泥沙对河道的影响分析

泥沙对河道的影响分析作者姓名：徐伟专业名称：水利水电工程指导教师：李源讲师

成都理工大学工程技术学院学位论文诚信承诺书本人谨慎承诺和声明：1.本人已认真学习《学位论文作假行为解决方法》（中华人民共和国教育部第34号令）、《成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为解决实施细则（试行）》（成理工教发〔〕30号）文献并已知晓教育部、学院对论文作假行为解决的有关规定，知晓论文作假可能造成作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。2.本人已认真学习《成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册》，已知晓学院对论文撰写的内容和格式规定。3.本人所提交的学位论文（题目：泥沙淤积对河道影），是在指导教师指导下独立完毕，本人对该论文的真实性、原创性负责。若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承当对应的后果。承诺人（学生签名）：徐伟年1月23日注：学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习报告、毕业论文和毕业设计报告。摘要泥沙在天然河道中的存在是普遍的。当水流的重力势能转化为动能时，在泥沙的某些特性及相对速度的作用下，必然会对河道产生一定的影响，其中涉及生物的多样性、坡岸的稳定性和河床的冲刷淤积问题产生一定的影响。核心词：泥沙河道生态AbstractThesedimentwidelyexistsinnaturalrivers.Whenthegravitationalpotentialenergyistransformedintokineticenergy,thefluidwillinevitablyhavesomeimpackondownstreamriverbecauseoftherelativevelocityandcertaincharacteristicsofsediment.Thoseeffectscanberemarkabletothebankslopestability,thebiologicaldiversityandthesiltationofriverbed.Keyword:sedimentriverecology绪论中国河流众多，其中有5万多条流域面积不不大于100km2，有1500多条流域面积在1000km2以上的河流。我国水资源丰富，水能蕴藏量为5.8亿kW，正常年径流量大27115亿m3。在我国江河治理中，有一种十分突出的问题那就是泥沙问题，在大江大河流域内水土流失严重，引发大量泥沙输入问题，江河治理的复杂性更严重，并带来危害。根据20世纪80年代早期统计，我国水土流失面积为120余万km2，占全国国土面积960万km2的12.5%，其中七大江河（即长江、黄河、淮河、海河、辽河、松花江、珠江）水土流失面积最大，占总流失面积的85.8%。黄河是世界上泥沙量最大的大河，数年的平均年输沙量达16亿吨之多。特别是黄河中游的黄土高原沟壑丘陵区，平均每年沟蚀和侵蚀模数可达10000/（km2·a）。长江宜昌站平均年输沙量为5.3亿吨，因此长江是仅次于黄河河流输沙量而居我国的第二位的河流。随着我国开展了长江、黄河以及其它各大流域的开发治理工作，我国政府对泥沙问题的研究工作十分看重，投入大量的人力、物力和资金，对许多严重的泥沙问题进行了更进一步的研究。

一泥沙3.1泥沙(知网)泥沙按粒径大小分为块石、卵石、砾石、砂、粉砂和黏土。粒组名称粒径范畴/mm普通特性块石＞200透水性很大，无粘性，无毛细水卵石200—60砾石60—20透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超出粒径大小20—55--2砂2--0.5易透水，当混入云母等杂质是遭水性减小，而压缩性增加：无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大0.5--0.250.25--0.075粉粒0.075--0.005透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象黏粒＜0.005透水性很小，湿时有粘性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩明显；毛细水上升高度大，但速度较慢表1.1粘性泥沙的晶粒尺寸普通不大于63微米。细颗粒普通存在于河口中上游，泻湖和沿海港湾。细粒沉积物的来源可能是河流和海洋。细颗粒悬浮泥沙在河口环境中起着重要作用。细颗粒泥沙在悬浮液中通过电流和波浪作用输送。在河口，作用于细粒物料的运输机制（沉降和冲刷滞后）倾向于集中和沉积在该地区的内部呵护部位的细粒物质。高浓度悬浮区被称为最大浑浊度，并将根据潮汐周期和河流的淡水输入等变化其在河口的位置。细粒沉积物的特点是缓慢的沉降速度。因此，他们可能在水流稳定之前被长距离运输。细颗粒泥沙的粘性特性使它们粘在一起，絮体较大的聚集体或絮体沉降速度比单个粒子高得多。以这种方式，他们就能够沉积在单个微粒将永远不会达成的区域。破坏絮凝体的形成核心在于悬浮泥沙量以及流动的湍流特性。粘土颗粒在他们的表面有一种板状构造和负离子电荷，在盐水中，粒子的负电荷吸引带正电荷的阳离子形成周边的颗粒，这样的粒子会互相排斥。尽管有排斥力，在盐水中还是会絮凝形成大的聚集体或絮体颗粒。这是由于在盐水中，双电层被压缩和有吸引力的范德华力作用于原子使双粒子变得活跃。絮凝受浓度的影响，由于在水中更多颗粒会增加接触。由于湍流的冲击剪切作用，湍流对絮凝也有很大的影响。3.2泥沙的形成与其影响因素流域内产生泥沙的多少，速度等特性事实上是依靠流域抗侵蚀性和侵蚀动力这对矛盾体之间的对比关系。侵蚀动力涉及水力，风力，重力，冻融和生物作用对岩石土壤的分离剥蚀及分离物的搬运两方面；流域的抗侵蚀性重要和流域下垫面的特性有关。即使对同一区域，侵蚀动力，流域下垫面的特性也并不是一成不变的，事实上侵蚀作用本身就在不停变化着流域植被，土壤构成，地貌特性等特性，只但是这种变化的时间尺度与侵蚀作用相比往往很大而已。下列介绍不同的产生泥沙模式，并且分析不同的作用因素在产沙过程中的作用。风力侵蚀风力侵蚀是地表土壤被风力破坏，搬运和沉积的现象。它重要发生在干旱和半干旱地区。风力侵蚀涉及吹蚀，磨蚀和吹移几个过程。风吹地表时产生紊流，使地表物质的构造遭受破坏，并且部分物质吹离原地的过程称之为吹蚀。磨蚀是指风沙流靠近地表迁移时沙粒对地表物质的冲击与摩擦作用。广大风沙区但凡地表缺少植被覆盖的裸地都不同程度的遭受到风蚀和磨蚀。吹移是指强大的风沙流呈舌状迈进，即活动沙丘移动。活动沙丘移动速度取决于风力大小和沙体运动前方的地貌条件。具体而言，吹移又有下列形式：悬移---颗粒半径不大于0.1mm的粉沙，粘粒被卷扬至高空，随风飘行；跃移---颗粒半径0.25~0.50mm的中细沙粒，受到风力冲击脱离地表后，又重返地面；蠕移----颗粒半径0.5~2.0mm的较大颗粒不易被风吹离地表沿着地表滚滑。有必要指出的是，风力侵蚀量和风力侵蚀的产沙量并不是同一体，凡通过风力吹扬的沙都能够称为侵蚀，但是流域风力产沙量指由风力输移至河流中的沙量，风力侵蚀产沙量只是风力侵蚀中极少的一部分。纵然如此，风力侵蚀产生的泥沙可能临时储存在流域中，而后被别的动力因素例如水流等输移至河道中，间接影响流域产沙量。黄河中游流域风沙入河沙量约为1.6x108t(直接进入黄河干流的约为0.5x108t,进入各个支流的约为1.1x108t),占黄河年平均输沙量的1/10，约占粗泥沙总量的1/4.重力侵蚀重力侵蚀是地表物质因重力作用失去塑性平衡，产生破坏，位移和堆积的现象。当土石介质松散或者地表易滑，临空面陡，地面缺少植被时，一旦受到地震，降水，地表径流及地下水，波浪，冰川，人工采掘和爆破等任何一种营力作用时，便会激发重力侵蚀。重力侵蚀的重要侵蚀产沙方式是滑坡，崩坍，泻溜。滑坡是斜坡上的土体在重力作用下，块体沿弱构造面整体下滑的现象。崩坍的陡崖上的土石岩体失去平衡，在本身重力作用下，忽然脱离母体坠落的现象。陡坡上的土石体通过物理与化学风化作用形成碎屑，在本身重力作用下沿坡面滚下堆积在半坡的现象称为泻溜。不同侵蚀产生泥沙模式的规模能够用相差很大。从产生泥沙的角度，重力侵蚀如崩坍，滑坡往往并不能直接产生泥沙，并且侵蚀物质转化为泥沙的速度比较慢。由于如果只有重力的参加，则坡面物质移动的距离是十分有限的，普通很难达成1km。。但是，重力侵蚀使大量的土体，岩块成为分离的碎屑堆积物，经常成为水力搬运的对象。重力侵蚀发生一次，往往产生按常年沙量计算几十年才干产生的泥沙，堆积在流域内的大量堆积体长时间内成为活跃的沙源。3水力侵蚀水力侵蚀是在降水，降雨形成的地表径流作用下，土体被分离，输移和沉积的过程。不管根据动力作用于地面的强度，频率，分布范畴还是产沙奉献，水力侵蚀都是最重要的侵蚀产沙模式。常见的水蚀形式有面蚀和沟蚀两种。

二河流的功效及演变2.1河流的功效河流是人类和动植物的生存之源，是生态系统和地貌演变中最含有活力的部分。河流的功效是多方面的，传统的功效能够用“除害”和“兴利”两大内容概括：兴利是以水资源的运用和开发为重要内容，如农业浇灌、都市用水、水利发电、航运等；除害是以防洪除涝为重要内容，如疏通河道、修堤筑坝、挖河导流等。河流的环境功效重要体现在输沙、水体自净和景观等方面。河流的生态功效指的是河流为动植物繁衍提供了栖息地、通道、屏障及食物的来源。概括起来，河流的功效重要涉及：水利功效、资源功效、环境功效和生态功效四个方面，各功效要素见表2.1。一级功效二级功效功效载体水利功效防洪除涝堤防、护岸、湿地、湖泊沼泽、闸坝等资源功效发电、航运、养殖、农业及居民生活用水等水库、拦水闸、坝及其它水利设施生态功效栖息地、气候调节、吸取噪音、空气及水的净化水体、水面、岸边植被等环境功效自净、输沙、景观娱乐、场合及形象功效河流、水体、滨水公园等3.2河流的演变河流系统是一种包含河流水文、河床边界、泥沙、水环境、水生态等在内，多组织构成的复杂系统。河流系统内部存在大量的关系链，在外界条件作用下系统内个组织不停变化，并且互相制约和作用。水沙条件变化后，河流水文、输沙、水力、河床形态等发生对应的变化，从而引发河流环境的变化。即河流、泥沙和河床之间变现为一种整体联系和互相影响的关系。自然状况下，水沙过程和河床演变体现出其固有的特性，它们之间维持着一种平衡，河流系统的各项功效，都能适应于这种平衡。一旦水沙过程被干扰超出一定的程度，就会打破原有的平衡，引发河流系统的整体响应。水流、泥沙是河流系统的动力因素，它在输移过程中塑造着多个河流地貌形态，并通过与河床互相作用，对河床演变起控制作用。如图2.1图2.12.3河流洪水洪水给人类正常的生活生产带来了严重的祸患与损失，但洪水又是河流的必要构成成分。在普通状况下，河流决定着洪水的迈进方向，而洪水有时又要淤积或冲刷河床，甚至让河流改道。自然洪水对生态系统也有好的影响。正是洪水与河流的互相影响，河流生态系统才逐步进化，生物才得以保持多样性，生态环境也朝着有利人类发展生存的方向演替。洪水根据水流量大小划分为：普通洪水、较大洪水、大洪水、特大洪水、特罕见大洪水等。较小的洪水在干旱地区的干旱季节有着和重要的生态意义。它刺激着鱼类产卵，输沙，改善水质等。它们重新设定了一系列河流条件，引发了上游鱼类和植物种子的迁移。同时还能对河岸重新浸润，冲击河口淤泥。3泥沙的运输及模拟

三泥沙运动对下游河道的影响3.1减少下游河道稳定性在河床上的沙质，在水流的强度较小的时候，河床很有可能会产生水垄或者是沙纹。随着水流强度的逐步增大，沙垄的尺寸会慢慢的增加，当达成一定的程度后又会渐渐的减小，直到消失不见。这是重新回到比较夹带的状况，理论上讲，河床上经常会有很大的泥沙输移的强度，普通状况下称其为动平床。水流每进一步增强，整个床面将会被为巨大尺度的沙浪慢慢所替代。沙浪与水面波动几乎是一模同样,传输方向也可能为逆行、顺行或者是停滞不动,对应的分别称为逆行沙波、顺行沙波和驻波。床面形态的也会随着不同阶段和状况,河床水流阻力也会变化,重要的因素是由于沙波阻力的所影响的的。不同的水流会形成不同的沙波,当水流条件的被变化后来,床面的形态对应变化也会变化。但是,由于惯性产生的作用,水流条件的变化往往会在沙波的变化形成之前产生,两者存在一定的时差。对悬移质来说,泥沙如果存在于水中,会增加水的容重。在流速在增大的过程中,上举力也会逐步的增大,水的紊动也会增强,水中也会夹带着更多的泥沙。在碰到弯道或者是障碍物时,水流会由于惯性的作用保持着原来的方向运动,进而增加了对转弯处以及两侧及凹岸的下游段的冲刷。固然某些岸边区域也可能有时浸泡在水中,有时又会裸露在阳光下暴晒,造成了岸边岩石由于热胀冷缩、浪压力、化学反映等因素而风化。造成河道中含有比原来更多的泥沙。由于含沙量较高的泥沙会破坏下游河道的稳定性,使下游的泥沙含量不停的增大,并最后保持稳定。并且,在平原地带的夹沙水流在普通状况下普通会形成一种三角洲。如我国的长江三角洲、珠江三角洲、黄河三角洲等等。在流路改道形成了新的流路之后,河道会随着时间的增加而逐步使淤积抬高并慢慢的延伸,当河槽淤积到了一定程度之后,会使得河床高程高出两岸地面,直到最后改道为止。黄河在近代三角洲上实际已经在行水约年,并且共改道余多次,平均大概每年改道一次图。3.2对下游河道冲淤的影响当水流输沙能力多出河道上游来沙量,水流的程度局限性以让床沙全部的粒径级泥沙起动的时候,床面就会由于选择性的侵蚀而逐步变成粗化层,并随着床面推移质的不平衡慢慢输移,床沙粗化与不平衡输沙是粗化问题互相影响的两个方面。在水流输沙能力多于供水量，并且床面泥沙发生了选择性输移即部分动输或者是分选输移的条件下,比较细的颗粒可能会变成悬移质或者是推移质造成被冲刷而逐步下移,而较粗的颗粒则会留在床面上保持基本不动,使得床面在下切的时候使得构成物质不停的变粗,并且最后形成以不动的粗颗粒为主体粗化的稳定构造,称之为粗化保护层,用来限制河床的持续侵蚀。若是水流强度继续扩大,则可让沙粒粒径范畴慢慢扩大,粗化层中又有以部分相对较细的颗粒以层移质或者是接触质的形式而造成被冲刷下移,并形成一种新的级配更粗的粗化层,始终到出现极限粗化层或者是临界粗层除险的出现。若是此后再增加流量,则颗粒全会被冲走,粗化层则会完全破坏露出下层的原始配床沙,使得床面再一层刷深。在非均匀沙特别是卵石所构成的河流中,粗化层的现象是最为常见的。在上游无泥的沙所补给的状况下,会随着床沙不停沉降,输沙率也会随着粗化过程的发展而慢慢的减少,直到床面会形成粗颗粒保护层,这时输沙率会无限的趋于零,这是由于冲刷粗化的过程中输沙率所变化的正常趋势。由于各颗泥沙所处床面的位置和所受作用的流速的随机性,造成了泥沙的起动和输移会带有一定的随机性,而单位床面上可动的沙粒数和输移的泥沙数也是不一定的,即可动的沙粒数和输移的颗数是一种不拟定的过程,有些生物灭绝的过程，优胜劣汰。而床面的泥沙与水中悬移质是不可分割的一种整体,他们在运动过程中会遵照运动—静止—再运动的运动原则。而在水体流动过程中,会由于流速始终达不到起动速度或在某些细颗粒泥沙会被嵌套或者是淹埋,造成河道有局部性的淤积。若是如果出现在河口,则会引发泥沙的回溯,反而会使的淤积更加的严重。3.3对下游河道生物的影响当河流流速减少的时候,河中悬移质会逐步减少,泥沙在水库中慢慢沉积时,泥沙当中的有机质也会会慢慢沉积在水库中,有机质对于下游的食物链来说有着相称重要的作用,如果失去了这些有机质也就意味着失去了下游的河流生态。因当当悬移质泥沙逐步减少的时候,下游的河床及河岸会被冲刷直至出现出新的平衡。而不管是冲刷减少还是对河床造成影响河岸以及及水滨带,这些都有可能是许多生物体的栖息地。如果没有新的泥沙的补充,沙洲以及其靠之生存的物种及其栖息地都有可能会一同消失。并且,河道下切也会造成地下水位线发生某些变化,对河流廊道植物群落可能会带来的不利的变化。由于泥沙颗粒带有一定的负电荷,而分子间的极性差别则会产生一种互相吸引的作用,造成了泥沙会被一层水薄膜包裹。在某些地方,若水体中含有某些物质,在浓度梯度作用下泥沙会吸附污染物。在水体一定的流动作用下,泥沙会携带污染物并且同时对下游的生物带来不利诸多不利的影响。同时,水体中的细沙则会堵塞和磨损鱼的呼吸系统,影响了鱼类在水体中摄取氧的能力,进而破坏了生物之间的多样性。3.4泥沙防治方法悬浮物浓度在河口浊度最大的重要因素是沉降和冲刷滞后。泥沙细颗粒在运输和沉积过程中沉降速度普通砂慢，因此，悬浮物的浓度不会随水利条件的变化立刻调节。换句话说，在一定时间和地点的悬浮物浓度取决于该位置的上游在之前的水利条件。从地质地貌学的观点来看，流域系统能够划分为流域上部的侵蚀区、中部的泥沙运输区和下部的泥沙沉积区。由于河流上游流域的水土流失受到水流搬运能力的限制，有一部分的泥沙堆积在山前、坡脚、岸边等区域，需要较长时间的来搬运，其它一部分则以悬移质的形式快速向下游地区搬运。除了输送部分沉积物进入海里外，大部分的泥沙则以边滩或心滩的形式沉积在中下游的河湖体系当中。从这里能够看出，流域和河湖体系是一种由“侵蚀→搬运→沉积”构成的动态平衡系统。在这个演化的过程中，河湖系统的流量、地质构造、沉积与搬运条件及整个系统的地质环境等，都是限制这一系统动态平衡的重要因素。河道上游的快速侵蚀将会造成中下游河湖体系的泥沙沉积速度加紧，并对防洪、航运、浇灌引水等带来一系列的问题。例如长江流域的泥沙重要来自于上游，由于滥砍乱伐，植被被破坏，过分的开垦陡坡和荒地，森林覆盖面积大大减少，减少了水源的修养能力。降水就直接形成了地表径流从而加重了河流的泄洪压力，同时也造成了水土流失的严重化。如果河道的宣泄能力不能下泄来自上游的大量水沙，那么河床就会通过其它的方式来重新获取水沙的平衡，要么大量淤积泥沙来抬高河床造成溃口让大量的水沙分流注入低洼的地区方便形成新的湖泊来沉沙，要么通过快速淤积抬高河床上端调节河床的纵向比降来加大水流的携沙能力，使河道形态与上游的水沙来量相适应等。泥沙在整个流域的输移，会造成中下游河段的洪水位抬高、湖泊的面积萎缩，给防洪带来不利的影响。对于泥沙的冲淤，重要的防治方法应当是综合治理，上游、中游、下游联合整治。河道上游的水土流失是河道中泥沙的重要来源，过弱或过强的下泄沙能力都将造成中下游河道的淤积或冲刷。因此，水土保持是解决河流泥沙问题的根本方法。对于中下游河道的局部河段的冲淤，重要能够采用工程加固的方法来加以防治。对于淤积，一是能够通过疏浚来解决，也能够通过适宜的引洪放淤等手段来将泥沙资源化，除害的同时能够兴利，一举多得。对于冲刷，重要能够通过护岸或护底工程加以控制。

四泥沙运动模拟对河道影响二泥沙运动（公式）为了在建模系统中涉及细粒物料的运输和沉积过程，通用模型是通过水流量对对流扩散方程的描述的整合。细颗粒的运移模拟必须平均深度，泥沙过程也必须应用适宜的参数。如在MIKE21模型中，细颗粒（泥）的运输已被列入泥浆输送模块与水动力模块和对流扩散模块，如图