清华河流动力学概论第6章课件1.

1、河流动力学概论第六章河道演变的基本原理1冲积河流演变的影响因素与时间尺度冗候植被对流域产沙的影晌，河道演变的时间尺度2冲积河道演变中的均衡状态判断均衡状态的依据和方法3造床流量平滩流量法，爾现期法，有效输沙流量法+河相关系均衡理论、水力几何关系断面河相关、与沿程河相关系 5河相关系的理论推导河宽经验公式、临界起动假说、能凤极値等假说迥彌理地険 扳究*总的朋定 力珂只慶 込娱勺尸少氏岸 地氏条烂W水糸号£ -旳空內媒-刃左£级从河源到河口：地貌变化过程中的不同角色输运区沉积区冲积 Alluvlul谄入刁円,紂；.<支田工坤 -力 口 StXir. *<2A.

2、71; rrd RiAirtATT河iJQ上5»大 /浪工臭词«TW*veif». W!cS 汛冉WHSJT釦Wh ana訓科芳端a河UIZ河源区干流形成" 水沙他 I泥沙沉淀, 河道換动下切 Incision河流沿程地瞬-圧阮杀件生眼是- KiqJRR 一三燥与尸少虹出-地冬杀件与水乐屯恋-时勺诂级对決分级盘入平胛傩労后.3 吨舉慢卑茅、玄訪.答.河口处忙：少眈 HJttd &彭QJl迫分总入虎河源到河口：从峡谷的束缚到冲积平原上的摆动支洗乂含WJLt 障琵绩冃行立一 更宴.何毛出 曲习常玄血河谷地彫妁東. 河道平面形亦变化不 大，以下切、鉄落

3、锌 琳向调搭为主1河流沉积作用明显， 河道演变中游播r摆 动卷平面形态调艳成 为主要的演变方式iOTVJi*V 河杳.筋九走 姦方冇PISEM丈.A /2iir诚运区55流沿埋地瞬-"咬*X任电走-忙倒尺釀-H後与尸如山-'贾泊毘扌去也态-旳咬再將-期漁分级疹冰川地貌景观中的U型谷（对比流水地貌 景观中的V型谷）55淞0遲地険-枫究条件89甩走-时百）尺8E -二岐与尸如山-怦冬杀c与木煎也态-的口碍;H - 辭分级冰川地貌景观中U型谷的形成过程（注意不称u型“河”谷.而称u型谷、冰川谷.冰川槽谷等）6血是卡的冰川的作用就像一把半圆铿刀.在 坚硬的岩石上锂出一个圆滑的U型谷，

4、 形致地称为“刨蚀解.6河卿程地瞬-6“究乂仃虫展廿-卜盘尺卑一三假均尸 加他-笊易和工与才、斥也怎-旳空冉缈-4:49®岂农与产沙践津的空转锁湾溺0程地険-6卩究茶件空走地05条件与水廉也劭略有一点横向摆动. 但幅度很水.在几百年的时间时 间尺度上.V熨河谷 中河汛的横向摆动受 到限制.只可能做纵 向调整河流沿程迪瞬-li卩究茶样的眼崔-33日只展一三墟与产沙頂洋-地整条溜水系也怎-旳空牠験-刘凝分级河流沿程地険 护究杀H空瑕定一旳同尺度一岂佞与产抄戎洋一 R冬杀件号水人他怎时空忆竣此图中大石块构成的阶梯 (Ktqw)是山区河流调蔡其纵剖 両的重婆形式之一.其F游水 両有个夹然跌落

5、.另一种虽婆 形式是瀑布.也就是更大的阶可想而知，洪水期水 流推动巨石运动时产生的 研磨作用.促使了峡谷的 侵蚀和下切.在水流本身 的冲蚀作用上又增加了更 为强悍的磨蚀作用55流50星迪険护只杀仃埜琨定一卜日尺慶一二瑕与尸少H宙一37分级在河谷地形开阔、平缓的山区 地带，河道平面形态中也能够出 现边淹发育、出现分汶河道.河流沿程地険-U：究条4広贱定-卫目尺展-三慎与尸少农滉-地泯条件号水不电恐一囚空径理如果河道骤然开阔、泥沙大虽落 淤，则形成的河逍常常游荡不定, 岀现辫状散乱河逍。湾彌理地険-皿阮茶冲的眼股-K.RK -三彼与尸少取滉-地僮杀件与水不也恭一闪空忙膛-4j；：9fflW3I4E

6、 *e11 AMM；"昭入1F木“挟玄连刃I渥河网毫地険-朋究条件的眼定-龙目尺度-三股与产妙以半-地0S糸仃与水廉也怎-旳空牠举-期£分©疋-10km : ' 9gH III III MO、妙牛低含秒童的拘流在植被茂繼的地带形成的婉艇取河道和牛规湖* F婉蜒型河道和牛梅湖，' .注意河竄与弯道曲率的关系：/¥ 厂,河溺0*8地®U；究杀仃加隈走一 2闻只度-三妊与尸n.u£ -地庆弟炸与水廉也吐-时变牠少趾来分级O Lorn* AJie斷“严雷、旷 丁 r r 叫.Sw 花；/ A*10'O H 卜；

7、71;S1 n ' ° S>rtf M| UH I；|o婉蛭型河道和牛枫湖，v注意河宽与弯道曲耶的关系Trani rtf爲流沿唧恵聚-U：究杀仃工用走-龙回尺展-三艇与产M.CE -地娱条肚与水廉电恐-时空轻级 4£»级f 1，?山区河道的特点主55在 于其纵向比降的沿程调整； 但其河道在嶺向上几乎不脂 自由搀动，完全受地质条件 控辄在平瓯地区，河道演变 的夭然约束较小，其横向摆 动可艇逍成许多问题，尤其 值得研宪。18沁8理如-田究条悴的顒定一农回尺龍f後勺化阪津-即易来仁写水廉曲至-的空曲眦分级河流动力学研究的河道演娈问题本课程所涉及的河流演变问

8、题与地貌学、地质学有所不同，具体反映在时间尺度上和限定条件上。本课程的研究内容限定在如下范围:1）短时段分析：只分析数百年以内的河流冲积过程;2）确定性分析：认为所有外因都是恒定可預测的;3）单因子分析：间道演变与流域条件的因果关系；4）动力学分析：用力学原理定量地分析演变趋势。具体地说:1）时间尺度以百年计；2）地质地镰条件不变（J冋待、D5。等不变）;3）气候、植被穗定（流E0不变），應莎/心:硏究条件的隈遣肘回尺趾厂'卯：；4“豪小件与木不电;5；-的空牡卅河流动力学研究的限定条件和时间尺度宅内动床试脸中一条模型 小河的主槽从顺直到弯曲的演 变过程实脸过程中小河内的施畳 保琲恒定

9、.试验水槽坡降为 0.001,总的试验时间为563小 时。按时间比尺换算为天然情 况大约暹几十年。室内自然模型对应的各种条件百年”有工程意义的河道演变时间尺度处M沿耳沽貝-圧宜*件空限定一时闾尺燮一叫域与产沙竝举一地35条件与水泉也怂-的空牠妙-越说分级M化屮曲曲-田究条I勵限世-兀旦RR- M»aWW5*M伽-BSBA -fflSfi®冲积河流演变过程的时间尺度可分为三种试验中各项条件，代表原型河流的某些特性，如从地貌学角度看 年、壮年夷平） 长的时间尺度上， 植被 义的定量分析，因此这类研究多属于定性分析工程科学中对河道演变的研究，实际上限定在研究河流 漫长生命周期中的

10、一个瞬间、一些徹小变化。人的一生中 观察到的河流，犹如蜻蜓在一生中看到的百年巨衫，基本 是不变的。稳定时段（量级为天）准衡时段（H级为百年）地质时段（量级为数十万百万年）相应于“时间尺度较短、不出现大的地质构造运动和气 候变迁"的情况（数十年到数百年之内）.河道演变的整个生命周期（幼年、育般憂跨越数十万年的时间尺度。在这样 流域中几乎所有的因素都变化不定（气候 地质构造等），无法对冲积河流的演变过程进行有意河谷比降床抄组成恒定”:流域具有稳定的地质结构和地貌条件 流农恒定” t气候和植被处于比较稳定的状态流.0哼地疫-U：究杀仃工眼床-时闾尺虔 三妹与几抄以出一地茨杀炸系屯态-旳冬-

11、河;东分级地貌学时间尺度与工程学时间尺度2.河川地貌全生命周期动辄几十万年，人们的日常体验不过百年左右，无法获 得直观的感知。有的影视为了帮助观众“跨越时空 > 描绘了此类景象.ILC.K尔WhH.G'Wk）誓于IJW5年的时光机»4Thc Time Mnchlner*是肆越文学的开山之作.Jt2（M>2电影版为表现穿越过程.穷尽了描号町问和年代变化的电彭语汇.在描述®H万年尺度 上的穿越时.所用审例显示出編导员有相当的科学賞养：全球冰期的its.河谷地貌的形成.辺涼启理地痕-U：究茶件岳讯老-时闾尺虔-吒以与产出一地虎杀件与水糸屯恐-旳空碍级-洌決分级

12、时间尺度不同，河流中的变量关系大不相同所考虑的时段长度 变竜类於稳定时稅地质时段MMU衲（爲级：数百色）【值级：数百万年）1自变fit古气霍麻川期的交石T自犯歎古水文A因变量河谷坡度、宽度和探度不变不变因变量*还娶自变償植椒种类和密ft）不五自变Mt平均流址自变量自变1 河遇形态不吏因变童麟时流量匚自变it 瞬时秒fit因变屋A恥9斤丁能U：究条件的限走-二易'切、出-地as杀件与水廉也怎 时空转换列:矽河流地、河流地貌自然过程的全部生命周期不但远远超过了 人类寿命，有时甚至超过了人类在地球上出现后所历经 的时间（几百万年）。研丸这些现象，主要是靠现有的 各种痕迹对其历史进行推理。所谓

13、“时空转换"的概念 就是这样一种推理方法：对于有完整的河源段.输运段、沉积段的大型河流 来说，可认为某一时刻河流在从上游到下游的全部空间 中展现出来的空间规律，等价于在某一河段在几卜万年 的地貌变化过程中展现出来的时间规律。聽- “：冗杀仃並眼龙一肘间尺匪-=晴3"抄以保-地圧糸件与*果屯恐时忙岐-4住分级按时间顺序看到的河流地貌发育规律1 侵蚀初期，形成窄深峡谷厂ABE!炉-U；宪杀仃於眼定-旳目尺戛-飞霞与产少踱津-地05条件与*果屯恐-旳空从少趾用分级 按时间顺序看到的河流地貌发育规律苫2 侵蚀继续发展，边坡后退变缓厂ABE!炉-U；宪杀仃於眼定-旳目尺戛-飞霞与产少

14、踱津-地05条件与*果屯恐-旳空从少趾用分级 按时间顺序看到的河流地貌发育规律苫3 深度侵蚀阶段，山体接近夷平2«凡J埒灼炉阮条仃出用走一匹目尺度一汽域与尸-她泾糸件与水果电悬-旳空再忠-刃弋P级按时间顺序看到的河流地貌发育规律f 1, ?4 侵蚀基本完成，夷平至侵蚀基准点沁0程怕瞬-田轧茶件的限定-KelRK - f隊与“少以由-地厦糸疔与冰系腺5 -闪空转换-辭分圾河流地貌发育过程研究的时空转换法1KIW Villea. e吝住刁*川34在同一时刻，观察整条河流沿着时间线的变化规律，那常 类似于沿右空间线的变化规律.在不同时刻，观察同一河段/ 1flbtie迢济8理地熄-究茶件空

15、崔一时闾尺曼一三後与产沙戎洋-地豪*件与水系电态-的空杓戟-洌漁分在工程科学中，只研究百年尺度上的侵蚀和产沙量在百年以内的时间尺度上，流域中的气候、地形、植被. 岩性可视为稳定的，河流沿程地质构造的升降运动可以忽略, 侵蚀基准面（内陆湖泊水面、海平面也可观为是不变的.河 道形态（包括沿着主流线的河道比降是待求量，它是由上述 流域特性决定的。起决定作用的给定条件包括流暈、输沙率. 泥沙粒径、河谷比降、岸壁阻力等。例如：研丸三峽水库的淤积问题时，假定气候保持湿润, 植被不变或改善.流最、输沙率、泥沙粒径、河谷比降、岸 壁阻力在百年内不变。虽然百年尺度内有些条件也会变（如三峡库区来沙量和 粒径都减小

16、了），研咒的结果须不断作修正（如教材第2. 5. 3 节）。但此种变化和地貌学时间尺度上的宠观条件变化是不 可同日而语的迢瀝召峠爼怛-压究茶件的展戏一时闾尺虔-三後与产沙竝洋-地贾条件与水廉屯霑-的空码眇在数百年内（准衡时段）， 山体和岩準是稳定的.河 谷长度（图中的黑实线）不 变，河谷比降不变.在这种限制下的河道 演变表现为主河槽（图中的 蓝虚线）不断摆动，其长度 可变.沿着主河槽的平均 河底比降和水力坡降均可 变4矗M启厚地归-根究茶件压展宦一时闾尺虔-三隊与产纱肢澤-地3$糸件与木系也怎-旳空胳眇-列用分级地貌基底不变的情况下.山谷中河道的主河槽不断摆动.留下了清晰的痕迹.河道演变了无数

17、个來回.而地质构造基本不动两者的38时何尺度完全不是一个量级.当水力坡降变化到恰恰 能够输运来水来沙时，河 道就处于相对稳定之中。所以问题归结为.正 确预测流域的来水和来沙 以便据此分析河道演 变的趙势.39；F启匕二炉-U；瓦杀仃區展走-时闫尺屣-叫樓与产沙礙律地易玉件与水系形e -的空牡妙-期诜幻级门紳诅炉-U；究杀仃2E展定-时回尺龍-气變与产沙现權烈圧条件£*斥电在-旳空牡眇-期:辭）级山流域气候与流域侵蚀和产沙量的关系40；F启匕二炉-U；瓦杀仃區展走-时闫尺屣-叫樓与产沙礙律地易玉件与水系形e -的空牡妙-期诜幻级热丰lit左力° “卿 1 .牙-温跃湿润的气候

18、促进植被的 生长，增加表层土壤的有机质, 促进入渗.械少侵纯。而下旱 寒冷的气候所起的作用却恰恰 相反.在自然条件下，一个流域 内的气候植被、径流和产沙 之间存在It 一个比较稳定的关 系，使得流域的来水来抄、下 游的河道演变也相应的较为平40产沙量完全取决于气候，或者说流域降雨量41如果流域中唯一能变化的自变量只有气候, 则气候是“因",植被与土壤是“果”实例：黄土高原的地层是上百万年中逐渐沉积起来的,因为某种土层只有在特定气候下才能形成，所以其垂直 剖面就是历史上的砂暧交替的记录(1cm «100年)。冷曖 交替的周期约为数万年。地质勘探在不同深度上发现黄 土层中夹有褐

19、色土壤，说明地质历史上(几万年，几十万 年前)，黄土高原曾经有过温暖湿润的气候。汇恥8埒的厲-压究*件CD隈宦一电JlRK -气&与产沙張-地&弟件与水不形态-的空“在数百年尺度上，产沙完仝取决于流域降阳嵐把一系列中小流域鸽年 降Wft(mfn)和流域产沙就("Xn询点绘成图，就是Langbein-Schumnn進律。 在有效降雨豪为300mm左右半干旱区的流域.单位面枳的产沙池最大。用金右理!99 积究条件乳隈定-胆目尺婪与产沙毀健 地圧条件与水糸屯总 时空肖唳 洌 - 000000000年均温度不同的流域，相同 的降雨产生的径流裸是不同 的（为什么？h因此用实际削

20、 ft作横坐标会出现多峰年均温度越高的流域，蒸 发最也越大.少稱地区有“干 熾”现象（热农ft儿产at少）.因 此产沙峰值对应的年用屋比寒 冷地带要高许多。可见.对于流域产沙it来 说,真正的主变fit不是年降|« 9而是年轻流杲。平均年降雨量（mm）44用金右理!99 积究条件乳隈定-胆目尺婪与产沙毀健 地圧条件与水糸屯总 时空肖唳 洌44用金右理!99 积究条件乳隈定-胆目尺婪与产沙毀健 地圧条件与水糸屯总 时空肖唳 洌>1 二)了倉K（如架两个小流域的植被类型不釧 那么相同的降阳不会产生相同 的径流，也不1B携带出相同的»»）矗恥君程迪炉-硯究条件的隈

21、适-胆目尺燮珥&与产沙观健 地践豪件与水栗老悬-时空钱换 划懣分级将横坐标改用各个流域 的轻流JS（mm）,成将该径 流深换算为年均温度10 « 的流域咿所对应的降雨量 （即所谓“有效降）,就 得到了各小流域年产沙量 年包流it关系，它是单峰 的。（此图表明不局的小流域中，产沙模数取决于径流深，也就圧離位面积 上的产沙量与其上产出的径流屋直接相关fit然这个规律是有适用条件的。）44逍漏启绎地炉-圧阮茶件基讯走一时间尺& 一叫与产沙以整-地18糸件与不糸软5 -时空再儀-洌澡分级5半干旱区的流域单位面积的产沙量最大46逍漏启绎地炉-圧阮茶件基讯走一时间尺& 一

22、叫与产沙以整-地18糸件与不糸软5 -时空再儀-洌澡分级546逍漏启绎地炉-圧阮茶件基讯走一时间尺& 一叫与产沙以整-地18糸件与不糸软5 -时空再儀-洌澡分级5干早区地裘裸鸞 ill从稲嫌无保护作 用；但由于降雨很 少，障雨和水流的 便蚀强度很低（这类 地区以风恤为主）IOOl森林200400000 800 1000平均有效降水帛E沙漠灌丛半干早区.年降雨最堆加 引廻侵烛力迅理珀大，降 雨多为報中鼻雨形式.ffi 被尚不茂察、抗tti力不足 以与侵烛力抗MCtttt 强度迅速增大.并在有效 障闹盘为300mm左右达列 侵蚀强度峰值加.流 域从半干早转变到半漫润 气候，植被亦由草本植物 过渡为蘇林.地表抗诧力 发生实质性的戏化，尽晉 碎闸偎蚀力也增大了"国 与抗蚀力的珞加相比处于 次宴地位.因住侵蚀冬度 呈现岀诚小的趋勢.46逍