浅谈河床演变

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1、浅谈河床演变摘要：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。曲因生果，倒果为因，循环往复，变化无穷，尤其河道上修建各类工程之后，受到建筑物的干扰，河床变化将更为加剧。关键词：河床演变均衡稳定演变类型河床演变是指河床在自然条件下或受人工建筑物影响而发生的变化。这种变化是水流、泥沙与河床相互作用的反映。河流存在两个反馈系统：水流挟带泥沙,泥沙的存在又影响水流结构；水流作用于河床，使河床发生变化，河床形态反过來又影响流速分布。它们相互依存

2、、相互影响又相互制约。水流与河床的相互作用是通过河流屮泥沙的冲刷、搬运和堆积而实现的，泥沙在莫屮起着纽带作用。当流速增加，组成河床的泥沙遭到冲刷，使河床降低或拓宽；当流速减小，水中挟带的泥沙沉积于河床上，使河床抬高或束窄，河床就会发生相应的变化。一、河床演变理论研究进展综述河床演变是一门新兴学科。目前尚无统一理论如何表达河床演变门动调整作用基本原理是河床演变学研究的难题Z-,前人进行了长期艰苦的研究，捉出了很多极值理论和假说，主要研究成果如下：(1)Leopold(1962)提出河流能量沿程均匀分布的最大统计爛理论叫相当于

3、UJ二常数。Leopold最先提出应用统计爛理论来研究河床演变，曲于沿河各段的能量分布受地质地貌条件控制不能沿河口由调整，能量沿程分布不满足构造统计爛的条件，因而河流能量难以达到沿程均匀分布。(2)窦国仁(1964)提出最小河床活动性假说叫在给定的来水来沙和河床边界条件下，不同的河床断面具有不同的稳定性或活动性，而河床在冲淤变化过程屮力求建立活动性最小的断面形态。出于河床活动性指标为经验表达式，难以在理论上阐明，也缺乏实测资料进行严格的验证。(3)Langbein(1964)^出最小方差假说叫随着上游来水来沙条件的变化，当

4、地的水力因子将发生调整以趋于平衡，这种平衡状态对应的是使各水力因子变化的方差达到最小。最小方差假说在理论上符合统计爛的最概然分布定理，但统计方差的变量不明确，各人构造的方差可能互不相同。(4)张海燕(1979)捉出河流系统的最小河流功假说化对于一定的水流量和输沙量，当河道可能有儿种稳定河床形态和坡降时，河床形态将沿河谷坡降进行调整，使河流系统的单位河长河流功最小，表达式为：YQJ二min。由于造床流量Q给定，即最小比降J=min；对于稳定冲积河流，YQJ的值与输沙率Q成止比，即得到最小输沙率Qs=mino但河床演变不仅仅是

5、调整比降，而且认为冲积河流的调整是为了满足输沙率最小，这与冲积河流的输沙相对平衡自动调整作用原理相矛盾。(5)杨志达(1971)提出最小单位河流功理论⑸：对于冲积河道缓流，河道将调整流速、坡降、糙率和河床形态，使输送一定水流量和沙流量的单位河流功率最小，最小值大小取决于河道约束条件，表达式为：YUJ=mino但该公式没冇反映河道输沙对河床演变的影响，月•河流功在物理概念上不明确，冇河道给水流做功之嫌，挟沙水流只能损失自己的能量对运动中的泥沙做功，河床不能对水流做功，河床无能量传递给水流，河床对水流的阻力决定水流能耗的分布和

6、特性。(1)杨志达仃981)为了将最小能耗理论推向挟沙河流，提出输送流量Q和总输沙率Q的最小单位河段总能耗率公式性yQJ+yQJ二min。杨志达没有区分推移质和悬移质泥沙的输移能耗规律的差别，他主要将上式应用于推移质输沙，由于推移质输沙的能量來自于水流，YQJ包含了XQJ,该公式冇重复计算推移质输沙能耗Z嫌。(2)黄万里仃981)提出最大能量消散率理论叫jg》诫必=最大值。他是根据热力学第二定律：孤立系统的爛总是趋向于一个最大值。他不恰当地将孤立系统的爛理论应用于开放系统的河流。(3)Whitc(1982)根据冲积河流有趋

7、向于达到饱和输沙的现象提出最大输沙率假说汽Q尸max。该式只反映河流次饱和输沙的部分特性，而且对于没冇泥沙的水流失效，在数学上，Qs=max和张海燕的公式Qs=min及杨志达的公式YQJ+YSQJ二min相矛盾的。(4)DavisandSutherland(1983)提出最大阻力系数假说⑼。该假说根据水流流经平整床面会出现沙波，并且阻力系数增大的现象而提出，但不能回答动平床和高含沙水流阻力系数减小的问题。(5)徐国兵(2003)利用流体力学的三个基本方程和热力学的吉布斯公式推导流体最小能耗率的公式叫YQJ二min。由于他也

8、是对单位河长积分计算能耗，掩盖了流速，该公式和杨志达等的公式相同，考虑流量Q是水的体积概念，该公式量纲为水平方向力的量纲。从上述研究成果分析可知，河床演变物理量的调整遵循一定的规律，杨志达等对河流最小能耗率理论的研究取得了较大进展，但河床演变不仅仅是调整比降，挟沙水流有努力达到输沙相对平衡的趋势,上述几