河流动力学作业四

《河流动力学》课程报告专题四：河床的演变

1 概述

河床演变是指河床在自然条件下或受人工建筑物影响而发生的变化。这种变化是水流、泥沙与河床相互作用的反映。河流存在两个反馈系统：水流挟带泥沙，泥沙的存在又影响水流结构；水流作用于河床，使河床发生变化，河床形态反过来又影响流速分布。它们相互依存、相互影响又相互制约。水流与河床的相互作用是通过河流中泥沙的冲刷、搬运和堆积而实现的，泥沙在其中起着纽带作用。当流速增加，组成河床的泥沙遭到冲刷，使河床降低或拓宽；当流速减小，水中挟带的泥沙沉积于河床上，使河床抬高或束窄，河床就会发生相应的变化。这部分主要是介绍河流概况以及河床演变的基本原理，具体介绍山区河流、冲击河流的演变，还有河流自动调节作用于河相关系等。

2 河床演变的基本概念

2.1 河床演变特征

河床演变的特征表现在两个方面：

（1）一定的河床形态和河床组成，必然有一定的与之相适应的水流结构和水流条件。当水流动力条件不变时，河床将保持水流条件的状态，河床形态相对稳定；当流体动力条件发生较小变化，但基本与河床形态适应，则床面结构有所改变，但总体形态并不发生变化；当流体动力条件发生大的变幻，原有稳定河床结构发生变化，且河床形态从一种类型辩位另一种类型。

（2）一定的河床形态与河床组成，必然有一定的与之相适应的输沙率。水流与河床的相互作用是通过泥沙交换来进行的；河床组成变化是通过泥沙输移将水流中的泥沙与河床的泥沙相互交换来实现，如果泥沙交换不平衡，必然产生河床各种类型的变形。

2.2 河床变形分类

（1）从演变表现形式上可分为纵向变形和横向变形。纵向变形是指河道中沿流程所发生的变形，即河床纵剖面的冲淤变化，如河床的下切、抬高等；横向变形也称平面变形，即河床沿着与水流垂直的水平方向发生变形，如河湾的发展、汊道的兴衰等。

（2）从河道演变的发展过程来说，可分为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；复归性变形是指河道周期性往复发展的演变现象。

2.3 河床演变的基本原理

河床演变是以泥沙运动为纽带，冲刷和淤积导致比降和断面形态、大小的调整。河床演变的根本原因可以归结为输沙的不平衡。

由于河床和水流的自动调整作用，河道由于输沙不平衡引起的变形，在一定的条件下，往往朝着使变形停止的方向发展。不过这种自动调整作用导致的平衡状态只是暂时相对的。来水来沙条件改变，必然引起输沙平衡的破坏，出现新的输沙不平衡，从而促使河床发生新的变形。另一方面，即使上游来水来沙条件不变，河床上的沙波运动仍然存在，河床仍然处于经常不断的变形过程中。

因此，河道中的泥沙运动总是处于输沙不平衡的状态。所谓输沙平衡只是相对较长时间内的平均情况而言，因而只具有相对意义。

2.4 影响河床演变的主要因素

（1）河段的来水量及其变化过程

（2）河段的来沙量、来沙组成及其变化过程

（3）河段的河谷比降

（4）河段的河床形态及地质情况

这四个因素具体反映了水流与河床这对矛盾的有关方面，前三个因素决定着水流条件（挟沙水流），是反映输沙不平衡的基本要素。第四个因素决定着河床条件。对于冲击平原河道来说，前两个因素起主导作用；对于山区河流来说，后两个因素常起主导作用。

3 山区河流的河床演变

山区河流是指流经地势陡峻、丘陵山区、崇山峻岭的河流。较大河流的上游多为山区河流。

3.1 山区河流水流特征

山区河流所流经地区，坡面陡峻，径流模数很大，汇流时间较短，平时流量小，一遇暴雨，瞬间即洪流汹涌。具有三个特点：洪峰暴涨猛落；流量与水位变幅很大；中水历时不长。

3.2 山区河流的形态特征

（1）山区河流的纵剖面通常比较陡峻，变化急剧，存在一些列这点，形态极不规则，急滩与深潭上下交错，且常出现台阶形。

（2）山区河流发育过程中，通常以下切为主，因此河谷横断面多呈V字形或U字形。河谷坡面多呈直线形，在陡峻的地形限制下，河床切割很深，河槽狭窄。中水河床与洪水河床之间无明显分界线。

（3）山区河流一般多处于徐缓冲蚀下切，加上河道摆动不大，故两岸常存在阶地，表现为多级平台与之相连的斜坡。

3.3 山区河流的泥沙运动

组成山区河流河床的泥沙多为卵石、块石和基岩，水流挟带的多为细沙、粉沙和粘土。研究山区河流的河床演变，就是研究卵石的冲刷、搬运和沉积过程。

（1）卵石的运动具有明显间歇性和随机性。运动与停留的时间和流速大小及床面的粗糙情况有关。

（2）山区河流卵石输移运动基本规律：卵石运动在山区河流任何时候都存在。洪水期，流速普遍较大，卵石大量往下游输移；枯水期峡谷和深槽输移强度弱，某些河段甚至完全停止输移，而峡谷的进出口上下游邻近河段以及过渡段上，则进入比较持续、稳定的输移阶段。

3.4 山区河流河床演变特性

（1）由于峡谷地区和山区河流常具有宽窄相间的外形，峡谷的进口，洪水期的壅水作用，会引起悬移质在上游宽阔段内的大量落淤。

（2）由于两岸受山崖阶地的钳制，河床蠕动只能顺着河谷方向平移。弯道下移后原位于弯顶的深槽往往在后面留下一条狭长的尾汊；河流进入谷坡和阶地的悬崖峭壁以后，在岸坡前面掏出深槽，这样的深槽有吸引水流的作用，让水流长期在这里坐弯。

（3）山区分汊河流的江心洲和心滩位置比较固定，常以两汊居多，平原地区中下游河段经常可见多股分汊。

（4）山区河流河床卵石运动在时间分布上具有明显的不连续性。同时卵石的输沙率有很大的波动。由于山区河流水流湍急紊动强度大，床面卵石的排列、结构、粗化层的形成和破坏以及卵石的补给都会深刻地影响卵石运动。

（5）由于山区河流沿程有不少溪沟入汇，在沟口发育成冲积扇，其伸入干流部分成为溪口滩，既影响河床的演变又影响航运。被分割的冲积扇以及新形成冲积扇的向外伸展，常