河床演变的基本原理

河床演变的基本原理

第二节河床演变的基本原理

自然界的河流无时不刻都处在发展变化过程之中。在河道上修建各类工程之后，受到建筑物的干扰，河床变化将人为加剧。由于山区河流的发展演变过程十分缓慢，因此，通常所说的河流演变，一般系指近代冲积性平原河流的河床演变。

河流是水流与河床相互作用的产物。水流与河床，二者相互制约，互为因果。水流作用于河床，使河床发生变化；河床反作用于水流，影响水流的特性。由因生果，倒果为因，循环往复，变化无穷，这就是河床演变。

水流与河床之间相互作用的纽带—泥沙运动。泥沙有时因水流运动强度减弱而为河床的组成部分，有时又因水流运动强度的增强而成为水流的组成部分。换句话说，河床的淤积抬高或冲刷降低，是通过泥沙运动来达到和体现的。因此，研究河床演变的核心问题，归根结底，还是关于泥沙运动的基本规律问题。

一、河床演变分类

天然河流中，河床演变的现象是多种多样的，同时也是极其复杂的。根据河床演变的某些特征，可将冲积河流的河床演变现象分为以下几类：

（1）按河床演变的时间特征，可分为长期变形和短期变形。如由河底沙波运动引起的河床变形历时不过数小时以至数天；蛇曲状的弯曲河流，经裁直之后再度向弯曲发展，历时可能长达数十年、百年之久。

（2）按河床演变的空间特征，可分为整体变形和局部变形。整体变形一般系指大范围的变形，如黄河下游的河床抬升遍及几百km的河床；而局部变形则一般指发生在范围不大的区域内的变形，如浅滩河段的汛期淤积，丁坝坝头的局部冲刷等。

（3）按河床演变形式特征，可分为纵向变形、横向变形与平面变形。纵向变形是河床沿纵深方向发生的变形，如坝上游的沿程淤积和坝下游的沿程冲刷；横向变形是河床在与流向垂直的两侧方向发生的变形，如弯道的凹岸冲刷与凸岸淤积；平面变形是指从空中俯瞰河道发生的平面变化，如蜿蜒型河段的河弯在平面上的缓慢向下游蠕动。

（4）按河床演变的方向性特征，可分为单向变形和复归性变形。河道在较长时期内沿着某一方向发生的变化如单向冲刷或淤积称为单向变形，如修建水库后较长时期内的库区淤积以及下游河道的沿程冲刷；而河道有规律的交替变化现象则称为复归性变形，如过渡段浅滩的汛期淤积、汛后冲刷，分汊河段的主汊发展、支汊衰退的周期性变化等。

（5）按河床演变是否受人类活动干扰，可分为自然变形和受人为干扰变形。近代冲积河流的河床演变，完全不受人类活动干扰的自然变形几乎是不存在的。

二、影响河床演变的主要因素

影响河床演变的主要因素，可概括为进口条件、出口条件及河床周界条件三个方面。进口条件主要包括：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。

出口条件主要是出口处的侵蚀基点条件。通常是指控制河流出口水面高程的各种水面（如河面、湖面、海面等）。在特定的来水来沙条件下，侵蚀基点高程的不同，河流纵剖面的形态及其变化过程会有明显的差异。

河床周界条件泛指河流所在地区的地理、地质地貌条件，包括河谷比降、河谷宽度、河底河岸的土层组成等。

三、河床演变的分析方法

由于天然河流的来水来沙条件瞬息多变，河床周界条件因地而异，河床演变的形式及过程极其复杂，现阶段要进行精确的定量计算，尚有不少困难，但可借助某些手段对河床演变进行定性分析或定量估算。现阶段常用的几种分析途经如下：

（1）天然河道实测资料分析；

（2）运用泥沙运动基本规律及河床演变基本原理，对河床变形进行理论计算；

（3）运用模型试验的基本理论，通过河工模型试验，对河床演变进行预测；

（4）利用条件相似河段的资料进行类比分析。

上述几种分析方法，可以单独运用，也可以综合运用。对于一些重要河流的重要研究课题，有条件时应运用各种方法进行综合研究和论证，以求得到可靠的结论。

上面四种方法中，天然河道实测资料分析方法，是最基本、最常用的方法。这种方法主要包括以下分析内容：

河段来水来沙资料分析：来水来沙的数量、过程；水、沙典型年；水、沙特性值；流速、含沙量、泥沙粒径分布等。

水道地形资料分析：根据河道水下地形观测资料，分别从平面和纵、横剖面对比分析河段的多年变化、年内变化；计算河段的冲淤量及冲淤分布；河床演变与水力泥沙因子的关系等。

河床组成及地质资料分析：包括河床物质组成；河床地质剖面情况等。

此外，还有其它因素，如桥渡、港口码头、取水工程、护岸工程等人类活动干扰影响的分析等等。

在对上述诸多因素的分析后，再由此及彼、由表及里地进行综合分析，探明河床演变的基本规律及主要影响因素，预估河床演变的发展趋势，为制订合理可行的整治工程方案提供科学依据。

四、河床演变的基本原理

河床演变的具体原因尽管千差万别，但根本原因可归结为输沙不平衡。考察任意一条河流的某一特定区域BL(B、L分别为河宽及河长)，当进出这一特定区域的沙量Go、G

i

不等时，河床就会发生冲淤变形，写成数学表达式应为

G

i Δt― G

o

Δt =ρ,BLΔy

o

(5-1)

式中，G

o 、G

i

分别为流入及流出该区域的输沙率；Δy

o

为在Δt时段内的冲淤厚

度，正为淤，负为冲；ρ,为淤积物的干密度。

显然，如果进入这一区域的沙量大于该区域水流所能输送的沙量，河床将淤积抬高；相反，如果进入这一区域的沙量小于该区域水流所能输送的沙量时，河床将冲刷降低。这就说明，河床演变是输沙不平衡的直接后果。引起河流输沙不平衡的原因是异常复杂的，主要涉及到上游来水来沙条件、出口侵蚀基点条件以及河床周界条件等方面。