河床演变基本原理

河床演变基本原理
王浩霖 201101021530
摘要：河床演变是指自然情况下及修建整治建筑物后河床发生的冲淤变化过程。

广义上是指河流形成和发展的整个历史过程；狭义方面则仅限于近代冲积河床的演变发展。

天然河流总是处在不断发展变化过程之中。

而且天然河流的河床形态复杂，演变规律差异很大。

人类在开发利用河流的过程中，要有效地整治河流，必须充分认识河床演变的基本原理及各类河床特殊的演变规律。

本文着重讨论平原冲积河流的问题，但所阐明的基本原理对具有一定冲积层的山区河流也是适用的。

关键字：河床演变基本原理平原冲积河流河型
一、平原冲积河流的一般特性
1.河床形态
与山区河流不同，平原河流的河床形态是在特定条件下水流与河床相互作用的结果，因而具有较强的规律性。

平原河流在平面上具有顺直、弯曲、分汊、散乱等四种外形。

其横断面可概括为抛物线形、不对称三角形、马鞍形和多汊形等四类。

河漫滩和成型堆积体是河床形态中涉及的两个基本概念。

河漫滩是位于中水河槽两侧，在洪水时能被淹没的高滩。

河漫滩既有由侵蚀作用造成的，如石质河漫滩，多见于山区河流，滩面较窄，且向中水河槽一侧倾斜；更多的是由堆积作用造成的，如冲积河漫滩，多见于平原河流，滩面较宽，左右河漫滩分别向两侧倾斜，这是洪水漫滩落淤的结果。

成型堆积体是冲积河流的河底分布着各种形式的大尺度沙丘（尺度远大于沙坡）的统称。

成型堆积体的尺度，包括宽度、深度和长度，和河流的尺度（河宽和水深），是同数量级的。

成型堆积体经常处于发展变化之中，是平原河流河床演变中最活跃的因素。

2.河道水流的一般特性
2.1河道水流的基本性质
（1）河道水流的二相流特性。

天然河道的明渠流是挟带着泥沙的水流运动，本质上属于二相流。

（2）河道水流的三维性。

河道水流的过水断面一般是不规则的，因此河道水流为三维流动。

过水断面的宽深比愈小，三维性愈强烈。

（3）河道水流的不恒定性。

一方面，来水来沙情况随时空的变化；另一方面，由于河床经常处于演变之中，因此河道水流的边界也随时空变化。

（4）河道水流的非均匀性。

涉及运动的各物理量沿流程不变的水流为均匀流。

达到均匀流的条件是水流为恒定流、水流边界是与流向平行的棱柱体。

河道的来水来沙和边界是不满足这些条件的，因此河道水流一般为非均匀流。

2.2河道水流的水流结构
（1）河道水流的流型。

在水力学中将流体运动区别为紊流和层流两大类型，在紊流中又分为光滑区、粗糙区（或阻力平方区），以及介于层流和紊流、光滑区和粗糙区之间的两个过渡区。

河道水流的雷诺数一般都比较大，其流型一般居于阻力平方区。

（2）河道水流的主流与副流。

主流是水流沿着河槽总方向的流动，由河床纵比降的总趋势决定；副流是在水流内部产生的一种大规模的水流旋转运动，由纵比降以外的其他因素所促成。

河流中的横向输沙的方向主要是靠有关的环流造成的。

因此，一个河段的冲淤动态，
除了受主流的影响之外，还受环流的重要影响。

（3）环流的类型。

因产生原因的不同，环流可以分为因离心力产生的弯道环流、因柯里奥里力而产生的环流、因水流与固体周界分离而产生的环流等。

（4）河道水流的流速分布。

现阶段还难以提出符合实际的三维流速分布公式，人们通常用经验的方法研究河道水流的流速分布。

3.平原冲积河流的河型分类
将冲积河流按其平面形式及演变过程划分为四种基本类型：①顺直型或边滩平移型；②弯曲型或蜿蜒型；③分汊型或交替消长型；④散乱型或游荡型。

二、河床演变分类
1.长期变形和短期变形
按河床演变的时间特征，可以分为长期变形和短期变形两类。

2.单向变形和复归性变形
单向变形是指河道在相当长时期内只是单一地朝某一方向发展的演变现象。

河床有规律地冲淤交替现象则称为复归性变形。

3.整体变形及局部变形
从河床演变的空间特征出发，又可分为整体变形和局部变形两类。

4.纵向变形与横向变形
以河床演变形式为特征，可将河床沿纵深方向发生的变化称为纵向变形，如坝上游的沿程淤积和坝下游的沿程冲刷；将河床在与流向垂直的两侧方向发生的变化称为横向变形，如弯道的凹岸冲刷与凸岸淤积。

5.自然变形和人为干扰变形
人们为了防治洪水灾害，不断地改造治理河流，时至今日，完全不受人类活动干扰的自然演变已经不存在了，自然演变和人为演变总是交织在一起的。

三、影响河床演变的主要因素
1.影响河床演变的主要因素
（1）进口条件。

进口条件包括河段上游的来水量及其变化过程，河段上游的来沙量、来沙组成及其变化过程，以及上游河段与本河段进口的衔接方式。

（2）出口条件。

出口条件主要是出口处的侵蚀基点条件。

它可以是能控制出口水面高程的各种水面，也可以是能限制河流向纵深方向发展的抗冲击岩层的相应水面。

侵蚀基点的情况不同，河流纵剖面的形态、位置及其变化过程会出现明显的差异。

（3）河床周界条件。

河床周界条件泛指河流所在地区的地理、地质条件。

2.影响河床演变主要因素之间的关系
（1）三个因素有主有从，不能同等看待。

从河流的形成来说，来水来沙条件是最主要的，另外两个因素是从属的。

（2）三个因素相互联系，缺一不可。

三个因素不是相互独立的，而是相互联系和相互影响的，三个在一起才构成完整的边界条件。

（3）三个因素的因时变化。

随着人类活动对河流的干扰日益加剧，使河流的进口条件、出口条件、河床周界条件都受到了很大程度的影响，由此产生的对河床演变的影响同样是不可忽视的。

3.引起河床演变的根本原因
尽管河床演变的具体原因千差万别，但从根本上可归结为河道水流的输沙不平衡的结果，即河床演变是输沙不平衡的直接后果。

四、河流的自动调整作用
河流自动调整作用是指处于输沙平衡状态的河流，当外部条件改变使河流原有的输沙平
衡被打破时，河流通过河床的冲淤变化和调整使输沙趋向平衡的一种现象。

认识河流的自动调整作用有助于预测或控制河流的发展方向。

河流的自动调整作用具有平衡趋向性、调整的多样性、响应的整体性、河床变形的滞后性等重要特性。

五、河相关系
1.河相关系的基本概念
能够自由发展的平原冲积河流的河床，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，这种均衡形态的有关因子（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（在平原冲积河流中其本身的部分甚至整体往往又是来水来沙条件的函数）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。

2.造床流量
造床流量是指其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某一种流量。

它对塑造河床形态所起的作用最大。

造床流量是一个较大但又非最大的洪水流量。

确定造床流量，一般多采用马卡维也夫法、平滩水位法和保证率法三种方法。

3.河相关系
3.1早期纯经验的河相关系。

早期的河相关系基本上是经验性质的。

3.2近代半经验半理论的河相关系。

近代通常用量纲分析法、谢鉴衡方法、最小活动性假说、能耗最小假说等方法来分析河相关系。

结论：河床演变是我们在整治河流时必须要考虑到的一种现象。

了解河床演变的基本原理，掌握其变化规律，能使我们人类更好的利用河流，为人类社会的发展做出贡献。

参考文献：
①张瑞瑾.河流动力学.北京：中国工业出版社，1961.
②谢鉴衡.河床演变及整治.北京：水利电力出版社，1990.
③窦国仁.平原冲积河流及潮汐河口的河床形态.水利学报，1964，（2）：1—12.。