第七章河床演变分析及河床变形计算
河流动力学第七章
纵向输沙平衡的破坏与重建
调整的多样性 反应的整体性 河床变形的滞后性 能耗的最小性
指河流在自动调整过程中，追求输沙平衡的同时，还 追求在约束条件下能耗最小，达到某种最佳动力平衡状态。
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2014/12/22
三、河型的成因
许多河流都是在冲积平原的上部具有游荡性的河型， 而在流经一定的距离后，逐步转化为弯曲型河流，最终在 河口地区又发展形成顺直型河流。实际上是河流通过河型 的转化来使挟沙能力的沿程变化和床沙质来量的沿程变化 相适应的过程。
结果表明：输沙效率最大的河道断面，往往是宽度中等， 宽深比最优。随着流量、比降的增大和泥沙粒径的变细，最 优宽深比也会增大。
不足之处：
算法过于简化，计算大型河流时得到的宽度偏小，而且 无法直接考虑边岸的抗冲特性。
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2014/12/22
单位河长水流功率最小假说
单位河长水流功率最小假说认为，当一个河段达到均 衡状态时，水流和泥沙的运动应该严格满足以下三个条 件：
最小方差假说：
包含了两方面的内容：
（1）在弯道成因分析中的应用 如果两点之间出现的流路是一条连续曲线，最可
能出现的流路形状也能够满足方差最小的要求。
(
)2 x
x r2
min
（2）从理论上确定沿程河相关系中流量Q的指数
4
§7.3 冲积河流的河道演变
顺直型河道 蜿蜒型河道 分汊型河道 游荡型河道
其一般形态为：中水河槽具有弯曲
外形，深槽紧靠凹岸，边滩依附凸岸。
深槽与浅滩相间，弯道处为深槽， 过渡段为浅滩，中水河床左曲右弯，主流 线蜿蜒蛇行，河床高低起伏，滩槽水深相 差悬殊。
（一）蜿蜒型河段的一般形态
河流动力学第7章-河床演变
弯曲河段的演变规律
凹岸崩退，凸岸淤长
♥ 最重要演变规律：凹冲凸淤 ♥ 产生的原因：横向环流＋含沙分布
河湾发展、河线蠕动
♥ 横向发展，弯顶之间互动 ♥ 纵向也有向下游的蠕动
裁弯取直、河湾消长 图
♥ 整个河道发生变化
撇弯切滩 图
♥ 河道内主流线发生变化
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总评
♥ 河槽极不稳定 ♥ 对于港口航道工程等不利
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河流动力学
7.3.3 弯曲型河道的河床演变
主要内容
弯道的形态特征 弯道的水流特征 弯道的泥沙运动 弯曲河段的演变
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河流动力学
7.3.3 弯曲型河道的河床演变
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河流动力学
7.2.3 平原河流的河床演变
平原河流的河床演变
一般特点
♥ 河流：来水来沙⇔河床边界，长期相互作用，水流、 泥沙、河床边界基本适应
♥ 长期：河床一般无明显的单向冲淤变形 ♥ 短期：来水来沙随时间变化⇒河床变形，周期性冲
淤变化，一个时期表现为淤积，另一个时期为冲刷 ♥ 河床演变：往复性的冲淤，平面摆动
衡，这些因素难以人工控制 ♥ 后者决定着河床条件，可以进行人工改变，也是我们进
行航道整治的依据
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河流动力学
7.1 河床演变的基本概念
影响河床演变的主要因素
对于平原河流
♥ 来水来沙条件起主导作用 ♥ 来水来沙量及其过程起主导作用 ♥ 取决于流域的产水产沙条件
河床演变
(5) 张海燕提出河流系统的最小河流功假说,表达式为:γQJ = min。 由于造床流量Q 给定,即最小比降J = min ;对于稳定冲积河 流,γQJ 值与输沙率Qs 成正比,即得到最小输沙率Qs = min。 但河床演变不仅仅是调整比降,而且认为冲积河流的调整是为了 满足输沙率最小,这与冲积河流的输沙相对平衡自动调整作用原 理相矛盾。 (6) 杨志达为了将最小能耗理论推向挟沙河流,提出输送流量Q 和 总输沙率Qs 的最小单位河段总能耗率公式] :γQJ +γs QsJ = min。杨志达没有区分推移质和悬移质泥沙的输移能耗规律的 差别,他主要将上式应用于推移质输沙,由于推移质输沙的能量 来自于水流,γQJ 包含了γs QsJ ,该公式有重复计算推移质输沙 能耗之嫌。 (7) 黄万里提出最大能量消散率理论 。他是根据热力学第二定律: 孤立系统的熵总是趋向于一个最大值。他不恰当地将孤立系统 的熵理论应用于开放系统的河流
1.3河床演变的形式
按演变形态分为两种：冲淤作用导致流程方 向上河床高程的变化，称为纵向变形；河床 在断面上发生的变化，称横向变形。 按演变发展的进程分为：单向变形，指在相 当长时期内河床单一地朝某方向发展，如黄 河下游多年来河床一直不断淤积抬高；复归 性变形，指河床周期性往复发展的演变现象， 例如浅滩在枯水期冲刷，洪水期淤积，如此 周期性演变。
稳定性理论：由稳定性理论出发研究河形问 题的方法，一般都是先假定河床上有一个小 的周期性的可衰减、可增大也可稳定的扰动， 结合反映床面沙波形态的阻力公式及泥沙纵 向和横向输沙的连续方程求解得到扰动传播 的有关参数，最后根据初始扰动有关参数随 时间变化的稳定性分析或根据假定来给出相 应的河流平面形态。
河床演变
1.概念 2.研究现状 3.主要问题
河流动力学-C7河床变形计算
hi 1 单元ii 1 hi h - 1 h h h 单元ii 1 i i 1
i 1 单元i
h
hi hi 1
xe
第七章 河床变形计算
7.1 一维河床变形计算
㈢按单元流量模数分配
⑵分配公式：
五、河床冲淤分布计算
7.1.5.3
DAbj DAb
K
K
m j m j
m代表分配的 均匀程度
11.4.21(8周)四
1
第七章 河床变形计算
本章内容简介
河床变形计算和数学模型的基本概念 一维河床变形计算的基本方程和求解方法 平面二维河床变形计算概述 冲刷和淤积极限平衡状态
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第七章 河床变形计算
基本概念
㈠何为河床变形计算？
7.0
是采用数学模型对河床在自然条件下或受人类活动影响而发生的变 化进行定量预测或计算的方法。
㈡何为水沙数学模型？
是依据描述水沙运动的数学物理方程和具体初值边界条件，采用数 学上的解析解法或数值解法，求解出水沙因子时空变化的计算模式
或方法，是河床变形计算的具体手段。
㈢水沙数学模型的分类
一维：仅获取沿程断面水沙因子的平均值；
二维：可获得沿程断面水沙因子垂线平均值的横向分布(分平面、立面)； 三维：可获得沿程断面水沙因子的横向和垂向分布。
z i z i 1
Q 2 1
2 2 g Ai 1
1 2 Ai
n 2Q 2 2
1 1 2 4 / 3 2 4 / 3 Dx A R Ai Ri i 1 i 1
1 1 2 2 2 g Ai 1 Ai
Q 2
0
第七章 河床变形计算
7.1 一维河床变形计算
上海海事大学河流动力学复习资料
河流动力学第一章泥沙特性1、 等容粒径：体积与泥沙颗粒相等得球体得直径。
设某一颗泥沙体积为 V ，则等容粒径泥沙粒径可用长轴 a ，中轴b ，短轴c 得算术平均值表示 假设成椭球体，用几何平均值表示2、 粒配曲线得作法：（图1-1 P 6 ）① 通过颗粒分析（包括筛分与水析），求出沙样中各种粒径泥沙得重量② 算出小于各种粒径得泥沙总重量③ 在半对数坐标纸上，将泥沙粒径D 绘于横坐标 （对数分格）上,小于该粒径得泥沙在全部沙样 中所占重量得百分数 P 绘于纵坐标（普通分格）上,绘出得D 〜P 关系曲线即为所求得粒配曲 线、3、 粒配曲线特点曲线坡度越陡，表示沙样内颗粒组成越均匀，反之，不均匀。
4、 粒配曲线特征值1） 中值粒径：就是常用得特征值，它表示大于与小于该种粒径得泥沙重量各占沙样总重量得5 0% ,即粒配曲线得纵坐标上找出 p=50%,其对应得横坐标即为2） 平均粒径：就是沙样内各泥沙粒径组得加权平均值。
即粒配曲线得纵坐标分成若干组，并在横坐标（D ）上定出各组泥沙相应得上、下限粒径 以及各组泥沙在整个沙样中所占重量百分数，然后求出各组泥沙得平均粒径 n —为划分组数；，其中一沙样粒径分配得均方差，当为零时，沙样均匀”一般沙样不均匀，总就是大于零，因此，通常3）分选系数（非均匀系数），若=1,则沙样非常均匀，越〉1，则越不均匀。
5、 影响泥沙得孔隙率得因素① 沙粒得大小②均匀度③沙粒得形状④沉积得情况⑤沉积后受力大小 泥沙越细，孔隙率越大；泥沙越均匀，孔隙率越大；越接近球体，孔隙率越大。
6、 颗粒比表面积：颗粒表面积与其体积之比，对于球体，其表面积 颗粒比表面积间接地反映了颗粒受到得物理化学作用于重力作用得相对大小。
细颗粒沙粒得比表面积很大，所以,细颗粒表面得物理化学作用明显特别突出 动产生重要得影响。
7、 吸附层（固定层）:表面带负电荷得细颗粒泥沙在含有电解质得水中，由于静电引力作用，吸 引水中反号电荷（带正电荷）得离子，这种被牢固吸附在紧邻颗粒表面周围得反离子层。
第七章 桥墩和桥台冲刷总结
7.1 泥沙运动
五、含沙量和携沙能力 含沙量(g)是单位体积内水流中所含悬移质的质量，单位是kg/m3。 在一定的水力条件和边界条件下，单位体积的水流，能够挟带泥沙的最 大数量(质量)，包括悬移质和推移质的全部泥沙数量，称为水流的挟沙能力 。对于颗粒很细的平原区河流，悬栘质占绝大部分，挟沙能力可近似地用最 大含沙量来表示。
桥涵水文
7.2 河床演变和河相关系
立轴副流
形成于桥台前缘、丁坝头部或河槽宽度突变处；水流在此扰流，产生边 界层分离，在分离点靠近边界一侧形成高速旋转的立轴漩涡，漩涡不停地向 下游传播和扩展，形成下游的回流区。 其结果使分离点床面形成冲刷坑，下游回流区产生淤积。
平轴副流
形成与急流与缓流衔接处，水面产生面滚，水底产生底滚。 多发生在小桥涵出口处，底滚造成垂裙冲刷，引起小桥涵的水毁。
凹岸超高：
桥涵水文
7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变
河流断面形态的变化。 纵向变形
横向变形 河床演变是水流与泥沙长期 相互作用的结果，并通过泥沙运 动来实现；
桥涵水文
7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变 河道输沙不平衡是河床演变的根本原因。当上游来沙量大于本河段的水 流挟沙力时，水流没有能力把上游来沙全部带走，产生淤积，河床升高。当 上游来沙量小于本河段的水流的挟沙力时，便产生冲刷，河床下降。在一定 条件下，河床发生淤积时，淤积速度逐渐减少，直至淤积停止，河床发生冲 刷时，冲刷速度逐渐减低，直至冲刷停止。 河流横断面输沙不平衡，引起河床横向变形。河湾水流受重力和离心 力共同作用，形成螺旋流水流在弯顶及其下游集中沿凹岸流动，凹岸一侧侠 沙能力大，冲刷严重；螺旋流的底流把凹岸泥沙带到下游的凸岸，沉积下来 ，形成河湾凹岸后退、凸岸增长、河湾发展的现象。
河流演变学资料
（4）平原河流中悬移质以沙、粉沙、粘土为主。悬沙中床 沙质与床面泥沙不断交换且多呈饱和状态。较细颗粒的冲泻 质所占比重大；推移质多为中、细沙，以沙波形式运动。河 流输沙以悬移质为主。
（5）演变表现为往复性冲淤以及平面上的摆动。
弯曲河道的河床演变：
➢⑵非耦合：假定在同一时段内水流与泥沙相互不影响，水流方程中 无泥沙因子，实际上水流与河床随时在相互影响，只是在短时段内 影响不大而已。
水流连续方程： Q A 0 x t
水流运动方程： z U 2 U 2 1 U
x C 2 R 2g x g t
泥沙连续方程： G B Z0 0
x
t
xe
??auquugxrurunuugzz?????????????????222212234222341212212221??2212342341212222121112112112iiiiiiiiiiaagqxraraqnaagqzz???????????????????????????????该方程属于隐函数
xe
㈥输沙率的计算
➢⑴公式的选用：最好根据实测资料对比选用，系数、指数等可率定；
➢⑵全沙与非全沙：山区河流可仅考虑推移质G=Bgb 平原河流常仅考虑悬移质中的床沙质G=Bgs 或G=QS 特殊情况可考虑全沙G=B(gs＋gb)
➢⑶进口断面输沙率 ：最好有实测资料，若无可用挟沙力代替。
㈦泥沙的组成
➢⑴需要动沙和床沙的组成：主要指初始时刻； ➢⑵可分为汛期和非汛期两种粒配情况： ➢⑶可用表层床沙代替推移质 ：
㈡流量的分级
➢⑴按等时段划分。方便但难以反映流量的突涨突落。 ➢⑵按流量变幅情况划分。变幅小时段长，变幅大时段短；较符合实际. ➢⑶按等变幅流量划分。方法简单，便于计算机操作，较符合实际.
桥涵水文-第七章-桥墩桥台冲刷计算
2021/6/17
长安大学
桥涵水文
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7.1 泥沙运动
六、河床粗化
在冲刷河段内，床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走，上游来沙中的粗颗粒 泥沙慢慢沉下来，这样，河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺砌的 现象，称为河床床面的粗化。水库下游、桥梁上下游等冲刷河段的床面都有 床面粗化现象。
2021/6/17
起动流速就是床面泥沙颗粒在各种外力作用下，失去平衡，泥沙开始运 动时的水流垂线平均流速（m/s）。
张瑞瑾 v0d h0.142d90.00001d 00 0 .70h26 0.50(57-12)
沙玉清
v00.4d30.75 1.10.7d 40.5h0.2
2021/6/17
长安大学
(7-13)
桥涵水文
顺轴副流
通过弯道的水流在重力和离心力的共同作用下，面流流向凹岸，底流流 向凸岸，形成向前流动的螺旋流。河湾螺旋流的旋转轴方向与主流流向一致 ，称为顺轴副流。
螺旋流在横断面上的投影，称为断面横向环流，使凹岸冲刷，凸岸淤积 ；凹岸冲刷在弯道出口断面附近冲刷最深。
hsm ax1.48(R Bc)0.24(B h)0.17(d h)0.05h•Cm
河道输沙不平衡包括纵向输沙不平衡和横向输沙不平衡，分别影响 河道纵断面和横断面的演变形态。
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长安大学
桥涵水文
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7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变
纵向变形 横向变形
河流纵向输沙不平衡引起河床沿水流方向高程的 变化，亦即河流纵断面的变化称为纵向变形；
河流横向输沙不平衡导致河湾发展，河槽拓宽、 分汊、改道、裁弯等河床平面形状的变化，称为
长安大学
桥涵水文
第七章 河床演变-2-13精编版
辫状
陡坡辫 状 分汊
缓坡辫状
同 期 展 游荡 宽 顺直微曲 分汊
游荡
江心洲
摆动
河 形 演变 稳定性 型 态 特征
特 征
边界特征
实例
游散 游 荡乱 荡
多 汊
极
两 岸 物 质 组 黄河下游，永定河下
不
成较细，
游，钱塘江河口段；
稳
缺乏抗冲性
南亚布拉马普特拉
定
(Brahmaputra) 河；
美国鲁普 (Loup) 河
纵剖面陡峻
侵蚀下切
横断面“V”“U”字形
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 10~100米）
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）。
变量类型
地质（岩性、地层 结构） 古气候 古水文
河谷坡度、宽度和 深度 气候
植被种类、密度 平均流量
平均来沙率 河道形态
实际流量、沙量 水流的水力学特性
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。
第七章 河床演变-2-13
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
侵蚀下切
横断面“V”“U”字形
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。
（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Q~t，并将其分成若干等级； （2）确定各级流量出现的频率P （3）绘Q~J关系，确定各级流量 相应的比降； （4）计算Q2 JP （5）绘Q~Q2 JP曲线。
二、河床稳定性
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）。
所考虑的时段长度 变量类型 地质（岩性、地层 结构） 古气候 古水文 河谷坡度、宽度和 深度 气候 植被种类、密度 平均流量 平均来沙率 河道形态 实际流量、沙量 水流的水力学特性
第二节河床演变的基本类型及特性
一、河型的划分
研究工作者或 单位 利 奥 波 德 （Leopold） 莱 恩 （ Lane ） 和张海燕 库德拉耶夫 （ KyДpaeB ） 罗 辛 斯 基 （ K.И.PocИ HCKИЙ） 武汉水利学院 方宗岱 河型分类
弯曲
弯曲 弯曲 自由弯 曲 弯曲 蜿蜒 弯曲 非自由弯 曲
称定时段 量级：数天
自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 因变量 因变量
河床演变
3.1主要问题
理论
目前国内外对河床演变中的诸如河床自动调整机理、河相 关系、不同河型的成因等重要问题，并无完全一致的定论，许 多方面尚在争议之中 。 河型转化过程在时间和空间上的非线性特性。时间上；河 型转化过程中因水沙条件变化过程的统计涨落而可能出现的突 变现象 。空间上；局部河势的发展趋势有可能完全不同于整体 河段的河型转化趋势 对边界条件的限定和对河流系统的判定（开放系统还是封闭 系统）。 变量 径流过程、水力比降、含沙量、泥沙粒径等主要控制变量 引发的河型转化既可能是渐变、也可能是突变。
稳定性理论：由稳定性理论出发研究河形问 题的方法，一般都是先假定河床上有一个小 的周期性的可衰减、可增大也可稳定的扰动， 结合反映床面沙波形态的阻力公式及泥沙纵 向和横向输沙的连续方程求解得到扰动传播 的有关参数，最后根据初始扰动有关参数随 时间变化的稳定性分析或根据假定来给出相 应的河流平面形态。
1.5河型分类
国外：Leopold 和Wolman的顺直、弯曲、辨 状3 种。 Leopold 和Wolman的分类法偏重于平 面形态的描述, 没有明确区分不同类型河流 的演变特性 国内：顺直型，弯曲型，游荡型，分汊型
2.1河型转化机理及判别指标
关于河型的成因及转化有不同的出发点， 也有不同的成果，大致有如下几类：从河道 边界组成出发；从河道形态出发；从地壳运 动出发；从水动力学出发；从能量耗散出发； 从来水来沙条件出发。
河床演变
1.概念定义
河床演变是指河流在自然条件下，受两 岸的土质、植被影响，或受人工建筑物的影 响时所发生的变化，是水流与河床相互作用 的结果，水流作用于河床，使河床发生变化， 河床的变化又反过来影响水流结构。水流与 河床构成一个矛盾的统一体，他们互依互存、 相互影响、相互制约。不同类型河流的河床 演变规律各不相同。
(完整版)河道演变规律
这主要是由气候因素，特别是降水因素在数量及地区分布上 的不稳定性造成的，由此产生的水沙量的因时变化比较显著
其它因素，如地形、土壤、植被等也存在一些缓慢的变化， 对进口水沙条件的变化也有一定的影响
出口条件
如果着眼点是前面提到的侵蚀基面，其变化是很缓慢的；
如果着眼点是水流条件的变化，如干支流的相互顶托，潮汐 破对洪水波的影响等，仍可能产生很大的变化
河道纵向演变及冲淤量估算
河段历年实测的深泓线(或河床平均高程线)绘制在 同一幅图上，通过分析对照，即可看出该河段沿 深泓线(或沿几何轴线)的纵向冲淤变化
点绘水位~流量关系图，可以间接判断河床的冲淤 情况，并据此分析河段冲淤发展趋势
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，用于分析河段年际冲淤变化
河流动力学
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ床周界条件
通常是比较稳定的，但当局界发生急剧变形 之后，如周界的形态和地质组成出现急变， 也可能激发新的输沙不平衡
河流动力学
河床演变的分析方法
河流动力学
分类
按时间特征：长期变形和短期变形； 按空间特征：大范围变形和局部变形； 按形式特征：纵深向变形和横宽向变形； 按方向性特征：单向变形(单向冲刷或淤积)
值得注意的是，水沙两相流动床的平直状态是不稳定的， 施加一个小的扰动波之后就会转变成为波动状态，并在相 当大的范围内，有能力将这种波动状态保持下去，这是由 水沙两相流的内在矛盾决定的，它反映了输沙不平衡的绝 对性，从而也反映了河床演变的绝对性
河流动力学
使河流经常处于输沙不平衡状态的另一重要原因 是，河流的进出口条件经常处于发展变化过程之 中
河道演变规律
河床演变的基本原理
博导第7讲分汊型河道的演变规律
二、汊道分沙 习惯上用分沙比表示
m
Qm S m Qm S m QS Qm S m Qn S n
S Ks m Sn
m
m m
1 m
Ks
三、汊道演变 一般共同性演变： 平面的移动； 汊内的纵向冲淤； 洲头洲尾的冲淤； 最为显著的是主支汊的易位。 平面的位移主要取 决于河岸的抗冲能力。表 现为横向的移动，有时还 有向下游的移动。
顺直分汊
弓形分汊
弯曲分汊
复杂分汊
4、有收缩节点控制，纵向输沙基本平衡， 水 流稳定、变幅小
第四节
1、分汊型河段的固定 2、分汊型河段的改善
汊道整治
3、堵汊工程（塞支强干）
江心洲/滩演变 洲头的淤长与冲退主要取决于分流区河岸的 展宽与否。 河岸展宽导致洲头淤长；稳定导致冲刷 洲尾的冲淤主要取决于主支汊汇流角大小。 主支汊交角过大，洲尾发生冲刷；较小促使 洲尾淤积
汊道的纵向冲淤 汛期淤积； 枯季冲刷； 总冲淤幅度不大 注意：
主、支汊易位是汊道演变最显著的特点。
上节回顾
蜿 蜒 型 河 道 演 变 规 律 河段特性 演变规律 形成条件 裁弯工程
Hale Waihona Puke 自然河流的河床演变及整治问题
第7章 分汊型河段的演变及整治
(Bifurcated Reach/Braided reach)
第一节 河段的特性 第二节 演变规律 第三节 形成条件
第四节 汊道整治工程
N. Platte: sand-bed
Feshie: gravel-bed
Yellow River: fine-sand bed
长江中下游分汊型河段最多，从城陵矶 至江阴1150km河段内，分汊河段41处，总长 788.9km，占区间总河长68.6%。
河床表面分形特征及其分形维数计算方法
河床表面分形特征及其分形维数计算方法周银军;陈立;刘欣桐;许文盛【摘要】将分形原理、地理信息(GIS)技术与河床演变理论相结合,以河道水下地形图为基础,首先通过编程自动提取高程数据,利用GIS软件建立河床表面数字高程模型,然后以此来计算河床表面的分形维数,并对投影覆盖法进行了改进.最后对比了各河段不同时期的床面分维数,初步探讨了其物理意义.研究表明,该方法用来计算复杂表面的分维数高效准确,为计算河床表面分形维数提供了一个新的途径.同时河床表面分维数具有时空变异性,能定量反映床面的冲淤起伏程度,与河床演变中的河势和河型都有内在关系.这在河床演变及河流动力学具有一定的应用价值.【期刊名称】《华东师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2009(000)003【总页数】9页(P170-178)【关键词】河床表面;分形;GIS;河床演变【作者】周银军;陈立;刘欣桐;许文盛【作者单位】武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉,430072;武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉,430072;武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉,430072;武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉,430072【正文语种】中文【中图分类】基础科学第 3 期2 ㈨9 年 5 月华东师范大学学报（自然科学版） Journalof EastChinaNormalUniversity(NaturalScience) No.3May2()(J9文章编号：1()00-5641(2009)03-()17()-09河床表面分形特征及其分形维数计算方法*周银军，陈立，刘欣桐，许文盛 (武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 43(J()72)摘要：将分形原理、地理信息 ( GIS) 技术与河床演变理论相结合，以河道水下地形图为基础，首先通过编程自动提取高程数据，利用 GIS 软件建立河床表面数字高程模型，然后以此来计算河床表面的分形维数，并对投影覆盖法进行了改进．最后对比了各河段不同时期的床面分维数，初步探讨了其物理意义．研究表明，该方法用来计算复杂表面的分维数高效准确，为计算河床表面分形维数提供了一个新的途径．同时河床表面分维数具有时空变异性，能定量反映床面的冲淤起伏程度，与河床演变中的河势和河型都有内在关系．这在河床演变及河流动力学具有一定的应用价值，关键词：河床表面；分形；GIS; 河床演变中图分类号：TV148;P208文献标识码： A Study on fractalpropertiesofariverbedandthecalculation method ofits fractaldimension ZHOU Yin-jun, CHEN Li,LIUXin~tong,XU Wen-sheng (StateKeyLabo f WaterResourcesandHydropowerEngineering.Science. WuhanUniversity, Wuh Li n43l)L)72 ,China) Abstract: In this paper,in caseof fractal propertiesof riverbedandthecalculationmethodof fractal dimension,thefractal principle,technologyof GeographyInformationSystem(GIS)andtheoryof riverbedevolutionwerecombined.Firstly,theattitudedatawasautomaticextrac tedfrom theunderwatergeographicalmapbytheprogramming,andtheGISsoftwarewasusedtobuildtheriverbedsurfaceDEM.ThentheProjection CoveringMethodwasimprovedtocalcu-late fractal dimensionof the bedsurfacewiththe DEM.Atlast,the physicsconceptionwasdis-cussed by thecomparison-a'mongthefractal dimensionsof eachreachin different periods.This researchshowthat this calculatedmethodis effectiveandaccurate,andsuppliesanewwayto收稿日期：2008-11基金项目：国家科技支撑计划项目(20 【 )6BAB05803-()5) ；国家自然科学基金(10672125) 第一作者：周银军，男，博士研究生，主要从事水力学及河流动力学研究工作．E-mail:zhouyinjunl11 4@.通讯作者：陈立，男，教授，博士生导师，主要从事环境与工程泥沙和治河防洪方面的研究 E-mail:chenliwuhee@.” 2008 年河口海岸科学全国博士生学术论坛资助第3期 2㈨9年5月华东师范大学学报（自然科学版） Journalof EastChinaNormalUniversity(NaturalScience) No.3 May 2()(J9陈立，刘欣桐，许文盛摘要：将分形原理、地理信息 ( GIS) 技术与河床演变理论相结合，以河道水下地形图为基础，首先通过编程自动提取高程数据，利用 GIS 软件建立河床表面数字高程模型，然后以此来计算河床表面的分形维数，并对投影覆盖法进行了改进．最后对比了各河段不同时期的床面分维数，初步探讨了其物理意义．研究表明，该方法用来计算复杂表面的分维数高效准确，为计算河床表面分形维数提供了一个新的途径．同时河床表面分维数具有时空变异性，能定量反映床面的冲淤起伏程度，与河床演变中的河势和河型都有内在关系．这在河床演变及河流动力学具有一定的应用价值，分形； GIS;河床演变中图分类号： TV148;P208 fractalpropertiesofariverbedandthecalculation ofits fractaldimension Li, LIU Xin~tong, XU (StateKeyLabo fWaterResourcesandHydropowerEngineering.Science. Wuhan University, Wuh Li n 43l)L)72 ,China) In this paper,in caseof fractal propertiesof riverbedandthecalculationmethodof fractal dimension,thefractal principle,technologyof GeographyInformationSystem(GIS)and theoryof riverbedevolutionwerecombined.Firstly,theattitudedatawasautomaticextrac ted from theunderwatergeographicalmapbytheprogramming,andtheGISsoftwarewas usedto buildtheriverbedsurfaceDEM.ThentheProjection CoveringMethodwasimprovedtocalcu- late fractal dimensionof the bedsurfacewiththe DEM.Atlast,the physicsconceptionwasdis- cussed thecomparison-a'mongthefractal dimensionsof eachreachin different periods.This researchshowthat this calculatedmethodis effectiveandaccurate,andsuppliesanewwayto基金项目：国家科技支撑计划项目(20 【 )6BAB05803-()5) ；国家自然科学基金 (10672125)第一作者：周银军，男，博士研究生，主要从事水力学及河流动力学研究工作． E-mail:zhouyinjunl11 4@.”2008年河口海岸科学全国博士生学术论坛资助第 3 期周银军，等：河床表面分形特征及其分形维数计算方法 171 calculatefractal dimensionof bedsurface.Meanwhile,thebedsurfacefractal dimensionvaries with the timeandspace.It canbe usedtodescribethe undulatingdegreeof bedscouringandsed-imentationquantitatively,andthefractal dimensioniscorrelationwithriverregimeandpattern.This methodandconclusionarevaluabletoriver evolutionandriver mechanics. Keywords:riverbedsurface; fractal; GIS;riverevolution分形学是非线性科学的一支，起源于地貌学，目前已广泛应用于地貌学、测绘科学、材料学和统计学等学科中．分形学认为在大自然中分形是一种普遍的现象‘ 1]，河流的几何形态亦为其中的一例．河床几何形态具有自相似性和其他分形特征，描述这些特性的分数维反映其自相似的程度，可以方便地描述其河流曲折程度和河床表面形态的复杂性，其分维数与河床演变中的河相关系、河型以及河流综合阻力都有关系乜]因此对河床表面分形特征的研究具有重要的理论意义．目前已有不少关于河流几何形态分形特征的研究，但主要集中在分维数介于 1 ～ 2 之间的指标中，如 RobertAc3]和金德生等瞳3 先后对河流深泓纵剖面的分维数进行了研究，后者还发现河流纵剖面分维和能量有关；冯平等H3对河流长度（弯曲程度一河型）进行了研究，认为河流的河长、河网结构等形态特征具有明显的分形性；崔灵周等‘ 53 对流域地貌形态的分形特征进行了研究；而针对水系分维的研究最多，如张宏才等_1 先后在水系的分维特征、计算方法和物理意义上得出了一定成果．对河床平面形态的研究成果相对较少． Nikora 等‘ 71 研究了地貌齐性河段 (MHRS) 平面形态（河流中心线）的分形结构，从现存地形图上测量计算了位于 Moldavia 内 46 个河段的分形维数，得到河床形态分维数与河道宽度及河谷宽度的关系，结果表明分维数可以作为描述河道平面形态内部结构的一个新的有效参数．汪富泉等¨1从理论角度认为分维数可作为河床起伏和沙波运动的一种量度，但并未进行计算，河床表面分形特征研究较少的原因，主要是两方面的困难：一是表面分维（即分维数介于2 ～3 之间）的计算比一维问题要复杂，数据计算量很大，甚至无法用人工方法完成‘ 5：；另一方面是利用计算机来计算地貌形态的分形维数往往需要一定精度的数字高程模型 (DEM)而测绘部门往往提供的是 DWG 格式的水下地形图，将其转为 DEM 的传统方法（人工读点并输入计算机）耗时耗力，并难以保证精度．为此，本文以实测河段水下地形图（ DWG 格式）为基础，通过编程自动提取高程数据，然后利用 GIS 软件建立河床表面 DEM ，采用改进的投影覆盖法来对河道 DEM 进行分形分析，计算出河床表面的分形维数，并通过其时空变化规律，对其所蕴涵的河流动力学意义进行了探讨． 1河床表面 DEM的建立目前，各流域管理单位多使用 AutoCAD 软件作为基础图形的管理平台，其数据集成功能也在 AutoCAD上经二次开发完成，为此，必须把标注的值按照特殊的赋值方法与对应的高程点坐标一一对应．这里通常需要把 DWG 格式的图在 AutoCAD 中另存为 DXF 格式，然后可以用 VB 编写程序提取DXF 文件中高程层各点的 z ，y ，z 值[町格式保存为 txt 格式即可．如果测绘部门提供的 DWG 图中高程数据是相对数据，即水下为水深值，将该 txt 文件中所有点的 Z 值全部加上本次测量基面（一般为当地设计水位或航行基准面）的高程值即转化为绝对高程值．图 1 即为从 AutoCAD 文件中提取坐标点及绝对高程并转化为河道周银军，等：河床表面分形特征及其分形维数计算方法 calculatefractal dimensionofbedsurface.Meanwhile,thebedsurfacefractal dimensionvaries the timeandspace.It canbe usedtodescribethe undulatingdegreeof bedscouringandsed- imentationquantitatively,andthefractal dimensioniscorrelationwithriverregimeandpattern. This and conclusionarevaluabletoriver evolutionandriver mechanics. Key words: riverbedsurface; river evolution为其中的一例．河床几何形态具有自相似性和其他分形特征，描述这些特性的分数维反映其自相似的程度，可以方便地描述其河流曲折程度和河床表面形态的复杂性，其分维数与河床演变中的河相关系、河型以及河流综合阻力都有关系乜]目前已有不少关于河流几何形态分形特征的研究，但主要集中在分维数介于 1 ～ 2 之间的指标中，如RobertAc3]和金德生等瞳3 先后对河流深泓纵剖面的分维数进行了研究，后者还发现河流纵剖面分维和能量有关；冯平等H3对河流长度（弯曲程度为河流的河长、河网结构等形态特征具有明显的分形性；崔灵周等‘ 53 对流域地貌形态的分形特征进行了研究；而针对水系分维的研究最多，如张宏才等_1 先后在水系的分维特征、计算方法和物理意义上得出了一定成果．对河床平面形态的研究成果相对较少． Nikora 等‘ 71 研究了地貌齐性河段 (MHRS) 平面形态（河流中心线）的分形结构，从现存地形图上测量计算了位于 Moldavia 内 46 个河段的分形维数，得到河床形态分维数与河道宽度及河谷宽度的关系，结果表明分维数可以作为描述河道平面形态内部结构的一个新的有效参数．汪富泉等¨1从理论角度认为分维数可作为河床起伏和沙波运动的一种量度，但并未进行计算，河床表面分形特征研究较少的原因，主要是两方面的困难：一是表面分维（即分维数介于2～3之间）的计算比一维问题要复杂，数据计算量很大，甚至无法用人工方法完成‘ 5：；另DWG格式）为基础，通过编程自动提取高程数据，然后利用 GIS 软件建立河床表面 DEM ，的建立即可．如果测绘部门提供的 DWG 图中高程数据是相对数据，即水下为水深值，将该txt 文件中所有点的 Z 值全部加上本次测量基面（一般为当地设计水位或航行基准面）的高程值即转化为绝对高程值．图 1 即为从 AutoCAD 文件中提取坐标点及绝对高程并转化为河道1 72华东师范大学学报（自然科学版） DEM 的主要流程．水下地形图(DWG)(XiV#)相“∥二）绝对坐标文件栅格文件(GRD) 边界外区域 l I_-I … 白化处理『图 1DWG 格式水下地形图转化为河道 DEM 流程 Fig.1Processof transformationfromunderwatertopographicmaptochannelDEM经过前期数据处理后，就可以绘制数字高程模型图了，具体步骤如下．步骤一，把数据文件导人 GIS 软件．选择适当的插值方法（为保留原始数据，一般选用Kriging法）生成 grd 文件，网格密度应不大于 DWG 格式水下地形图的高程点间距，本文取为2(Jm × 20m.步骤二，将河道边界白化．在一般 GIS 软件中默认的插值区域为数据文件中离散点坐标丁， y 的最小值和最大值所围成的矩形，经过插值生成的图形边界为矩形，但在实际情况下，河道边界可能是不规则的，或者需要显示某些特定区域的形态（如潜洲）等，这时就用到 GIS 的白化 (GridBlank) 功能，选取“ 网格 I 白化”命令，将在步骤一中生成的 grd 文件按照边界文件白化即可，生成白化后新的 grd 文件．步骤三，绘制三维数字高程模型图，打开“3D 表面图” (3Dsurface) 命令，选择白化后的 grd 文件，再点“ OK ” ，一副精致的三维数字高程模型图就建立了．如图 2 即为利用本文方法建立的长江宜都河段 DEM.图 2 长江宜都河段三维数字高程图 Fig.2TheDEMof Yidureach 2 曲面分维数的计算建立了河床表面 DEM 后，即可以此为基础进行分形维数的计算．对于复杂表面的分形维数计算，近年来已经取得了很多有意义的成果，但大部分都集中在粗糙表面上剖线形貌的 DEM的主要流程．水下地形图 (DWG) (XiV#)栅格文件 (GRD)边界外区域 l I_-I…白化处理图1DWG格式水下地形图转化为河道 DEM 流程 Fig.1 Process of transformationfromunderwatertopographicmaptochannelDEM为2(Jm×20 m.步骤二，将河道边界白化．在一般 GIS 软件中默认的插值区域为数据文件中离散点坐标丁y的最小值和最大值所围成的矩形，经过插值生成的图形边界为矩形，但在实际情况下河道边界可能是不规则的，或者需要显示某些特定区域的形态（如潜洲）等，这时就用到 GIS白化 (Grid Blank) 功能，选取“网格I白化”命令，将在步骤一中生成的 grd 文件按照边界文件白化即可，生成白“3D表面图(3D surface) 命令，选择白化后的OK一副精致的三维数字高程模型图就建立了．如图 2 即为利用本文方法长江宜都河段三维数字高程图 Fig.2 The of Yidureach曲面分维数的计算建立了河床表面 DEM 后，即可以此为基础进行分形维数的计算．对于复杂表面的分形维数计算，近年来已经取得了很多有意义的成果，但大部分都集中在粗糙表面上剖线形貌的 173分形描述上，长期以来没有一种非常准确、方便、规范的测定方法． MandelbrotclJ 也提出以剖线的维数（周长一面积法）加 1 近似表示整个复杂表面的分维数，但这仅仅适用于各向同性的表面，而对于自然中的河流则肯定是不准确的，为了解决这一问题，很多学者提出对复杂表面进行直接分析测量¨”。
河床演变
第六节河床演变一、河床演变的基本知识(一)河床形态变化的类型河床的几何形状，称为河床形态。
河床形态变化，称为河床演变，它是河床泥沙运动的结果，可有两种类型：1．纵向变形河床沿水流方向的高程变化，称为河床的纵向变形，它是河流纵向输沙不平衡造成的结果。
河源与上游的河床下切、下游河床的淤高，均属此类，其变化幅度随岩石性质而异，细沙河床的变化幅度可能很大。
它对于桥梁工程设计的影响不可忽视。
2．横向变形河湾发展、河槽扩宽、塌岸、分汊、改道等河床平面形态的变化，统称为横向变形。
河湾的发展与弯段水流离心力有关，它可使凹岸不断受到冲刷，凸岸不断出现淤积，产生横向比降，可导致河流截弯取直或河流改道。
(二)河床演变的影响因素河床演变的影响因素有很多，主要因素有：1．流域的产沙条件流域的产沙量及泥沙组成等对河床演变有很大的影响。
例如，黄河及华北地区一些河流，河水含沙量很大，因此下游河道淤积十分严重。
2．流量变化流量越大，水流的挟沙量就越多。
流量变化越大，泥沙运动和河床的变形就越剧烈。
设河水的含沙量为ρ，流量为Q，输沙率为Q s，则有Q s=ρQ （8-17）3．河床土质土质坚实的河床变形缓慢，土质松软的河床易受冲刷。
4．水流比降河床比降大，流速大，冲刷力强，河床受冲刷厉害。
反之则易于淤积。
5．副流作用水流中由于纵、横比降及边界条件的影响，其内部形成一种规模较大的旋转水流，如图8-12所示，称为副流。
它从属于主流而存在，是河床冲淤的直接原因。
229厚桥涵图8-121-冲刷坑；2-回水区；3-路堤；4-主流6．人类活动如兴修水利工程，建造堤坝、桥、涵等活动，都会对河床演变产生重大影响。
二、建桥后对河床演变的影响建造桥梁后导致的河床演变属人类活动影响因素之一，它只是发生在桥位上、下游不远的范围内。
主要为：(一)平原弯曲型河段（属于次稳定河段）在这类河段上建桥，其孔径一般都大于或等于河槽宽度，建桥对河床的影响小。
但是，当桥位通过水深较大的河湾时，因河床自身的天然演变，有可能形成河湾逼近桥台、桥头引道或导流堤，危及桥台基础。
河床演变与整治重点
河床演变:在不恒定的进出口条件及复杂可动边界的水沙二相流运动的一种体现形式.整治:用工程的手段达到兴利除害.防洪,农田水利,水力发电,给水和排水,航运及水产养殖等山区河流河床形态：断面形态：U 或V字形(下切)，谷坡为阶梯状.阶地是河流下切的产物.平面形态：河道曲折多变,沿程宽窄相间,比降大,急滩深潭上下交替,二岸与河心常有巨石突出,岸线和床面极不规则.河流走向由地质构造运动决定.水流及泥沙运动:1河流流态:水面比降大，.流态紊乱险恶,常有回流,旋涡,水跌,水跃,急弯,剪刀水,横流.洪水暴涨暴落2洪枯流量相差大3悬移质含沙量视地区而异4河道的推移质多为卵石及粗沙5河床多由原生基岩、乱石和卵石组成河床演变:1山区河流比降大流速大含沙量不饱和,利于河床向冲刷方向发展2部分河段暂时性淤积和冲刷1卵石运动引起的演变(汛期淤积增大,枯季冲刷,年内基本平衡)2悬移质运动引起(1一般为冲泻质2宽谷段由主流摆动出现的回流淤积3宽谷段由下游峡谷壅水引起的淤积)3溪口滩形式出现的(1大的山区河流,当二岸溪沟发生洪水或泥石流时,常在溪口堆积成溪口滩2冲积物量大粒粗,不易被主流带走,表现为冲冲淤淤)4地震山崩滑坡引起(大规模地地震山崩滑坡引起河道堵塞,引起上下游出现壅水和跌水,剧烈改变水流和河床形态)平原河流概述:河床形态：平面上具有,顺直,分汊,弯曲,散乱四种.横断面分抛物线形,不对称三角形,马鞍形,多汊形.平原河流的纵剖面无明显折点，深槽浅滩交替，河床纵剖面有起伏的波状曲线，平均纵比降比较平缓。
水流及泥沙运动:平原河流集水面积大，汇流时间长,洪水没有陡涨陡落的现象,持续时间较长河床的演变:规律是汛期淤积壮大,枯季冲刷萎缩顺直型：中水河槽顺直，边滩呈犬牙交错状分布，并在洪水区向下游平移。
弯曲型：中水河槽具有弯曲外形，深槽紧靠凹岸，边滩依附凹岸，凹岸蚀退，凸岸淤长，河身在无约束条件下向下游蜿蜒蛇形，在有有约束条件下平面形态基本保持不变，前者通称自由弯道，后者通称约束弯道。
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河床演变分析及 河床变形计算
目的引：言对河床变形作出定性、定量的预测。
河床变形预测方法：
⑴河床演变分析
根据历史实际观测资料对河道历史演变过程进行分析，再根据现在的 河床边界条件，定性预测河道以后的发展趋势。
⑵河床变形计算
根据水流泥沙运动的基本理论和河床演变的基本原理，建立数学模型， 依据一定的初始和边界条件，定量求解河道的冲淤变化过程。
x
t
泥沙连续方程的推导见图7-16
㈡有限差分计算方法
有限差分方法：将计算河段化分为若干短河段，并假定每个短河段
为恒定水流。 Q A 0 Q AVH x t
V V H
t V x g x g J 0 J f
1 V 2 (z Z0 )
2g x
x
J0 J f
1 2g
V 2 x
Fig7-10
7～9月： 冲刷
11～4： 淤积
图7-10 黄河秦厂站1954年流量、含沙量过程线
Fig7-11
Fig7-12
图7-12 水流泥沙特性因素空间变化比较图
Fig7-13
Fig7-14
Tab7-1
Fig7-15
Fig7-16
单位时间的入沙量：G
单位时间的出沙量：G G dx x
三、河床细部变形计算。。
四、河床变形极限平衡计算
㈠极限平衡状态分类
•淤积平衡状态 •冲刷平衡状态
㈡极限状态估算
1、目的：算出极限平衡状态下的J、B、H、V等水流要素
2、淤积平衡状态计算
Q BHV
V S
B
1 H 2/3J n
S* K
1/ 2
V3
gH
m
B H V J
2、套绘历年水流动力轴线图
•可分析出水流最大动量所在位置 •水流动力轴线通过的位置多为深槽 •水流动力轴线贴岸，则河岸易冲刷
㈥河床演变的综合分析。。
二、河床变形计算
㈠基本方程
水流连续方程： Q A 0 x t
水流运动方程：
V t
V V x
g H x
g
J Jf
泥沙连续方程： G B Z0 0
Fig7-6
•都天庙凹冲凸淤，且速度均快 •和畅洲头冲尾淤，江心洲不断下移，但头冲快而尾淤慢 •主流线不断左移引起凹岸冲刷，下移引起和畅洲头崩坍后退
Fig7-7
•断面呈“V”型 •凹冲凸淤，河床向右岸摆动 •深泓向右移动了300多米
Fig7-8
Fig7-9
1955年：丰水枯沙年 1964年：中水中沙年 1958年：枯水丰沙年
⑶河工模型试验
利用水流泥沙运动的相似理论和原理，制作实体(物理)模型来模拟原 型的边界及动力条件，从而预测河道的发展。
一、河床演变分析
㈠河床演变分析的基本原则
1、以河床演变的基本理论为指导 2、以主要影响因素为主线 3、以天然河道的实测资料为基础
㈡河床冲淤变形分析
1、历史演变分析
•目的：了解目前河床演变处于何种阶段及演变的位置、规模和速度 •方法：套绘地形、河势、航道等图(Fig7-1)
J
J f
V 2n2 H 4/3
J
Q2n2 B 2 H 10 / 3
1 2gΔ
x
Q2 B22 H
2 2
Q2
B12
H
2 1
G x
B Z0
t
0 ΔZ0
G2 G1 Δ t
BΔ x
㈢变形计算中的若干问题
1、计算年的选择 2、流量的分级及时段的划分 3、河段及典型断面的划分 4、糙率的确定 5、输沙率的计算 6、泥沙颗粒组成的确定 7、床沙粗细化的影响 8、冲淤方式的假定
㈡河床冲淤变形分析
2、近期演变分析
⑴纵向变形分析
①套绘历年深泓线剖面图(Fig7-3) ②根据历年横断面图计算冲淤量(Fig7-4) ③根据水文站输沙量资料计算冲淤量 ④绘制枯水水位历年变化图(Fig7-5) ⑤绘制历年流量～水位关系图
⑵平面变形分析
①套绘平面地形图(Fig7-6) ②套绘横断面图(Fig7-7)
1、地质资料分析
•河床由松散细沙造成时，易冲，演变剧烈，河床不稳定 •河床由粘土、卵石、基岩组成时，则较稳定
2、地貌资料分析
•分析阶地、突咀、卡口、堤防特殊地貌等对河床演变的影响
㈤水沙特性分析
1、绘制水力泥沙因子的沿程变化图
•主要有水深、河宽、比降、流速、含沙量、挟沙力(Fig7-12) 7-13
Байду номын сангаас ㈢来水来沙条件分析
1、确定水文年类型
•目的：水文系列较长，逐一分析费时费力，可选代表性年份分析 •方法：统计径流量、输沙量特征值；多年平均径流量、输沙量 •类型：丰水丰沙、中水枯沙、枯水枯沙…… (Fig7-9)
2、来水来沙条件的多年周期性变化特性
•来水来沙的多年周期性变化一般会引起河床演变的多年周期性变化 •洪水大的年份冲刷较多，但接着的中、枯水年份淤积较多，力求平衡 •实例：长江1954年为特大洪水而含沙量又特别小的年份，造成中下游顺直
单位时间进出沙量差：－ G dx x
单位时间因河床冲淤变化引起的泥沙变化量： Z0
t
二者应相等 Bdx
Fig7-17
流 量
Fig7-18
Fig7-24
Fig7-25
Fig7-26
? ? ? ?
H
注意：
•造床流量 •平衡时的糙率值 •宽深比系数ξ •K、M的确定 •S只含床沙质 •沉速取床沙平距沉速
㈡极限状态估算
3、冲刷平衡状态计算
⑴冲刷终止状态
• 冲刷终止于比降调平 • 冲刷终止于抗冲铺盖层
⑵计算方法
• 冲刷终止于比降调平时： • 冲刷终止于抗冲铺盖层时：
Fig7-1
微弯河段普遍冲刷，分汊河段普遍淤积，而后1955～1961连续7年枯水年， 河床又恢复原来的准平衡。
3、来水来沙条件的年内周期性变化特性
•来水来沙的年内周期性变化一般会引起河床演变的年内周期性变化 •正常浅滩的洪淤枯冲和弯曲河段的洪水走直枯水挫弯为典型例子 •实例(Fig7-10)
㈣河床边界条件分析
1795年：顺直河道 1868年：出现4个小沙洲 1927年：多洲合一成嘉
鱼洲 1959年：扩大成新堤洲
Fig7-3
除4#断面在1971年有少量淤积外，其余河段均为单向冲刷
Fig7-4
7～8断面间淤积，其余全部冲刷，且冲刷还不均匀
Fig7-5
1920～1938：枯水水位不断升高，说明河床不断淤积 1954年后：枯水水位不断降低，说明河床不断冲刷 1946～1954：枯水位交替，说明淤积冲刷交替进行