河流动力学-6章-hxgmzhang

主讲教师：张红霞Email:河流动力学概论Introductiontorivermechanics教材：邵学军王兴奎.

《河流动力学概论》第1版.

清华大学出版社6.1冲击河流演变的影响因素与时间尺度6.2冲击河道演变中的均衡状态6.3造床流量6.4黄河上游人为活动对有效输沙流量的影响6.5河相关系6.6河相关系的理论推导方法-1-河道演变的基本原理第6章-2-6.3造床流量1、造床流量定义（chanlle-formingdischarge,dominantdischarge）对某一时段内平均意义上的均衡河道形态来说，真正起控制、主导作用的某个中等流量。从理论上说，天然的流量变化过程所形成的均衡河道形态，可以通过在河道中恒定释放这一中等流量和相应含沙量而塑造出来。(Inglis，1949年)-3-6.3造床流量1、造床流量定义（chanlle-formingdischarge,dominantdischarge）解释：不是洪峰流量，虽然其造床作用很大，但出现几率低；不是枯水流量，虽然其出现几率大，但造床能力太小。

-4-（1）用平滩流量代替造床流量（2）用某一频率或重现期的流量作为造床流量（3）根据输沙率与流量频率相乘得到的地貌功曲线确定有效输沙流量，并等同于造床流量。2、计算造床流量的方法6.3造床流量-5-3、注意：上述造床流量概念不适合与研究半干旱地区的一些季节性和间歇性河流，或人为调节作用强烈的河流。6.3造床流量-6-6.3.1平滩流量法

1、基本原理：以与河漫滩平滩水位（或简称平滩水位，bankfullstage）相当的流量作为造床流量。2、解释为何用平滩流量代替造床流量：河道形态的演变并不是对所有的流量级都作出同样的反应，只有当流量达到某一特征值时才会有明显的形态变化，而平滩流量正是标志了来水来沙的动力作用从塑造主槽到塑造滩地的一个转折点。-7-3、平滩水位（bankfullstage）概念：指在滩槽分明的河道里，主槽充满之后，与新生河漫滩表面齐平的水位。6.3.1平滩流量法-8-漫滩前，水流在主槽中集中流动，流速大，挟沙力强。漫滩后，过水面积和湿周增加，而滩面上水深小，阻

力大，流速显著降低，导致大量泥沙落淤在

滩地上。

靠近主槽的部位淤积较厚，淤积颗粒较粗，形成沿主槽的自然堤。图6-9漫滩洪水的造床作用与自然堤的形成6.3.1平滩流量法-9-（1）根据水位-宽深比(B/h)曲线，由曲线最低点判断平滩水位，再由水位-流量曲线求平滩流量。解释：图6-10（a）

漫滩前，B河宽基本不变，h水深逐渐增大。随着水深的增大，B/h逐渐减小。

漫滩后，B河宽迅速增大，h水深增大缓慢。随着水深的增大，B/h开始增大。

即：水位-宽深比(B/h)曲线最低点对应的水位即为平滩水位。4、平滩流量计算方法6.3.1平滩流量法-10-（2）由水位流量关系曲线的转折处得平滩流量，图6-10（b）。解释：

由于漫滩后河宽大幅增加，同样的流量增幅在主槽内引起的水位上涨幅度要小于滩地被淹没后水位上涨幅度，因而水位流量关系曲线分成斜率不同的两段。缺点：实测资料显示曲线斜率变化为光滑过渡。6.3.1平滩流量法4、平滩流量计算方法-11-（1）平滩流量方法概念简单，但没有一个普遍适用的方法来确定其准确值。平滩流量概念不适合于没有明显主槽或主槽变动频繁的河流（即未达到均衡状态的河流，如干旱、半干旱地区的间歇性河流）。（2）由于河漫滩的高程不易准确确定，在运用这个方法时，宜采用较长的河段作为依据，此河段应包括若干实测的横断面及水位流量资料。5、平滩流量方法探讨6.3.1平滩流量法-12-6.3.2采用某一频率或重现期的流量作为造床流量2、重现期的计算方法：（1）采用年最大洪峰系列统计Pmax（2）各流量级历时法：采用日均流量资料、区分不同流量级后计算各自的历时得到流量频率Pdur

1、基本原理：采用某一频率或重现期的流量作为平滩流量或直接作为造床流量。-13-3、Leopold和Maddock采用年平均流量代表造床流量4、WolmanLeopold用重现期为1～2年的流量作为造床流量。5、Hey提出卵石河床的河流，采用年最大洪峰系列统计得到的重现期为1.5年的流量作为造床流量。6.3.2采用某一频率或重现期的流量作为造床流量-14-6、（补充）重现期：不小于或不大于一定量级的水文要素出现一次的平均间隔年数，以该量级水文要素出现频率的倒数表示。6.3.2采用某一频率或重现期的流量作为造床流量-15-6.3.3有效输沙流量法（Wolman和Miller）基本步骤：1、将通过该断面的流量分级Qi（日均流量）；2、确定各个分级流量Qi相应的输沙率Qsi、含沙量Si和出现的历时Ti；3、统计长系列日均水沙资料，得到不同的流量级在统计时段内个字输运的泥沙总量。（6-3）-16-基本步骤：4、输运泥沙最多的流量级就称为输沙流量（effectivedischarge）。6.3.3有效输沙流量法（Wolman和Miller）-17-优点：通过统计计算求得造床流量，有一定根据。缺点：对流量分级间隔比较敏感。6.3.3有效输沙流量法（Wolman和Miller）-18-6.3造床流量注意：

采用平滩流量法，或采用某一频率或重现期的流量法，或采用有效输沙流量法，来计算造床流量时，要注意河流本身是否处于均衡状态，否则计算所得到的流量值并不能真实反映塑造均衡河流的造床流量。-19-6.4黄河上游人为活动对有效输沙流量的影响-20-6.5河相关系冲击河流的河床在水流与河床的长期作用下，常取得与所在水文、泥沙条件相适应的最合适的外形，表征这些外形的因素（如河宽、水深、曲率半径等）与水力、泥沙因素（如流量、比降、泥沙粒径等）之间常存在某种函数关系，这种关系称为河相关系，或称均衡关系。1、河相关系定义：-21-输水渠道，在稳定不变的流量Q和含沙量S下，若渠道的宽度B、水深h和比降J符合一定的关系，就能够使得渠道在该种来水来沙条件下保持冲淤平衡状态，称为均衡渠道（regimechannels）。1、均衡渠道（E.S.Lindley,1919年）：6.5.1人工渠道的均衡理论-22-以给定流量Q为自变量：式中，D为泥沙粒径（mm），对于大型渠道，可以用水面宽度B和水深h分别代替P和R。2、均衡理论（均衡渠道系列经验公式）6.5.1人工渠道的均衡理论（6-4）～（6-7）-23-缺点：推导上述公式床沙的粒径范围较窄，上式不适用于粒径范围变化较大的情况。6.5.1人工渠道的均衡理论-24-6.5.2冲击河流的水力几何关系1、以代表造床流量的特征流量Q为自变量：在不同流域或同一河流不同沿程断面上实测的水动力要素和河道断面形态资料，点汇在同一关系中，归结为普遍适用的河相关系，Leopold和Maddock将这种关系称为水力几何关系。-25-达到均衡形态的天然河道断面上存在的关系式为：（6-8）～（6-14）2、Leopold和Maddock用河流的年平均流量Q作为自变量：6.5.2冲击河流的水力几何关系-26-得到：2、就输沙平衡情况而言，由水流连续性方程：6.5.2冲击河流的水力几何关系-27-6.5.3沿程河相关系1、相应于某一特征流量（年平均流量、平滩流量），在同一河段的不同断面，同一河流的不同河段，甚至不同河流，量测B、h、U等资料，将其与特征流量点汇关系，它只决定断面的宏观形态，而不涉及细节，称之为沿程河相关系（downstreamhydraulicgeometry）。-28-2、表6-9沿程河相关系中的指数（1）b=0.5（2）f在0.30和0.40之间波动（3）m在0.10和0.20之间波动（4）且b+f+m=1（5）比降J中的指数z波动范围极大。一般J与Q成反比，与含沙量S及泥沙粒径D成正比。由于支流汇入，Q沿程增大，而含沙量S由于洪水漫滩落淤或洼地落淤沿程降低，泥沙粒径D沿程细化，几个综合因素使得J沿程变小的趋势。6.5.3沿程河相关系-29-6.5.4断面河相关系1、同一断面相应于不同流量Q的河相关系，它能确定断面形态随流量变化的细节，称为断面河相关系。2、注意：此处不同流量Q不是特征流量，而是不同值的流量。3、在河流的特定断面上，断面河相关系更多的是一种几何关系，它给出的水面宽度随流量的变化并不反映河道演变的动力过程。-30-图6-20黄河花园口站断面河相关系6.5.4断面河相关系-31-6.5.5沿程与断面河相关系的内在联系图6-21同一条河流上的断面河沿程河相关系同一条河流上沿程河相关系与断面河相关系之间可以相互转换。不同断面、相同频率流量Q对应的点，可以得到沿程河相关系。-32-6.6河相关系的理论推导方法输沙平衡情况下方程组：三个方程，四个未知数，需补充一个方程进行封闭求解。目的：求解B、h、J、U四个变量-33-这样，问题就归结为寻找一个能使方程组封闭的补充方程式。补充这个方程式的途径有以下几类。6.6河相关系的理论推导方法-34-表6-1基于河宽公式的河相关系式

（1）前苏联根据苏联一些河流，主要是平原资料整理出来的宽深关系式：1、河宽经验公式6.6河相关系的理论推导方法上式，B河段平均河宽，h河段平均水深，是相应于河漫滩齐平的流量而言的，单位m。ξ称为河相系数，卵砾河床ξ=1.4，一般沙质河床ξ2.5，极易

冲刷的细沙河床ξ=5.5，-35-上式说明，对于不同尺度的河流，河宽的增加远较水深的增加为快。6.6河相关系的理论推导方法1、河宽经验公式（1）-36-（2）上式由阿尔图宁整理亚细亚河流资料，认为B的指数应为变数。η的平均值为10。指数j变化于0.5～1.0之间，随河流性质而异，山区河流m值较大，约为0.8～1.0，平原河流m值较小，约为0.5～0.8。6.6河相关系的理论推导方法1、河宽经验公式-37-基本理论：认为河道横断面湿周上个点的泥沙均处于临界起动状态，即边界剪切应力处处等于各处边界组成物质的临界起动剪切应力，从而推导关于B、h、J、U的河相关系式。2、临界起动假说6.6河相关系的理论推导方法-38-

基本理论：由窦国仁提出，这一假说认为在给定来水、来沙条件及河床边界条件下，河床在冲淤变化过程中力求建立活动性最小的断面形态。并用下式表达河床活动性指标：3、最小活动假说6.6河相关系的理论推导方法-39-（1）Q2%为频率为2%的多年平均洪水流量，Qm为多年平均流量。（2）为水流对河床的相对作用力，其中U为断面平均流速，U0b为床面泥沙的止动流量，其值约为起动流速的0.82倍。为河岸稳定系数αw与河底稳定系数αb的比值，这两个系数与土壤性质有关。6.6河相关系的理论推导方法3、最小活动假说（6-19）-40-6.6河相关系的理论推导方法3、最小活动假说（6-19）-41-6.6河相关系的理论推导方法3、最小活动假说（6-19）（3）断面宽深比B/h，其值愈大，河床可动性也愈大。取Kn对U或B或h的任一偏导数等于零，所得结果相同。（6-20）-42-采用悬移质挟沙力公式：式中，Uos为悬移质泥沙的止动流速，K为参数。6.6河相关系的理论推导方法3、最小活动假说（6-21）-43-得到（6-22）～（6-25）关于河宽、水深和比降的关系式。6.6河相关系的理论推导方法3、最小活动假说-44-基本原理：从能量转换原理出发，这类理论认为，冲击河流根据来水来沙条件自动调整的结果，是使河流沿程的能耗率保持最小（如张小燕的单位河长能耗最小假说），或者认为当流量变化引起水深h、河宽B、比降J改变时，三者各自的调整之和应维持最小（最小方差假说）。4、能量极值假说和最小方差假说6.6河相关系的理论推导方法-45-比如：对河流的河床而言，当采取人为措施，例如修建丁坝，使水流结构发生急剧变化，阻力骤增时，水流将通过冲刷和淤积，使这种变化趋向缓和，以减少阻力损失。这就是能耗最小原则的一种表现形式。6.6河相关系的理论推导方法4、能量极值假