淺析河床演變與河道運(yùn)動(dòng)

陳迪輝 唐 杰 劉炳銳（河海大學(xué)，江蘇 南京 210000)

河床在自然條件或人為因素作用下發(fā)生的變化稱為河床演變。河床本身是有自我調(diào)節(jié)作用的，水流的變化與河床的變化會(huì)相互影響，并逐漸趨于平衡。河床形態(tài)與水流和輸沙率有關(guān)，一定的河床形態(tài)有與其相適應(yīng)的水流和輸沙率。

造成河床演變的主要原因是輸沙不平衡。若上游來(lái)沙量大于本河段的輸沙能力，即攜沙量過(guò)大，則多余的沙會(huì)下沉，導(dǎo)致河段淤積，同時(shí)，由于河段淤積，過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，使得河流的流速增大，同時(shí)糙率減小，河段輸沙能力提高，最終等于上游來(lái)沙量，輸沙平衡，淤積停止。反之，若上游來(lái)沙量小于本河段的輸沙能力，即攜沙量過(guò)小，則水流會(huì)從本河段的河床部分?jǐn)y走一部分泥沙，導(dǎo)致河段沖刷，同時(shí)，由于河段沖刷，過(guò)水?dāng)嗝嬖龃螅沟煤恿鞯牧魉贉p小，同時(shí)床沙變粗，糙率增加，河段輸沙能力降低，最終等于上游來(lái)沙量，輸沙平衡，沖刷停止。

然而，對(duì)于河道而言，來(lái)沙量等于河段輸沙能力的平衡狀態(tài)時(shí)的，這主要是由于上游來(lái)沙量的不斷變化和本河段沙波運(yùn)動(dòng)的存在。所謂沙波運(yùn)動(dòng)是一種推移質(zhì)集體輸移的表現(xiàn)形式。沙波是在水流作用下形成，與水流強(qiáng)度有關(guān)。室內(nèi)試驗(yàn)表明：隨著水流強(qiáng)度的不斷增大，沙波尺度的變化過(guò)程大體是由靜平床床面沙粒聚集所形成的波高較小的沙紋，到波長(zhǎng)、波高逐步增大的沙壟，在沙壟達(dá)到最大最高后，隨著水流強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，沙壟逐漸趨于衰亡，并形成所謂的動(dòng)平床。在這一過(guò)程中，波高隨水流強(qiáng)度的變化呈先增后減的基本規(guī)律，但是推移質(zhì)輸沙率與水流強(qiáng)度卻并不是線性相關(guān)的變化規(guī)律。沙波運(yùn)動(dòng)又是推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的外在表現(xiàn)形式，因此沙波運(yùn)動(dòng)的發(fā)生、發(fā)展、消亡的過(guò)程是一個(gè)能反映推移質(zhì)輸沙率變化的過(guò)程。沙波運(yùn)動(dòng)是床沙互相交換的最基本最主要的原因。床沙活動(dòng)交換層厚度隨沙波高度、沙波運(yùn)動(dòng)周期及計(jì)算時(shí)段而變化。來(lái)沙量的變化和沙波運(yùn)動(dòng)的存在使得河段始終處于不平衡的狀態(tài)，即河床演變是永恒的。

影響河床演變的主要因素有來(lái)水情況、來(lái)沙情況、河谷比降及河床形態(tài)。其中，來(lái)水情況、來(lái)沙情況和比降決定水流泥沙條件，反映了輸沙的不平衡，難以人為控制。河床形態(tài)決定了河床條件，可以人為改變。因此，我們?cè)谶M(jìn)行航道整治時(shí)，應(yīng)該從改變河床形態(tài)著手，達(dá)到對(duì)流速、水深等方面的要求。

河床改變的具體表現(xiàn)即為水深h、河寬B 和比降S 的變化。這些因素與來(lái)水來(lái)沙條件、河床地質(zhì)條件之間的函數(shù)關(guān)系稱為河相關(guān)系。河相關(guān)系描述了與來(lái)水來(lái)沙及河床地質(zhì)條件相適應(yīng)的均衡狀態(tài)，是沖積河流水力計(jì)算和河道整治的依據(jù)。

若河床和邊岸的物質(zhì)組成不改變或流域來(lái)水來(lái)沙沒(méi)有多大變化，在準(zhǔn)平衡時(shí)段內(nèi)，河道能夠在河道平面擺動(dòng)和斷面有沖有淤的演變過(guò)程中達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定、平衡的一般形態(tài)，河道的主要幾何尺寸基本不變，此時(shí)稱河流處于平衡狀態(tài)或河流為均衡河道，此狀態(tài)下河寬B、比降S、彎道形態(tài)維持一個(gè)穩(wěn)定的值。上述幾何形態(tài)圍繞一個(gè)平均值不斷波動(dòng)，或水沙輸運(yùn)過(guò)程達(dá)到均衡，在可能的范圍內(nèi)使輸運(yùn)給定的沙量所消耗的水流機(jī)械能最小，此時(shí)可稱河道處于均衡狀態(tài)。而對(duì)于均衡河道的形態(tài)，對(duì)確定易蝕顆粒介質(zhì)M 和河流流量Q 的河段而言，河道演變?yōu)榫夂拥篮蟮暮訉払、水深h 及比降S 均可確定，且不隨時(shí)間變化，而且與河段初始的河寬B0，水深h0 和比降S0 無(wú)關(guān)。

目前均衡河道公式的的推導(dǎo)還尚未解決。對(duì)于一段經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間演變的河道而言，均可認(rèn)為河道處于均衡狀態(tài)。若河段的流量Q 可改變，且有一定范圍，則河道的河寬B、水深h 和比降S 也可由以M、Q為參數(shù)的函數(shù)確定?，F(xiàn)有的公式都是純經(jīng)驗(yàn)得到的，而且理論上不夠嚴(yán)謹(jǐn)，適用范圍也有限，如T.Blench 公式和D.B.Simons and M.L.Albertson 公式。從兩方的公式大致可得到B 與Q 的1/2 成線性關(guān)系，h與Q 的1/3 成線性關(guān)系。

對(duì)于均衡河道的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，考慮均衡河道的運(yùn)輸能力，由于河床上的流動(dòng)假定為二向流，則等速線可視作水平直線，并與河岸等速線相切，如此，總的流動(dòng)就可以分為兩個(gè)部分，一部分在二向河道流動(dòng)，寬度B0，另一個(gè)在以正弦曲線為邊界的河道流動(dòng)。

假定初始彎曲河道的比降為S0，S0 可由公式確定。若一條順直均衡河道已經(jīng)形成且S＜S0，且其中的水流并不穩(wěn)定，極其微小的間斷會(huì)將水流形態(tài)從順直型逐漸改為正弦型，因此一側(cè)河道流速與剪應(yīng)力會(huì)大于臨界值，另一側(cè)會(huì)小于臨界值，因而導(dǎo)致沖刷與淤積，最終將河道改造為正弦形態(tài)，河道開(kāi)始彎曲，彎曲的振幅增大，直到彎曲部分弧長(zhǎng)達(dá)到一定值，S 減小到一定值，使得流速減小無(wú)法再繼續(xù)沖刷河岸。此時(shí)河道振幅達(dá)到最大值，彎曲河道完成最終形態(tài)。但是這并非意味著河道保持不動(dòng)，實(shí)際上河道會(huì)沿著河流前進(jìn)方向移動(dòng)。

綜上，本文從河床演變的原理、影響因素以及均衡河道的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了分析，簡(jiǎn)單敘述了河流運(yùn)動(dòng)與演變的機(jī)理。

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