泥沙对河道的影响分析.docx
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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
本人慎重承诺和声明：
1.本人已认真学习《学位论文作假行为处理办法》（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处理实施细则（试行）》（成理工教发〔2013〕30号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致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要求。
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成，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，本人自行承担相应的后果。
承诺人（学生签名）：
徐伟
2016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，其中包括生物的多样性、坡岸的稳定性和河床的冲刷淤积问题产生一定的影响。
关键词：
泥沙河道生态
Abstract
Thesedimentwidelyexistsinnaturalrivers.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，有一个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，引起大量泥沙输入问题，江河治理的复杂性更严重，并带来危害。
根据20世纪80年代初期统计，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，多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、黄河以及其他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深入的研究。
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
粒径范围/mm
一般特征
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过粒径大小
20—5
5--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--0.25
0.25--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，干时收缩显著；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一般小于63微米。
细颗粒通常存在于河口中上游，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庇护部位的细粒物质。
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改变其在河口的位置。
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到达的区域。
破坏絮凝体的形成关键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个板状结构和负离子电荷，在盐水中，粒子的负电荷吸引带正电荷的阳离子形成周围的颗粒，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。
这是因为在盐水中，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，因为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，速度等特性实际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。
侵蚀动力包括水力，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；流域的抗侵蚀性主要和流域下垫面的特征有关。
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断改变着流域植被，土壤组成，地貌特征等特性，只不过这种改变的时间尺度与侵蚀作用相比往往很大而已。
以下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。
1.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。
它主要发生在干旱和半干旱地区。
风力侵蚀包括吹蚀，磨蚀和吹移几个过程。
风吹地表时产生紊流，使地表物质的结构遭受破坏，并且部分物质吹离原地的过程称之为吹蚀。
磨蚀是指风沙流接近地表迁移时沙粒对地表物质的冲击与摩擦作用。
广大风沙区凡是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前进，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，吹移又有以下形式：
悬移---颗粒半径小于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，凡经过风力吹扬的沙都可以称为侵蚀，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很少的一部分。
纵然如此，风力侵蚀产生的泥沙可能暂时储存在流域中，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.
2.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，地面缺乏植被时，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。
重力侵蚀的主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，块体沿弱结构面整体下滑的现象。
崩坍的陡崖上的土石岩体失去平衡，在自身重力作用下，突然脱离母体坠落的现象。
陡坡上的土石体经过物理与化学风化作用形成碎屑，在自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可以用相差很大。
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，而且侵蚀物质转化为泥沙的速度比较慢。
因为如果只有重力的参与，则坡面物质移动的距离是十分有限的，一般很难达到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，常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能产生的泥沙，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。
不论根据动力作用于地面的强度，频率，分布范围还是产沙贡献，水力侵蚀都是最主要的侵蚀产沙模式。
常见的水蚀形式有面蚀和沟蚀两种。
二河流的功能及演变
2.1河流的功能
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具有活力的部分。
河流的功能是多方面的，传统的功能可以用“除害”和“兴利”两大内容概括：
兴利是以水资源的利用和开发为主要内容，如农业灌溉、城市用水、水利发电、航运等；除害是以防洪除涝为主要内容，如疏通河道、修堤筑坝、挖河导流等。
河流的环境功能主要表现在输沙、水体自净和景观等方面。
河流的生态功能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，河流的功能主要包括：
水利功能、资源功能、环境功能和生态功能四个方面，各功能要素见表2.1。
一级功能
二级功能
功能载体
水利功能
防洪除涝
堤防、护岸、湿地、湖泊沼泽、闸坝等
资源功能
发电、航运、养殖、农业及居民生活用水等
水库、拦水闸、坝及其他水利设施
生态功能
栖息地、气候调节、吸收噪音、空气及水的净化
水体、水面、岸边植被等
环境功能
自净、输沙、景观娱乐、场所及形象功能
河流、水体、滨水公园等
3.2河流的演变
河流系统是一个包含河流水文、河床边界、泥沙、水环境、水生态等在内，多组织组成的复杂系统。
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断改变，并且相互制约和作用。
水沙条件变化后，河流水文、输沙、水力、河床形态等发生相应的改变，从而引起河流环境的变化。
即河流、泥沙和河床之间变现为一个整体联系和相互影响的关系。
自然情况下，水沙过程和河床演变表现出其固有的特性，它们之间维持着一种平衡，河流系统的各项功能，都能适应于这种平衡。
一旦水沙过程被干扰超过一定的限度，就会打破原有的平衡，引起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各种河流地貌形态，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2.1
2.3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组成成分。
在一般情况下，河流决定着洪水的前进方向，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，河流生态系统才逐渐进化，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：
一般洪水、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，引起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降低下游河道稳定性
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。
随着水流强度的逐渐增大，沙垄的尺寸会慢慢的增长，当达到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，河床上常常会有很大的泥沙输移的强度，一般情况下称其为动平床。
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代替。
沙浪与水面波动几乎是一模一样,传播方向也可能为逆行、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情况,河床水流阻力也会变化,主要的原因是由于沙波阻力的所影响的的。
不同的水流会形成不一样的沙波,当水流条件的被改变以后,床面的形态相应变化也会改变。
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,上举力也会逐渐的增大,水的紊动也会增强,水中也会夹带着更多的泥沙。
在遇到弯道或者是障碍物时,水流会因为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。
当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,导致了岸边岩石由于热胀冷缩、浪压力、化学反应等原因而风化。
导致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断的增大,并最终保持稳定。
并且,在平原地带的夹沙水流在一般情况下通常会形成一个三角洲。
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渐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,并且共改道余数次,平均大约每年改道一次图。
3.2对下游河道冲淤的影响
当水流输沙能力多余河道上游来沙量,水流的程度不足以让床沙所有的粒径级泥沙起动的时候,床面就会因为选择性的侵蚀而逐渐变成粗化层,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相互影响的两个方面。
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导致被冲刷而逐渐下移,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组成物质不断的变粗,并且最终形成以不动的粗颗粒为主体粗化的稳定结构,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,则可让沙粒粒径范围慢慢扩大,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导致被冲刷下移,并形成一种新的级配更粗的粗化层,一直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。
在非均匀沙尤其是卵石所组成的河流中,粗化层的现象是最为常见的。
在上游无泥的沙所补给的情况下,会随着床沙不断沉降,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。
因为各颗泥沙所处床面的位置和所受作用的流速的随机性,导致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个不确定的过程,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个整体,他们在运动过程中会遵循运动—静止—再运动的运动原则。
而在水体流动过程中,会因为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,导致河道有局部性的淤积。
若是如果出现在河口,则会引起泥沙的回溯,反而会使的淤积更加的严重。
3.3对下游河道生物的影响
当河流流速降低的时候,河中悬移质会逐渐减少,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当重要的作用,假如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渐减少的时候,下游的河床及河岸会被冲刷直至出现出新的平衡。
而不论是冲刷降低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,河道下切也会导致地下水位线发生一些变化,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,而分子间的极性差异则会产生一种相互吸引的作用,导致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泥沙防治措施
悬浮物浓度在河口浊度最大的主要原因是沉降和冲刷滞后。
泥沙细颗粒在运输和沉积过程中沉降速度一般砂慢，因此，悬浮物的浓度不会随水利条件的改变立刻调整。
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，流域系统可以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，其余一部分则以悬移质的形式迅速向下游地区搬运。
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。
从这里可以看出，流域和河湖体系是一个由“侵蚀→搬运→沉积”组成的动态平衡系统。
在这个演化的过程中，河湖系统的流量、地质结构、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导致中下游河湖体系的泥沙沉积速度加快，并对防洪、航运、灌溉引水等带来一系列的问题。
例如长江流域的泥沙主要来自于上游，由于滥砍乱伐，植被被破坏，过度的开垦陡坡和荒地，森林覆盖面积大大减少，降低了水源的涵养能力。
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他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以便形成新的湖泊来沉沙，要么通过迅速淤积抬高河床上端调整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，主要的防治措施应该是综合治理，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主要来源，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措施。
对于中下游河道的局部河段的冲淤，主要可以采取工程加固的措施来加以防治。
对于淤积，一是可以通过疏浚来处理，也可以通过适当的引洪放淤等手段来将泥沙资源化，除害的同时可以兴利，一举多得。
对于冲刷，主要可以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）
为了在建模系统中包括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当的参数。
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1.2所示
图1.2MIKE21数据流和物理过程
泥浆运输模块中包含的进程尽可能保持通用
该模块包括以下几个过程
*多泥的分数
*多床层
*波流相互作用
*絮凝
*受阻沉降
*一粒砂率
*滑动
*加固层
*简单的形态学运算
上述的可能性覆盖大多数的二维建模情况下。
在特殊情况下的应用程序所需的如模拟高含沙浓度对水流量的影响建模需MIKE3泥浆输送模块。
对流扩散模块
输沙公式是建立在迈克21对流扩散模块，解决所谓的对流扩散方程
公式中符号的意义;
c:
深度平均质量浓度（kg/m3）
u,v:
水深平均流速（m/s）
Dx,Dy:
离散系数（m2/s）
h:
水深（m）
S:
侵蚀期（kg/m3/s）
QL:
排放单位水平面积（m3/s/m2）
CL:
排放浓度（kg/m3）
在多个沉积物级分的情况下，该方程扩展到包括几部分，而沉积和侵蚀过程连接到的级分的数目。
在对流扩散方程使用一个明确的，三阶解决有限差分格式。
该方案是基于已知的最快方案。
该方案已在处理各种论文描述建模，环境建模，涉及其他问题对流扩散方程它拥有比其他几个方案具有明显的优势，特别是它避免了相关的“晃动”，稳定性问题与平流项中央分化,同时它大大降低了数值阻尼，这是这方案的特性向上缠绕方法，该方案它取消了截断误差项由于时间差异达一个一定的顺序，在最快的情况下，通过使用基本方程本身解决问题，侵蚀和沉积方程解很简单而且不需要特殊的数值方法。
泥沙沉降速度和絮凝
细泥沙的沉降速率取决于颗粒,絮状物的大小,悬浮物和有机含量温度，材料浓度。
通常泥沙沉降速度随着泥沙浓度（絮凝）的增加而增加，其沉降速度随浓度增减少而降低。
后者被称为受阻沉降。
继Rijn（1989）咸水中的沉降速度（>5个百分点）即可通过沉降速度公式表示：
其中c
10kg/m3
ws絮体沉降速度（米/秒）
c质量浓度
K,
为系数
取1到2之间
泥沙浓度分布
泥沙浓度分布有两个表达式可以应用，其中是基于一个近似解得到的垂直表达式，沉积过程中沉积通量或表达式假定上下沉积物通量之间的平衡。
其公式
其中
Crc为对流柯朗数
三泥沙运动与淤积模拟
3.1MIKE21
3.2建模过程
3.3模型分析
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