1、河流演变规律及其机理研究- 1 -河道演变规律及其机理研究摘要：我国河流分布广泛，与人们生活和国民经济建设密切相关。河道演变是河流动力学一个重要的研究方向，其相关研究对于整治河道，航运，水利工程，生态保护等方面有着重要的意义。本文从河道演变基本概念入手，对河道演变的影响因素及各种不同天然河道的演变规律进行了比较全面的描述，并对河道整治提出了相关的建议。关键词：河道演变；关键因素；演变规律引言天然河流总是处在不断发展和变化之中，在河道上修建水利工程、治河工程或其他工程后，受建筑物的干扰，河床变化将更为显著。人类在开发利用河流的过程中，要有成效地兴利除弊，必须采取整治措施。要有效地整治河流，必须充
2、分认识河道演变的基本原理及各类河床特殊的演变规律。1.河道演变的基本概念河道演变系指在自然情况下或者在受人工建筑物干扰情况下所发生的变化。这种变化是水流和河床相互作用的结果，河床影响水流结构，水流促使河床变化，两者相互依存，相互制约，经常处于运动和发展的状态之中。水流和床沙的相互作用是以泥沙运动为纽带的。在一种水流的情况下，通过泥沙的淤积使河床升高；在另一种水流的情况下，通过泥沙的冲刷，使河床降低。因此，河道演变的规律是以泥沙运动的规律为基础的。但是，自然河道的演变过程极为复杂，往往不能直接从泥沙运动的基本规律得到充分解释。因此我们必须更进一步对河道演变的基本规律进行探讨，才能解决我们所面临的
3、各种河道演变的预测问题。河道演变的对象有广义和狭义之分。广义的方面在时间应包括河道生成和发展的历史过程，在空间上应包括河道所流经的河谷的各个部分；而狭义的方面只限于近代的、河道本身的变化。河道演变发生演变的根本原因是输沙的不平衡造成的河床变形长期积累的结果。所谓的输沙平衡是对时间或空间的平均情况而言，即使在这种情况下的的输沙平衡，也只是相对的，绝对的输沙平衡在自然界中是不存在的，所以河床总是处在不断发展变化中。2.河道演变的影响因素影响河道演变的因素是极为复杂的，但归结起来，最主要的因素不外乎气象、地质、地理等方面。在研究这些因素最河道演变的影响时应该区别两个问题。一个是河流形成的历史过程，另
4、一个是河流目前的河道演变特性。就河流形成的历史过程来看，其主要作用的动力因素有如下四种：地壳的构造作用、水流作用、冰川作用和风化作用，其中最主要的因素是水流作用，其他因素不能单独创造河道，它们只能在在河道形成过程中配合水流的侵蚀、搬运和堆积作用，对河道产生一定程度的影响。就河道目前的演变特性而言，与河道的形成不同，完全取决于上述动力因素在现阶段的情况。由于冰川作用仅限于部分河流的河源地区，地质构造运动和风化作用进行的异常缓慢，因此在研究河流目前的河道演变特性，可以只着眼于现阶段的水流作用，尤其是水河流演变规律及其机理研究- 2 -流与河床的相互作用。对于任意具体河段，影响水流与河床相互作用的因
5、素主要由以下四点：（1 ）河段的来水量及其变化情况；（2 ）河段的来沙量及其变化情况；（3 ）河段的河谷比降；（4 ）河段的河床地质情况。除此之外，植物复被及人类活动也有一定程度的影响，特别是各种大型水利工程的兴建和水土保持事业的发展，这种影响可以达到相当大的规模。具体这些因素如何对河道演变产生影响，这里不再详述。3.不同地区河流的演变规律河流一般分为山区河流和平原区河流两大类型。对于较大的干流，山区河流多为河流的上游段，而平原河流多为河流的下游段，位于上下游之间的中游段则往往兼具山区河流和平原河流的特性。对于较小的之流，其本身上游段、中游段和下游段可能均位于山区，也可能均位于平原区。山区河流
6、和平原区河流由于自然地理、地质条件的显著差异，其演变过程迥然不同，接下来将分别阐述。3.1 山区河流演变规律山区河流流经地势高峻，地形复杂的山区。其演变过程主要体现为水流在由构造运动所造成的原始地形上不断切削过程。水流的切削作用，亦即侵蚀作用，表现在两个方面，一个是水流对组成河床的岩石的动力磨损作用，另一个是水流对岩石的化蚀作用。山区河流中的水流堆积作用或者完全不存在，或者极为微弱，除了部分由于地壳的上升或下降，海平面的上升，或由气候变化造成的河床径流量的巨大缩减等，能在河段的一小部分形成少量的卵石堆积层外，一般不存在近代的堆积层。由于山区的河流以下切为主，河谷断面往往为发育不全的 V 字形或
7、 U 字形。两岸谷坡陡峻、坡面呈直线或曲线形，在岩层抗冲性能显著不同的条件下，也能形成被称为侵蚀阶地的阶梯形，谷底与谷坡之间常无明显界限。河面比较狭窄，中水河床和洪水河床之间无明显分界线，对于不存在卵石边滩的 U 形河谷，枯水河床和中水河床之间也无明显分界线。河床的宽深比一般都远较 100 为小，某些峡谷河段的宽深比往往仅为 1020，非峡谷河段宽深比多随水深增加而减小，而峡谷河段宽深比则随水深变化不大。山区河流的平面形态极为复杂，两岸与河心常有巨石突出，岸线极为不规则。河床的纵剖面一般比较陡峭，形式也很不规则。由于河底主要由岩石组成，侵蚀作用进行缓慢，除因两岸乱石坠落，或河底卵石堆移以及泥沙
8、的临时性落淤使局部河床略有变化外，河道基本上是稳定的。3.2 平原冲积河流的的演变规律流经冲积平原的河流，虽然由于外在条件的差异，不同河流的不同河段，都有各自的的特点，但是，它们之间也有一些共同点，通过对这些共同点的分析，可以将河段按其河床形式及演变过程进行分类。根据对大量实测资料的分析，可以按平面形式的不同，将平原河流的河段分为四种不同的类型：顺直型河段、蜿蜒型河段、分汊型河段、游荡型河段。河流演变规律及其机理研究- 3 -3.2.1 顺直型河段演变规律从平面上看，这种河段的河身比较直，河槽两侧分布有犬牙交错的边滩和深槽，上下深槽之间常存在较短的过渡段，常称浅滩。顺直型河段深泓线纵剖面特性与
9、蜿蜒型河段相似，沿程起伏相同，但变幅较小。顺直型河段的河相系数 在 1.397.8 之间，变化范围较大，但对同一河段则变化较小。顺直型河段演变的最主要特征是相互交错的边滩向下游移动，与此相应，深槽和浅滩也同步向下游移动。交错边滩向下游移动，可以看成是推移质运动的一种体现形式。根据水流、泥沙的运动特点，边滩头部的流速和推移质输沙率都大于滩尾，故滩头体现为冲刷后退，滩尾则淤积下延，整个边滩向下游缓慢移动。同一河岸，上一边滩滩尾的淤积下延和下一边滩的冲刷后退所引起的两边滩间深槽的变化，则表现为深槽首部淤积，尾部冲刷，整个深槽相应下移。边滩和深槽的下移，使位于其间的浅滩也相应下移。所以顺直河段的演变是
10、通过推移质运动使边滩、深槽和浅滩作为一个整体下移的。至于流量变化对演变的影响，根据水流随流量变化的特点，枯水期浅滩冲刷，深槽淤积，洪水期则浅滩淤积，深槽冲刷。参与这一变化的，除推移质外，还有悬移质中的床沙质。顺直型河段的演变，除体现在边滩下移外，根据河岸土质情况，还可能呈现出周期性变化。当河段河岸抗冲性较强，而由沙粒组成的河床活动性很大，当边滩向下游移动时，两岸可冲刷的河岸被边滩所掩护而停止冲刷。与此相应，前期受边滩掩护的河岸则重新被水流所冲刷。这样经过一段时间后，较长河岸内两岸内都会发生冲刷，河床遂逐渐展宽。当展宽到一定程度后，边滩受水流切割作用而成为江心洲或江心滩。以后随着某一汊的淤塞，江
11、心洲又与河岸相连，岸线向河心推进，河道再一次束窄。此后，展宽与束窄交替出现。3.2.2 蜿蜒型河段演变规律蜿蜒型河段是平原冲积河流最常见的一种河型，比如黄河、长江等都是典型的蜿蜒型河段。从平面上看，蜿蜒型河段是由一系列正反相间的弯道和介乎其间的过度段衔接而成的。弯道的水流受惯性离心力和科里奥利力的作用，凹岸一侧水位恒高于凸岸一侧，这一力学现象决定了弯道水流结构的特点。蜿蜒型河段的演变现象，按其缓急轻重程度，可分为两种情况：一种是经常发生的一般演变，另一种是在特殊条件下发生的突变。一般演变又可分为三方面的变化：平面变化、横向变化、纵向变化。（1 ）平面变化。蜿蜒型河段由于存在横向属沙作用，凹岸的
12、不断崩退，凸岸相应淤长，并且随弯顶向下游蠕动，导致蜿蜒曲折的程度不断加剧，河长增长，曲折系数也随之增大。平面变形时河弯固然不断变化，但各河弯之间过渡段的中间部位则基本不变，只是过渡长短不等而已。（2 ）横向变化。横向变化反映在横断面的变形上，横断面变形主要变现为凹岸崩退和凸岸相应淤长。过渡段两岸也会发生一定程度的冲淤变化，但强度较弱，两岸冲淤面积接近相等，断面形态保持不变。（3 ）纵向变化。蜿蜒型河道的纵向变形为弯道段洪水期的冲刷而枯水期淤积，过度段则相反。年内冲淤变化虽不能的到完全平衡，但就长时间的平均情况而言，基本上是平衡的。蜿蜒型河道的突变包括自然裁弯、撇弯和切滩现象。蜿蜒型河段的发展由
13、于某些原因，使同一岸两个弯道的弯顶崩退，形成急剧河床和狭河流演变规律及其机理研究- 4 -颈。狭颈的起止点相距很近，而水位差较大，如遇水流漫谈，在比降陡、流速大的情况下便可将狭颈冲开，分泄一部分书水流二形成新河。这种现象就是自然裁弯。当河段发展成曲率半径很小的急弯后遇到大的洪水水流弯曲半径远大于河弯曲率半径，这时在主流带与凹岸急弯之间产生回流，使原凹岸急弯淤积。这种突变称为撇弯。撇弯时凹岸是淤积的，有异于弯道演变的一般规律。河弯曲率半径适中，而凸岸边滩延展较宽且较低时，遇到大的洪水，水流弯曲半径大于河弯曲率半径较多，这时凸岸边滩被水流切割而形成串沟，分泄一部分流量，这种突变称为切滩。产生这一现
14、象主要原因是凸岸边滩较低，抗冲能力较差。3.2.3 分汊型河段演变规律分汊型河道是平原冲积河流中一种常见的河型，我国各流域内都存在这种河型，例如黑龙江流域的黑龙江、松花江，长江流域的湘江、汉江等。分汊型河段由于水流和泥沙分股输移，这样的水、沙状况往往是难以稳定的容易引起汊道河段的变化，给国民经济各部门带来一些不利影响。研究分汊型河道演变规律，以便有效进行整治，是一项很重要的工作。单个的分汊河段，其平面形态是上端放宽、下端收缩而中间最宽。中间段可能是两汊，也可以是多汊，各汊之间为江心洲。自分流点至江心洲头为分流区，洲尾至汇流点为汇流区，中间则为分汊段。分汊型河段的演变极为复杂，一般来说，其演变主
15、要表现为沙洲和河道两岸岸线的平面变化，分流分沙比变化，汊内的断面和纵向冲淤等。河道分汊后，如果一岸的抗冲能力较强，另一岸较弱，随着河岸的坍塌后退，则一汊会单向移动，江心洲相应展宽。如果河流在坍塌后退的同时，也向下游发展，则汊道表现为横向摆动与下游的平面变形。如果分流区河岸展宽，则洲头向上游淤长且洲头比较平缓。如果分流区河岸相对稳定，则洲头一般表现为冲退且洲头比较陡峻。主、支汊易道是汊道演变的特点之一，多发生在顺直型分汊河段主要是上游水流动力轴线的摆动，引起分汊河道入口分流分沙的变化，导致主、支汊河道易位。对于弯曲型汊道和鹅头型汊道，有一种演变特点是值得注意的，根据弯道的演变特点主汊的凹岸侧不断
16、冲刷后退，凸岸侧相应淤长，由于主汊的位置不断变动，河道中间的江心洲位置和大小也跟着变化。当主汊道从凹岸侧摆动到凸岸侧，水流切割河道凸岸边滩形成新的汊道，这个新的汊道逐渐发展成主汊时，表示该汊道演变进入一个新的周期。3.2.4 游荡型河段的演变规律游荡型河段在世界各地广泛分布，如南亚的布拉马普特拉河，即雅鲁藏布江下游，我国黄河下游孟津高村段都属于这类河型。游荡型河段河床宽浅散乱，主流摆动不定，河势变化急剧，常给防洪、航运、工农业用水等各部门带来不利影响。从平面形态来看，游荡型河段河身比较顺直，曲折系数一般不大于 1.3.在较长的范围内，往往宽窄相间，类似藕节状。河段内河床宽浅，洲滩密布，汊道交织
17、。河道纵比降陡峻，河相系数 相当大，例如黄河高村段的河相系数可达 1932，个别段达 60。游荡型河道演变规律主要由以下三点：（1 ）多年平均河床逐步抬高。游荡型河道除特殊情况外，其河床主要以淤积为主，因此导致水位抬高。（2 ）年内冲淤变化规律。游荡型河段年内的冲淤变化，一般是汛期主槽冲刷，滩地淤河流演变规律及其机理研究- 5 -积，而非汛期则主槽淤积，滩地崩塌。这一规律与河段的水力、泥沙因素及河道形态有关。（3 ）平面规律变化。在平面变化上，表现为主流摆动不定，主槽位置也相应摆动，且摆幅相当大，导致河势变化剧烈。河流演变规律及其机理研究- 6 -4.结语河道演变是一门复杂的学科，因为河流形式
18、多变，水流特性较为复杂哦，目前很多领域仍然无法做准确的定量分析。但对于河道演变的研究又是相当重要的，在历史上，黄河，淮河的多次改道泛滥给沿河两岸的人民带来了深重的灾难，因此研究河道演变规律对于防洪防涝，保护人民生命财产尤为重要，除此之外在航运、生态、水利等各领域都离不开对河道演变的研究。只有掌握了河道演变的基本原理，我们才能科学地对河道进行人为的干预和改造，比如在在多沙的河道上修建水利枢纽，人为的调节河流的水流和输沙特性；沿河修筑堤坝，植树造林，减少水流对河岸的冲刷作用等。几十年来，我们已经取得了丰硕的成果，黄河的治理，三峡水利枢纽的投入运行都是很好的例子。所以，我们要大力推进河道演变的研究，使其更好地为人类服务。参考文献：【1】张小峰.河流动力学【M】.北京：中国水利水电出版社，2010.【2】张瑞瑾,谢鉴衡,陈文彪.河流动力学【M】.武汉：武汉大学出版社，2007.【3】倪晋仁,马蔼乃.河流动力地貌学【M】.北京：北京大学出版社，1998.【4】戴清.河道演变机理及其成因分析系统探讨【J】.泥沙研究，2007， （5）：54-59.【5】陆仁安,赵振川. 山区河流的河床演变及路基防护设计【J】.铁道工程学报，1990， （1）：153-157.
