑综合因素。上游部分侵蚀强烈。斜率大，流量大，流量小。河道是基岩或砾石。河谷狭窄，有许多瀑布和急流，主要是侵蚀。中游冲淤不严重。坡度和流速减小，流量增加，河道多为粗砂。下游段冲淤不严重。梯度和速度较小，流量较大。河道多为细纱和泥沙，有许多浅滩和沙洲，容易发生洪水。水流、河道、侵蚀和泥沙的相互作用，水流塑造了河道，河道制约着水流，相互制约，是因果关系。河流具有自动调节的功能。流速、流量、含沙量和挟沙力相互作用形成了河道。通道的形状变化具有一定的惯性，这与通道的材料耐腐蚀性和抗冲击性有关。河谷横断面结构，1。河床，2。洪水平原，3。山谷斜坡，4。阶地、枯水期河床地貌类型、环流图、中央银行形成图、表层流底流、表层流底流主流、曲流和支流，曲流又称为曲流河，曲流和蛇一样蜿蜒曲折。河湾凹岸有深槽，凸岸有边滩，上下深槽过渡段有浅槽。2.分汊河当河床中有一个心滩或一个心洲时，河床水流分叉成两条或多条河道，这就是分汊河床，称为分汊河。洪泛区是一个平坦的底部，高于中等水位，可以被洪水淹没。一般来说，它是河床长期横向运动和河流周期性洪水的产物。一个典型的河漫滩，具有发育良好的形态特征，分为三个部分：河漫滩、河漫滩、河漫滩、河漫滩、河漫滩基座阶地：基底暴露在阶地之下，上部由河流沉积物组成。这表明河流已经穿过了早期的冲积层到达了基岩。T2河漫滩一级阶地T1、一级和二级堆积阶地T3、三级覆盖基台T4、四级基台1。现代洪泛平原沉积物2。新黄土3。古老的黄土。网状红土5。冲积砾石层6。斜坡沉积物7。基岩、水体环流和河道侵蚀、水体环流和河道侵蚀对水体的作用力、a对水体的作用力，重力w=rqh (kg。m/s)w-河流完成的工作