第四章河床演变学

第四章 河床演变学
李九发
2011.6.2
第一节.概述
河 床 演 变 学 的 学 科 性 质
分类
第二节. 弯曲型河流的河床演变
名词解释
注 ：钱宁书河床演变P370
道长 江 荆 江 河 段 弯 曲 型 河
条 件 ： 土 质 組 成
名词解释
水流动力轴线（主流线）――沿程各断面 最大垂线平均流速所在点的联结线。 弯曲系数――两点之间河道长度与直线距 离的比值。 曲率半径――圆周半径 河弯跨度
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
• 潮汐：为弱潮河口，平均潮差0.86～1.66m，最大超过3m。 珠江河口有许多山丘、岛屿，东北－西南排列，屏障作用 使波浪动力较弱。 • 发育了两种不同类型的河口——一种径流强、潮流弱河口 （西江、北江主干入海的河口，这里成了高层成层的盐水 楔异重流，泥沙集中堆积成拦门沙，水深最浅，西江只有 2.9m，北江3.4m。另一种径流弱，潮流较强的河口以珠 江正干和潭江的入海河口为代表，河口呈喇叭状，向内深 入、能量集中，枯季咸淡水强混合。
3. 河口束狭 2000年前河口在镇江－扬州，河宽180km；现 在河口宽90km。
4. 河槽成形 2000年前长江河口呈漏斗状，镇、扬以上正 常河流形态。镇、扬以下，水流多汊，沙州散漫。 随着沙岛并岸，江面束狭，17世纪，江阴以上河 槽成形，江阴以下多汊并存，主泓游移不定。20 世纪50年代江心沙并入北岸，徐六泾以上河段向 正常河流形态转化，徐六泾以下分汊入海。河槽 在向稳定河槽发展中，需要一个历史过程。
钱塘江河口
1、概况
• • 钱塘江流域面积49900km2，全长270km，在干浦注入杭 州湾，芦茨埠以下受潮汐影响。 分三段：芦茨埠（潮区界）至闻家堰（潮流界）83km， 不受海域影响，河床基本稳定，属近口段；闻家堰至 干浦长101km，山湖水相互作用，河床宽浅，涌潮汹涌， 江道多变，为游荡性河型，重点治理，属河口段；干 浦以下称杭州湾，湾长90km，杭州湾口宽100km，干浦 宽20km，杭州为1.0km，是一个典型的喇叭形河口。
•
• （3）. 潮强流急，涌潮汹涌，含沙量大 干浦潮差5.45m，在海宁（盐官）为最大8.93m，涌潮 流速4～5m/s，最大含沙量51kg/m3，一般3～4 kg/m3。
• （4）. 主流迁徙无常，滩涂坍涨不定，纵向变形剧烈，受 主流顶冲的滩涂被侵蚀后退，大块崩坍。一日崩坍245m 的记录，另一侧滩涂迅速淤高扩大。
切滩过程
第三节. 分汊型河流的河床演变
★
○ ○ ○ ○
分汊型河流的特点
江心洲形成条件 节点 切割边滩和沙嘴 江中基岩
★ ○
形态
顺直分汊型 微弯分汊型 鹅头分汊型 复杂型
（变曲系数1.0－1.2）
○
（变曲系数1.2－1.5）
○ ○
不 同 水 位 与 分 汊 水 流 变 化
河口水沙输运是河口河床演 变的基础,水动力是泥沙等物 质运动的驱动力，泥沙是水 动力与河床演变的纽带, 河 床演变是结果, 此结果又反 作用于水动力和泥沙运动,这 是一个开放的、非常复杂的 巨系统。
2、河口特性
• （1）. 从乍浦—闻家堰，长达130km，纵向隆起的沙 坎高出基线10m，沙坎对河口段的水流和河演产生重 要影响。 （2）. 河口段潮间带十分宽广，尖山潮间带宽15km， 海宁7km，低潮位下水深1.0～1.5m，低水河床宽深比 /h 大，仓前、海宁、尖山为29.6、37.3、44.6，与黄 河接近。滩槽物质为细粉砂，中径0.02～0.04mm，缺 乏粘土，抗冲力低，起动流速0.3～0.4m/s。
崇明东滩
横沙东滩
九段沙
2、20年来东滩地形变迁
121.90° 122.02°
0m线外伸距离： 东断面：4125m(年均206m)
31.58°
北断面：760m(年均38m)
南断面：2600m(年均130m)
31.52°
图
31.46°
例 3.5m 3.0m 2.0m 1.0m 0m
1983年 2001年 大 堤
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
弯道水流特点
水面横比降和超高 水流动力轴线在弯道中走势 弯道环流
○ ○
○
水 面 比 降
横 向 环 流
小水坐弯 ☆ 大水趋中 ☆ 顶冲点
☆
弯道环流
横 向 泥 沙 运 动
弯道地形
弯 曲 河 道 演 变
（ 平 面 图 ）
弯 曲 河 道 演 变
（ 横 剖 面 ）
长 江 中 游 荆 江 河 段 河 道 演 变 过 程
• 潮汐－受M2分潮影响，潮差神仙沟0.6m，口外1m。潮区 界15～30km，潮流界1～3km。
• 流量－利津站1950～1992年统计，年均水量379亿m3。 最大洪峰流量为10400 m3/s（1958），多年平均流量 1400 m3/s，平均年径流量为442.8亿m3。
• 泥沙－进入河口的泥沙9.49亿t，最大年输沙量21亿t （1958年），平均含沙量25kg/ m3。最大含沙量222 kg/ m 3。
0.05
h 3.3Q
0.17
U 0.0007 Q
0.77
满足条件 B1＋B2＋B3=1，
断面宽深比
B h
取值
•

B 255 河相关系的多因子分析 1.08 h M
i B 2iwh M B 2h
稳 定 性 指 标
第五节 河口演变
李九发 茅志昌
• 长江河口发育
1. 南岸边滩推展
造 床 流 量
○
造床流量概念
○ 影晌因素 ○ 平滩流量 ○ 频率流量
水力几何形态
B 1Q
B1
h 2Q
B2
U 3Q
B3
Байду номын сангаас
• 沿程 B1≈0.5, B2=0.40, B3=0.10 • 断面 B1∽0.14, B2∽0.43, B3∽0.43 • 珠江马口站 ：
B 462.3Q
1906 1.64 3 22 74.5 136.4
1960 0 0 54 0 0 0.74 1.7 14 52.8 121.4
1974
1995 1.2 1.7 21 57.1 81.0
间隔年代（年） 平均 淤涨速率(m/a) 最大
上海土地 面 积 的 64.5% 是由长江泥沙 堆积而成的。
距今6000年 距今1500年 距今800年 现在
B
/h=8.4 造床流量4500 m3/s，Q0～Q2JP
n＝0.01，Q＝HHV，V＝H2/3J1/2/n， B /h=8.4 造床流量每年不同，1300～7800m3/s
珠江口
1、概况
• 珠江上集三江，下通八口，磨刀门、鸡啼门、 虎跳门、崖门、虎门、蕉门、洪奇沥、横门。磨 刀门是珠江主流西江的主要出海口；虎门是珠江 口的代表，内连黄埔港，外通伶仃洋、南海。
2、黄河口演变特点
• • 淤积－延伸、摆动－改道，循环演变规律 1855年（清咸丰五年）8月，黄河在河南省兰考县铜瓦 厢决口，黄河下游改道，经山东省大清河注入渤海。改道 顶点在宁海附近。自1855年6月至1977年6月的122年中， 黄河在近代三角洲上实际行水87年，发生11次变迁。每次 行水历时3～19年不等，平均约10年改道一次。改道的次 序大体是，最初向三角洲的东北方向（第一次变迁），次 改行东或东南方向（第二、三次变迁），然后急转改行三 角洲的北部（第四、五次变迁），完成一次河道流路横扫 三角洲的演变周期称此为大循环。完成一次大循环大约历 时半个世纪（50年）。 造陆速率为23km2/a，五十年代以来，人工控制顶点下 移至渔洼，摆动范围缩小。
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。
3、形成钱塘江河口特性的条件
• （1）.来水条件 潮区界芦茨埠平均年径流量290.5亿m3。折合平均流量 921m3/s，干浦进潮量19万m3/s。 （2）.来沙条件 钱江水丰沙少的清水河，平均含沙量0.2～0.4 kg/m3， 年平均输沙量668万吨。——不会形成三角洲河口。
•
• Q1/Q2山水潮水比值
• 径流：1956～1979年统计，珠江多年平均年径流总量约 3380亿m3，其中西江年径流量2300亿m3，北江年径流量 510亿m3，东江257亿m3。年内分配不均匀，汛（4～10 月），径流量占全年75%～82%。 • 泥沙：是我国七大江河中含沙量最小的河流，多年平均含 沙量0.27kg/m3。全流域多年平均年输沙量达8872万吨。 汛期含沙量在0.14～0.53 kg/m3，非汛期0.02～0.07 kg/m3。 珠江流域的输沙量主要来自西江，占82.8%，北江、 东江仅占7.5%、3.5%。4～10月输沙量占全年输沙量的 90.7%～94.9%。
2、珠江河网状三角洲发育模式
（1）多次分汊，多级发展； （2）沙州合并，河汊由繁到简； （3）左汊萎缩，右汊发展，整体偏右。
•
•
B
/h＝Kn[
Bi 1 Hi 1
]0.23(
Bi 1 QJ
)0.23
• B－计算时段末平滩河宽； h－滩槽高差； Q－时段造床流量； J－河床比降，为前期断面形态； i为当前断面号，i=1，2，3…； Kn为与河道宽度有关的系数。
• 黄河高村以下，多年河湾资料统计，曲率半径R 与中心角有如下关系成立： R＝3200/ 1.85
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。
原因
海平面上升、来沙量变化、科氏力作用、人为作 用。 ○ 落潮槽发展：南支、北港。
○ ○
涨潮槽淤积：新桥水道、北支、江亚南沙北槽。
` `
南汇嘴0m线滩地促淤造地工程分布
Q1＝［ Qi /N］1/m
i 1
N
N－统计次数，m－流量－输沙率，G＝αQm，G为输沙量 Q2取涨潮平均流量 • 河口的平面外形与山潮水比值密切关系
B 2 B1 B 2 L B1
B1－潮区界断面宽度，B2－河口断面宽度，L－B2至B1 断面的间距 Q1/Q2<0.02 口门沙坎 Q1/Q2>0.10 口外拦门沙 0.02< Q1/Q2<0.10 过渡状态
冲积河流自动调整
★
●
调整周期
★ 特点
●
长期调整 ● 较长期调整 ● 短期调整
取决于流域 ● 泥沙运动 ● 中特大洪水 ● 随机性 ● 边界条件 ● 反馈
-适 应 性 ！
第 四 节 河 相 关 系
• 三个几本方程
Q UBh
1 U h J n
3
2 3
1 2
U m S k( ) ghw
三个方程式有四个未知数： ―― B、h、J、U；缺1
长江口南边滩外涨 ，40年/1公里， 23年/1公里， 1年/80-100米 。 2. 北岸沙岛并岸 1000年6次重要的沙岛并岸，7世纪东布洲并 岸，8世纪瓜洲并岸，16世纪马驮沙并岸，18世 纪海门诸沙并岸，19世纪末到20世纪初启东诸沙、 20世纪20年代常阴沙并岸。在这6次沙州并岸中， 只有常阴沙因人为因素堵夹泓并入南岸。