河床演变学 河流的水力几何形态
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
《河床演变与整治》
《河床演变与整治》课程教学大纲课程编号：030163 学分：2 总学时：34大纲执笔人：匡翠萍大纲审核人：刘曙光一、课程性质与目的《河床演变与整治》是港口航道与海岸工程专业的一门重要的专业课程，它是研究自然情况下或修建整治建筑物后河流河床发生冲淤变化的过程的一门科学，根据河床冲淤变化采用科学的整治手段来调整河流的来水来沙过程，以达到防洪抗旱、疏通航道、围垦灌溉、稳定河床、蓄水发电多功能地利用河流，并兼顾水利水产等其他事业，以及环境与生态保护，以获得合理的最大经济效益，生态效益和社会效益。
因此河床演变及整治在河流的开发、利用与治理特别是港口与航道工程建设中起着重要的作用。
同时与土木工程、交通工程和环境工程等学科也有着密切的联系。
通过《河床演变及整治》的教学，使得学生了解和掌握与河床演变及整治相关的河流动力和泥沙运动方面的理论知识，了解河流治理的主要措施和手段。
二、课程基本要求《河床演变与整治》作为一门工程运用学科，要求学生具有一定的水力学（或流体力学）、河流动力学的基础知识；要求教师具有全面的流体力学和河流动力学知识，全面的河流治理知识和工程经验。
三、课程基本内容1．绪论：河流治理工程的基本性质、国内外河流治理工程的历史和现状等。
2．河床演变与整治的一般问题：（1）河流的一般特性：山区河流和平原河流的一般特性，包括河床形态、水流及泥沙运动、河床演变等。
（2）河床演变的基本原理：包括河床演变分类、影响河床演变的主要因素、河床演变的基本原理、河流的自动调整作用等。
（3）河流的水力几何形态：包括河床的稳定性、造床流量、河相关系和河流纵剖面等。
（4）整治建筑物及整治手段：包括河道整治及规划、洪水河床整治、枯水河床整治、河床整治建筑物及其材料和构件。
3．自然河流河床的演变及整治：（1）顺直型河流的演变及整治：顺直型河段特性、演变规律、形成条件及整治工程。
（2）蜿蜒型河段的演变及整治：蜿蜒型河段特性、演变规律、形成条件及整治工程。
河床演变与整治的基本理论
52
0
8000
2500
5000
7500
10000
12500
15000
流量(m3/s)
起点距（m）
2.河床演变的基本概念
造床流量
定义：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 解读：
¾ 不是洪峰流量，虽然其造床作用很大，但出现几率低 ¾ 不是枯水流量，虽然其出现几率大，但造床能力太小 ¾ 平滩水位法和马卡维耶夫方法---反应输沙与造床关系的实质
9江心滩、洲是分汊河型的标志 9曲折系数是顺直、弯曲的区分 标志 9游荡河型很宽，但是没有稳定 的江心洲滩，顺直而且宽浅
2.河床演变的基本概念
Different river pattern on alluvial plains River Beijiang River (Shaoguan-estuary) Yangtze River (Yichang-Wuhan) Xishui River (Shuijiao-estuary) Length (km) 253 644.0 56.9 Straight reaches (km) 69.5 271.0 26.9 (%) 27.5 42.1 47.3 Meandering reaches (km) 87.0 279.0 28.5 (%) 34.4 43.3 50.1 Bifurcated reaches (km) 96.5 94.0 1.5 (%) 38.1 14.6 2.6
4.不同河型河段河床演变特性
不同河型河段河床演变特性
¾形态特点 ¾水流结构 ¾泥沙输移 ¾演变规律
4.不同河型河段河床演变特性
形态特点之平面形型河段
Meandering river reach
第二三章_河床演变的基本原理
U3 m S* = k ( ) ghω
河 相 关 系 与 流 量 之 间 的 关 系
B 1Q 1
H 2Q 2
U 3Q 3
Q = BhU
取代约束方程中的变量
1 2 3 12 U= h J n
J 4Q 4
Q = BhU
U3 m S* = k ( ) ghω
4 个未知变量
谢鉴衡提出另一种表达方式
河名 长江 黄河
河段及河型 荆江，蜿蜒段 高村以上，游荡段 高村至陶城埠，过渡段
0.235～0.515 0.032～0.095 0.082～0.127
第二节
造床流量（Dominant discharge）
（1）定义 造床流量是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。 注意：
（1）河床的稳定性 （2）特征流量的大小
第一节
河床的稳定性
（1）定义 假如河段在一个长时期内输沙平衡, 并且 河床变形不大, 河床可以认为是稳定的 （2）河床稳定性与泥沙输移平衡 不平衡=不稳定 平衡≠ 稳定 平衡但是不稳定
假如河段在一个长时期内输沙平衡，但是成型 的泥沙淤积以及泥沙输移会逐渐削弱河道的相 对变化，此时，河道却是不稳定的。
)
当造床流量Q、相应含沙量S及床沙粒径d为定值，既不 因时而变，也不沿程变化，则纵剖面为一稳定的比降 沿程不变的直线，可以称之为绝对平衡纵剖面。 在现实中只存在一种准平衡纵剖面，通常其流 量沿程增大，含沙量及床沙粒径则沿程减小，因而纵 剖面的比降是沿程减小的。
（3）持续堆积纵剖面
①定义：与平衡纵剖面不同，持续堆积纵剖面是一种 处于持续堆积状态，但形态仍基本不变的纵剖面。 ②形成条件 上游来水量小，来沙量大，进入平原地区后发生严重 堆积。 河口地区水深浅，潮流弱，使得入海泥沙沉积在河口 附近，使河口三角洲不断向外延伸。 eg.黄河下游 纵剖面发展模式：由超饱和挟沙引起的自上而 下的沿程淤积与由河口延伸引起的自由而上的溯源淤 积结合起来，形成多年情况下纵剖面平行抬升的格局
chap5 河床演变
（一）弯道的形态特征
1、河弯的基本要素 凹岸、凸岸、弯曲半径、弯顶、中心角、弯距、摆幅
47
2、河弯的类型 单式河弯 复式河弯 自由河弯 深切河弯 强制河弯
48
（二）弯道的水流特征
49
1、水面横比降和超高
水面横比降
——离心加速度与重力 加速度的比值
凹岸水面超高值
河床演变：指河床在自然条件下或受人工建筑物影响而发生 的变化及其过程。
河势：是河道的平面态势，包括主流线、水边线及其所构成 的平面形态(如汊道、弯道，边滩、心滩、江心洲、河漫滩)以及 水面现象等有关形态要素的总称。
河床演变是水流、泥沙与河床相互作用的反映。
一定的河床形态和组成必然有一定的与之相适应的水
河流纵断面
沿河流中泓线的断面。Fra bibliotek中泓线：河流中沿水流方向各断面最大水深点的连线。
河流比降
中泓线上单位长度内水面或河底的落差。
——水面或河底比降。
—— 分别为第 j 河段始端和终端的水面或河底 高程。 ——第 j 河段水面或河底落差。 ——第 j 河段长度。
河流比降的特点 河流比降由于受各种因素 的影响，变化较大；在恒
顶冲点
“低水上提” “高水下挫”
58
4、弯道纵比降 弯道上段，水面纵比降凸岸大于凹岸； 弯道下段，情况则相反。
实测弯道纵比降沿程变化图
59
5、弯道纵向流速分布
实测弯道纵向流速分布沿程变化图
60
6、弯道横向流速分布
实测弯道横向流速沿水深分布图
61
7、弯道的泥沙运动
实测弯道泥沙流速冲淤实验结果
18
分汊
蜿蜒
黄河内蒙古河段河道演变及水力几何形态研究_冉立山
DOI:10.16239/ki.0468-155x.2010.04.010泥沙研究2010年8月Journal of Sediment Research第4期黄河内蒙古河段河道演变及水力几何形态研究冉立山1，2，王随继1（1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京100101；2.中国科学院研究生院，北京100049）摘要：黄河内蒙古河段的凌汛年年发生，多次引起河道决口导致洪水灾害。
为了提供有效的防洪措施，选取不同河型段中的代表性河道断面，来研究其河道演变特征及其主要影响因素，并从水力几何形态关系上剖析其内在驱动因子。
结果表明，河岸组成物质的极大不同决定了各个断面的演变特性及其所在河段的河型差别。
以基岩河岸为主的磴口河段的河道最为稳定；以泥质河岸为特征的头道拐断面所在的顺直河段次之；以泥质砂质二元河岸结构为主的三湖河口断面所在的弯曲河流段很不稳定；而以砂质河岸为主的巴彦高勒断面所在的辫状河段最不稳定。
河道的演变势必引起其水力几何形态关系的调整，在黄河内蒙古河段，随着流量的变化其水力几何形态的调整主要是通过影响水深和流速来实现的。
巴彦高勒断面是上述调整中表现最明显的断面，因此，它所在的河段也是容易决口的河段。
三湖河口所在河段的一系列凹岸的强烈冲刷引起河道大幅度摆动，从而也是河道决口的潜在河段。
黄河内蒙古河段的河流治理的侧重点应该针对巴彦高勒断面所在的辫状河段和三湖河口断面所在的弯曲河段。
对辫状河段要加强整个河段的河岸防护，对弯曲河段以工程防护手段侧重遏制其凹岸的坍塌后退。
关键词：黄河；内蒙古河段；河道演变；水力几何形态；河型中图分类号：TV147文献标识码：A文章编号：0468-155-X（2010）04-0061-07黄河内蒙古河段的河道在近几十年来出现新的变化，比如，一些河段的河床加积升高而变为悬河，部分河段曲流带的大幅摆动导致堤防坍塌，凌汛时高水位引起的洪灾现象时有发生。
第四章河床演变学
崇明东滩等高线迁移变化（1983年－2001年）
上海古海岸线图
南汇海岸的淤涨速率（以海塘为标志）
海塘
旧瀚海塘 (老护塘) 1052
钦公塘 (外瀚海塘) 1733 2.0 2.4 532 3.8 4.5
彭公塘
李公塘
人民塘
胜利塘
九五塘
修筑年代（公元） 海塘间距离 (km) 平均 最大
1884 6.7 12 151 44.0 79.5
黄河口
1、概况 •
黄河发源于青海巴颜喀拉山北侧，干流长5460km。 黄河三角洲以宁海为扇形顶点，有6000km2的扇形面积。 黄河三角洲资源非常丰富，石油储量80亿t。已建原油生 产能力3350万吨和天然气生产能力14亿m3的我国第二大 油气田－胜利油田。有发展盐田的滩涂面积12万km2，建 成年产600万吨原盐的生产能力，有天然草场8万多公顷。 • 黄河三角洲的开发已经得到国家重视。1992年山东省 把黄河三角洲开发列为全省两大跨世纪工程之一。1993年 国务院确定东营市为沿海开放城市。1995年中央农村工作 会议确定为国家的新粮仓。
现在演变特点
沙体移动 ● 落潮槽发展 ● 涨潮槽衰退 ● 拦门沙发育，河口外移 ● 河道主次更替 ● 人为控制逐步加强
●
一
1916~2009年拦门沙滩预水深
5-6m，百年来向海移动30km
南、北港分流口
崇 明 浅 滩 | | 横 沙 东 滩 | | 九 段 沙 形 势 图
6. 河口发育模式在河口治理中的意义 （1）南港北槽方案 （2）七丫口－东风沙断面建立人工节点的方案 （3）围垦明沙，稳定阴沙，减少活动沙 （4）北支缩窄或堵塞 （5）围垦重点在南岸边滩
5. 河槽加深 不同河段情况不同，拦门沙6.0m左右， 分汊河段水深10～15m，单一河槽，江面 束狭，水深较大，江阴14m、13.4m。
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。
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长江 黄河
荆江，蜿蜒型河段 高村以上，游荡型河段 高村至陶城阜，过渡性河段
0.27～0.37 0.18～0.21
0.17
2.9～4.1
0.31～0.34
0.42～0.54
2
第一节、河床稳定性
㈡、横向稳定系数
1、横向稳定系数 b1Fra bibliotek①、河岸稳定性的主要因素 ②、b1 表达式
b1
Q 0.5 BJ 0.2
9
第二节 造床流量
㈡、造床流量确定方法 2、平滩水位法
①、概念：a、平滩水位；b、平滩流量
②、用平滩水位确定造床流量原因 ③、确定平滩水位和平滩流量的方法
10
第二节 造床流量
㈡、造床流量确定方法 2、平滩水位法
③、确定平滩水位和平滩流量的方法
a、在河段内取若干个具有水位流量资料 的代表断面，取其平滩水位时的平均流量 作为造床流量。
0.67～0.77 0.09～0.17
0.17～0.21
4
第一节、河床稳定性
㈡、综合稳定系数 1、钱宁的黄河游荡性指标
①、表达式
hJ d35
0.6
B max B
0.35
B h
0.45
Qmax Qmax
Qmin Qmin
0.6
Q 0.5TQ
（3-6）
5
当游荡指标＞5，为游荡型河流； 当游荡指标＜2，为非游荡型河流； 当游荡指标＝2～5，为过渡型河流。 6
俄罗斯：保证率（出现频率）1％～6%，每年漫滩天 数为3.65～21.9d，重现期为每100～16.7d一次； 英格兰：频率约为0.6％，每年漫滩天数为2.19d， 重现期为每167d一次； 美国：重现期为1～2年。 钱宁：取重现期为1.5年的洪水作为造床流量。
15
补充内容 河床变形方程（泥沙连续方程、输沙平 衡方程）的推导
第一节、河床稳定性
㈡、综合稳定系数 2、谢鉴衡综合稳定系数
h1
b1
2
d hJ
Q 0.5 J 0.2 B
2
（3-7）
7
第二节 造床流量
㈠、造床流量的概念
1、定义 2、物理涵义 3、工程意义 4、适用性
8
第二节 造床流量
㈡、造床流量确定方法 1、计算法（马卡维也夫法）
a、基本思路 b、计算步骤 c、第一造床流量与第二造成流量的特点
第一节、河床稳定性
㈠、纵向稳定系数
1、纵向稳定系数 h
①、纵向稳定系数定义
②、表达式
h1
d hJ
（3-1）
③、纵向稳定系数
h1
d hJ
的物理意义
④、纵向稳定系数与河型的关系（见表3-1）
1
第一节、河床稳定性
㈠、纵向稳定系数
2、纵向稳定系数 h2
表3-1
h2
d J
河名
河段及河型
（3-2）
h
' h
11
③、确定平滩水位和平滩流量的方法
b、如果河流具有比较规则的断面，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 得到，然后依据水位～流量关系曲线得到平滩流量。
12
③、确定平滩水位和平滩流量的方法
这样作的原因：因为水流在主槽时，随着水位的上升， 宽深比开始不断减小，当水流漫过滩地以后，宽深比转 而迅速回升，这一转折点的高程就相对于平滩水位。
13
③、确定平滩水位和平滩流量的方法
c、从水位流量关系曲线的转折处得到平滩流量。 这样作的原因：这是因为河道断面迅速扩大，流 量随水位的增加值明显大于水流在主槽时流量随 水位的增加值。
14
第二节 造床流量
㈡、造床流量确定方法
3、造床流量的保证率法
实际测量的结果发现各条河流的平滩流量虽各有千 秋，但它们出现的机遇多数局限于一个较窄的范围。
3、解释平滩流量作为造床流量的原因。可采用哪几种
方法确定平滩水位？
4、推导河床变形（微分）方程。
17
G x
' s
B
z 0 t
0
16
思考题
1、其解释下列系数及公式中每一项所表达的物理含 义，并说明它们与河型的关系。
①
h1
d hJ
②
b1
Q 0.5 BJ 0.2
③
hJ d35
0.6
B max B
0.35
B h
0.45
Qmax Qmax
Qmin Qmin
0.6
Q 0.5TQ
2、什么是造床流量？它的物理含义如何？
③、物理含义
（3-4）
3
第一节、河床稳定性
㈡、横向稳定系数
2、横向稳定系数 b2
①、含义及表达式 ②、物理意义
b2
b B
（3-5）
3、河岸稳定系数与河型的关系
表3-2
河名
河段及河型
b1
b2
长江 黄河 黄河
荆江，蜿蜒段 高村以上，游荡段 高村至陶城埠，过渡段
0.87～1.56 0.18～0.45 0.48～0.75