第6章 河道演变规律

2、河床具有自动调整作用。
调整方向是从输沙不平衡向平衡的方向发展，通过改变 河宽、水深、比降、床沙组成使挟沙力与来沙相适应。
第六章 河道演变规律
§6-1 河道演变的基本原理 演变基本原理

如上所述，河流内部矛盾的发展和外部条件的变化 都可能使输沙平衡遭到破坏，从而使河床变形。同 时河床又具有向平衡状态进行自我调整的能力，使 得河床演变得以持续进行。这就是河床演变的基本 原理。
第六章 河道演变规律
§6-2 河道演变的分析方法 实测资料分析

当河段内有若干次实测大断面成果时，则可进行河 道断面的冲淤计算： 1）每个断面选择一个定常的、比较高的控制高程 作为断面冲淤计算的基准面； 2）分别计算各断面历次实测控制基准面以下的断 面面积； 3）计算各断面相邻两个测次的断面面积之差，再 根据上下相邻两个断面的间距，计算其间的冲淤量； 4）根据计算所得冲淤量，绘制沿程冲淤变化图。
2
缺点：需要长期观测，可能不易识别
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 一、均衡状态

2）、以河道内泥沙的输运过程为依据 河道形态达到均衡的根本原因是水沙输运过程达 到了动态平衡。上游来水来沙恰好不冲不淤。 麦金(Mackin)(1948)提出的定义：“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一个变量的改变都 会带来平衡的位移，其移动的方向能够吸收这种改 变所造成的影响。” 不足：仅把河道比降作为关键变量，没有考虑断 面型态（比如河宽）的调整。
第一造床流量
第二造床流量
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量
平滩水位（bankfull stage)和平滩流量(bankfull discharge) 平滩水位指淹没稳定主槽、到达新生河漫滩表面的 水位。 平滩流量指水位达到平滩水位时的流量。
第六章 河道演变规律
第六章 河道演变规律
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 一、均衡状态

1)、以河道形态随时间的变化为依据 在一定时间段内，如果流域来水来沙条件和边岸 抗冲性是稳定不变的，则河流会在自动调整自身的 空间形态，其宽度、比降和弯道形态在平均意义上 维持一个相对稳定的值。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 一、均衡状态
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量
尽管天然河流的均衡河道形态，是由随机变化 的流量过程所塑造出的，但是从理论上说，还是 可以通过在河道中恒定施放某个中等流量和相应 含沙量而塑造完全相同的均衡河道型态。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量
无论是河床的稳定系数，还是河相关系，都要 使用单一的所谓造床流量作为特征流量。 造床流量——造床作用与多年流量过程的综合作用相 当的某一种流量。 不等于最大洪水流量，（流量大，但历时短） 不等于枯水流量，（历时长，但流量小） 造床流量应该是一个较大但又并非最大的洪水流量。 工程中常常依据造床流量来设计常年河流（有时 也包括间歇河流）的断面和平面形态，如河宽、水 深、弯道形态等。为此，需要对造床流量的大小进 行定量计算。

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如果河流具有比较规则的河槽断面形状，其平滩水 位一般可以从水位-宽深比(B/H)关系曲线的最低点 (或dB/dH的最大值)判断得到，并进一步从水位-流 量曲线求出平滩流量。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量

优点：比较易于应用 缺点：没有一个普遍适用的方法来确定其准确值， 需要综合考虑造床过程和具体河段的形态特征进行 判断。不适用于没有明显中水河槽或主槽变动频繁 的河流。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量
平滩流量标志一个转折点

河道形态的演变并不是对所有的流量级都作出同样的反应， 只有当流量达到某一个特征值时才会有明显的形态变化， 而平滩流量正好用了来作为这样一个特征流量。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量
第六章 河道演变规律
§6-1 河道演变的基本原理和分析方法 演变基本概念


1、输沙不平衡是产生河床演变的根本原因；

① 动床水沙两相流的内在矛盾 外部条件恒定、整个河道输沙平衡，局部河段仍可能处 于输沙不平衡状态 沙波的存在，动床平直状态的不稳定性 输沙不平衡的绝对性，河床演变的绝对性 ② 外部条件的不恒定性 产生不平衡的原因可能有：进口水沙条件；出口侵蚀基 点（包括侵蚀基面和水流条件如潮汐）；河床周界条件 如沙波运动。
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量
为什么选择平滩流量作为造床流量？ 平滩前：水流只塑造主槽 漫滩前，水流在主槽中集中流动，流速大，挟沙力 较强。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量
平滩后：滩地也受到塑造。 漫滩后，滩面上水深小、阻力大，流速降低十分显 著，泥沙大量落淤在滩地上，其中靠近主槽的部位 淤积较厚、淤积颗粒较粗，形成沿主槽的自然堤。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 一、均衡状态
什么是冲积河道演变中的均衡状态（相对稳定状态）


（1）在数百年内（准衡时段）河道的主要几何尺寸基本不变。 （2）存在一各自动调整的负反馈机制，能够消除对平衡状态 的偏离。 （3）莱茵（Lane）的完整性图解：输沙率Qs、来沙中值粒径 D50、流量Q和河道比降J 互动调整趋向于达到如下平衡：
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 一、均衡状态

③综合稳定系数 由于河流是否稳定，既决定于河床的纵向稳定， 也决定于河床的横向稳定，很自然地会联想到将这 两个稳定系数联系在一起，构成一个综合的稳定系 数。 0.5
D Q h1 ( b1 ) ( 0.2 ) 2 hJ BJ
第六章 河道演变规律
§6-2 河道演变的分析方法 实测资料分析
第六章 河道演变规律
§6-2 河道演变的分析方法 实测资料分析

根据历年水位、流量实测资料，可绘制同流量下 的水位过程线，分析河段年际冲淤变化。
第六章 河道演变规律
§6-2 河道演变的分析方法 实测资料分析

当河道上设有多处水文站并有历年实测输沙量资 料时，可以根据输沙平衡原理，计算某时段内上 下水文站输沙量之差，据此判断该时段内河床的 冲淤变化及其冲淤量。

计算思路： 造床能力不仅与流量有关，还与输沙能力有关， 同时与该流量所经历的时间长短有关。 前者可认为与流量Q的m次方及比降J的乘积成正 比，后者可用该流量出现的频率P来表示。因此，当 QmJP的乘积为最大时，其所对应的流量的造床作用 也最大，这个流量就是所要求的造床流量。
计算过程： (1) 将历年或典型年的 流量分级； （2）确定各级流量出现 的频率； （3）绘制河段的Q~J关 系； （4）计算每级流量的 QmJP （5）绘制Q~ QmJP关系； （6）从图中查出QmJP 最大值的Q。
河流动力学
第六章 河道演变规律

河床演变的基本原理及分析方法 河相关系及其理论 蜿蜒型河道的演变规律 分汊型河道的演变规律 游荡型河道的演变规律
第六章 河道演变规律
§6-1 河道演变的基本原理 演变基本概念
一、河道演变的概念 河道演变 （fluvial processing)：自然条件及人类 活动影响下河床所发生的变化过程。 广义上:从河源到河口流经河谷的形成及发展的整 个历史过程。 狭义上：近代冲积河床的变化。 河床演变是水流、泥沙、河床相互作用的结果，以 泥沙运动作为纽带。 河床演变实质： 泥沙的冲刷、搬运、沉积。 根本原因：输沙不平衡
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量
一、均衡关系

能够自由发展的冲积平原河流的河床，在水流的长 期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应 的某种均衡的河床形态，在这种均衡状态的有关因 子（如水深、河宽、比降等）和表达来水来沙条件 （如流量、含沙量、泥沙粒径等）及河床地质条件 的特征物理量之间，常存在某种函数关系，这种函 数关系称为河相关系或均衡关系。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 一、均衡状态
上述各种均衡河流的定义中都存在一些不确定之 处。实际中应用这些定义来检验一条河流是否处于 平衡状态时还有一定困难。 由于河道形态不断在断面、平面、纵向上进行三 维的调整，来水来沙条件又逐日、逐月、逐年变化， 所以河流的均衡不可能是完善的、瞬时意义上的， 一般是只能在准衡时段内、在平均意义上实现。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 一、均衡状态

3）、以河道的输沙耗能效率为判据 对于恒定流量和恒定含沙量的情况，河道的最优 运行效率表现为在可能的范围内使输运这一来沙量 所消耗的水流机械能最小，也就是通过自我调整、 最后得到允许范围内的最小河道比降。 不足：水流的机械能的消耗并不都用于输运所挟 带的泥沙。
第六章 河道演变规律
§6-2 河道演变的分析方法 实测资料分析


1、来水来沙资料分析； 来水来沙条件是影响河床演变的主要因素。来水来沙的数 量、过程及水沙组合，直接关系到河床演变的结果。因此， 确定水、沙典型年往往是探求河床演变原因的重要途径 主要包括： 来水来沙量及其过程，来沙级配。 年内变化、多年周期性变化、典型水文年确定。
第六章 河道演变规律
§6-2 河道演变的分析方法 实测资料分析
第六章 河道演变规律
§6-2 河道演变的分析方法 实测资料分析



1、来水来沙资料分析； 来水来沙量及其过程，来沙级配。年内变化、多年周期性 变化、典型水文年确定。 2、对水道地形观测资料的整理分析 •河道平面变化；岸线变化，断面变化，主流变化；通过 收集历年河道地形及有关河道变迁资料，对地形图套绘。 •河道纵向变化及冲淤量估算：深泓线、动力轴线、河段 冲淤量 利用水道地形图可以分析河段的历史演变、近期演变、预 估其发展趋势。 3、对河床地质资料的整理分析 河床边界条件：地质资料、地貌资料等。
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量
确定造床流量，目前理论上还不够成熟，在实际工 作中，一般多采用下述方法。 （1）马卡维也夫法 （2）平滩水位法 （3）采用某一频率或重现期的流量作为造床流量 （4）有效输沙流量法
第六章 河道演变规律
§6-3 河相关系与造床流量 二、造床流量

①纵向稳定系数——河床在纵深方向的稳定性主要决定于泥沙
抗拒运幼的摩阻力与水流作用于泥沙的拖曳力的对比。这个比 值可用希尔兹数的倒数 来表达，比值越大，河床越稳定。

②横向稳定系数——横向稳定与河岸稳定密切相关。从问题的
物理实质来看，决定河岸稳定的因素主要是主流的顶冲地点及 其走向和河岸土壤的抗冲能力。
第六章 河道演变规律
§6-1 河道演变的基本原理 演变基本原理



来水量及其变化过程 来沙量、来沙组成及其变化过程； 河段出口处的侵蚀基点高程，即河段的比降； 河床周界条件，即河段所在区域的地貌条件。
第六章 河道演变规律
§6-2 河道演变的分析方法




1、实测资料分析；河演分析 2、理论分析：运用泥沙运动基本理论及河床演变 基本原理； 3、模型试验研究；河工模型或物理模型 4、类比分析； 5、数学模型计算； 6、新技术的运用；
第六章 河道演变规律
§6-1 河道演变的基本原理 演变基本原理
第六章 河道演变规律
§6-1 河道演变的基本原理 演变基本原理


流域中对河流过程中最重要的是影响因素就是气候 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。从而流域内的气候、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，侵蚀基准面（内陆湖泊水 面，海平面）也可视为是稳定的，河道形态（包括： 流量、输沙率、泥沙粒径、河谷比降、岸壁阻力等） 是因变量，它是由其它自变量决定的。