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在上一篇《泥沙受力分析》中，我们重新定义了冲刷、淤积等概念，这样的定义不单是为了下一步分析更方便，而是为了让下一步的分析更合理，更科学。 在上一篇中，我们清楚了诸如河水的“携沙能力”，“冲淤平衡”，高含沙量（细沙）河水能够“裹挟”大颗粒泥沙，都是错误的概念。 “泥沙起动公式”在实践中有其参考价值，但是由于床构质的不同，泥沙起动公式中的起动力就不同，决定了你这个公式不能是“通用公式”，仅仅能算是“经验公式”，目前世界上有几十种这样的公式，而每条河道、河道中的每段、甚至每个断面的上下层，泥沙间的牵扯力都不尽相同，你用多少“泥沙起动公式”也无法描述完。 许多人研究过“河床的演变规律”，在我看来，大家都没有谈到“根”上。河道的演变规律的“根”就在泥沙“受力”上，现在大家知道了“每个泥沙颗粒”的受力情况，河道的演变规律就容易找到了，下面我们就来谈一谈这个问题。不过，在谈河道演变规律之前，我们首先要清楚《河道中泥沙颗粒的分布》规律。 常常看到大家在文章中说：“一般的河床都是呈下凹形态”，但为什么是下凹形态，我没有见到有人解释。我说，“冲淤平衡”是个错误的、或者说是没有多大意义的理论，大家看完我这篇文章，就会更清楚了。 河道中泥沙在河水的作用下，呈现不同的运动状态，较大的颗粒堆积在大比降区域，较小的颗粒在比降比较小的区域淤积，这就是河水对泥沙的筛选作用。对于这个现象，我们早已经看清，但为什么会是这样，我们一直没有从理论上做过详细解释。下面根据我们对泥沙受力的分析，来解释河道中泥沙为什么是这样分布，原来的认识有哪些失误。 1、河道的纵剖面 对于所有塑造冲积平原的河流来讲，由上至下，随着比降的减小，流速的降低，游离质的颗粒逐渐变小，而且大小（比重、外形）相同泥沙颗粒，会堆积到相同的比降区，对于这个推论，我们用试验来证明会很容易。 制作一个如图—1的玻璃水槽，在注水口处加入流量不变的清水， 然后在水槽注水口一端（缓慢）加入泥沙，观察泥沙的分布情况。试验中，流量的控制比  图--1 流速控制更容易，并且按流量不变进行讨论更为方便，所以我们在试验时保持注水口的流量不变。 假如我们制作的水槽特别光滑，与水槽中的泥沙相比，其绝对粗糙度很小，阻力很小，可以忽略不计，水槽中的阻力可以看成是由泥沙淤积后形成床面产生。随着泥沙在水槽底部淤积，床面延伸，水槽中的总阻力系数增加，流速逐渐降低，水流推动泥沙的力量减小，最终泥沙颗粒会全部停止，而注水口会被泥沙淤满，我们称这种状态为水槽处于容沙量的“饱和状态”。 1.1等粒径的河床 如果注入的泥沙颗粒完全一样，接近饱和时，表层中每个泥沙颗粒都是以推移质形式运动，停止时所受的力就应该一样，所对应的水流速度必然一样，无论根据什么公式，每个颗粒所对应的比降一样，所以它们构成的床面是一条直线，我们称这条直线为“饱和比降线”，见图—2。假如注水口的高度不变，则饱和  比降线固定不变，泥沙颗粒只能在饱和比降线以下堆积，这个区域我们称其为“饱和比降区”。 如果更换不同大小颗粒，重复做以上实验，水槽会按不同的比降被泥沙堆满。绘制出来的饱和比降线如图—3所示。图中，每一种颗粒对应一条饱和比降线，  图--3 每条饱和比降线以下，都是这种颗粒的饱和比降区。饱和比降越大，对应的颗粒越大，饱和比降区越小。 过小的颗粒会从水槽的出口随水溜走，永远也无法填满水槽。假如水槽无限长，没有蒸发与渗漏，再小的颗粒也会堆满水槽，形成自己的饱和比降线，构成自己的饱和比降区。 1.2粒径不等的河床 将大小不一的泥沙颗粒，（比如取大、中、小三种颗粒）按一定的比例混合在一起做实验。 首先可以肯定，各种颗粒都无法超越自己的饱和比降线，只能沉淀在自己的饱和比降区。其中最大的颗粒首先沉淀，在注水口附近抢占自己的比降区。小一级或小几级的颗粒虽然也会在注水口附近暂时淤积，但在水的搅动下，大部分被大颗粒挤走，继续向下移动，虽然会有少许颗粒停留在大颗粒的饱和比降区内，填充大颗粒之间的空间，但总体上，从水槽的注水口一端到出水口一端，泥沙颗粒是从大到小排列。 因为大颗粒进入饱和时的流速大于中小颗粒进入饱和时的速度，所以试验时，无论怎样调整泥沙的比例，总是最大的颗粒先进入饱和。此时，停止加入泥沙，继续注入清水，待床面泥沙颗粒全部停止运动后，再停止注水，大、中、小颗粒都会形成自己的“堆积区”。 最大的颗粒形成的床面就是自己的饱和比降线的一部分，小颗粒停止时的速度与它饱和时的速度相同，即小颗粒停止时的比降与其饱和时的速度相同，所以它形成的床面与其自身的饱和比降线平行，此时水槽中泥沙形成的床面如图—4所示。  图--4 1.3自然河道的河床 一般的自然河水中，颗粒越大，所占的比例越小，假如我们按此调整泥沙颗粒的比例，重复做上述实验。同样，最大的颗粒首先在自己的堆积区内沉淀，小一级的颗粒也会在此区内堆积。大颗粒堆积区中有小一级，或小几级的颗粒。当水槽中的最大泥沙进入饱和状态后，停止加入泥沙，最后泥沙构成的床面会由大到小，顺序排列，各类泥沙所形成的比降线，都与自身的饱和比降线平行。由于从上至下比降逐渐减小，所以河床总体上呈现为下凹形态，这就是冲击平原的塑造河流的河床都是下凹形的基本原理。见图—5.。  图—5 调整泥沙颗粒大小的比例，可以调整河床中不同比降区的大小，即图中每段比降线的长短。哪种颗粒所占的比例越大，其对应的比降线长度相应的就长。由于大颗粒堆积的高度大于小颗粒的堆积高度，相同比例的大颗粒所对应的比降线就短，小颗粒对应的比降线就长，所以不是其比降线长，其颗粒的比例的就大。 自然河床的情况与此试验类似，谷口可以看成试验中的注水口。只不过，随着泥沙的淤积，谷口的高度会相应的抬高。另外，自然河流中泥沙颗粒的直径散乱不等，应有尽有，不能象试验那样可以挑选，使得每种颗粒的直径完全一样，河流床面不是象图—4那样的折线，而是下凹的平滑曲线。 另外，在河流中（包括实验室的试验时）河水作用于每个泥沙颗粒的瞬时速度并不可能完全一样，其作用力就不会一样，加上颗粒之间的碰撞、阻拦，致使在河道中的每段，泥沙颗粒都是大小混杂，颗粒之间的大小能相差几十倍，甚至上千倍，大颗粒中间总是要掺杂大量的小颗粒。所以在上述试验中，要求泥沙进入饱和时，要先停止加入泥沙，长时间注入清水（可以把大颗粒夹杂的下颗粒尽量多的冲刷出来），才能看出结果。 对于黄河下游来讲，小浪底水库的出水口可以看成是试验中的注水口，这里的“水位”基本不变。在这个前提下，根据1960年3000m^3/s套绘的河床纵向图（见图—6）。从图中可以看出，黄河的河床也成下凹形态。把黄河饱和比降线套绘到图—6中，（见图—7）。  图—6  图—7 从图中可以看到，花园口的比降约为2个万分点，而陶城埠河床的底部已经接近2的饱和比降线。依据上面的分析，此时在花园口河底的推移质，只能移动到陶城埠附近，在3000m^3/s流量以下，永远不会再向下游移动。同样当时鉄谢以上的河床比降已经超过4，而花园口的河床已经高于饱和比降线4，所以当时鉄谢河底的推移质，在同等的流量以下，永远也不会移动到花园口。 2. 泥沙在河道中纵向分布 自然的河流，河水的流速总是由小变大，由大变小不断变化，河道中的泥沙也有从床构质→→悬移质→→床构质这样消长变换，其中的魔手就是水流对河床的作用力，外在的表现是河水的流速。 冲积平原的塑造河流河床是下凹形状，上段的比降总是大于下段，由上至下，河水的流速逐渐减小，河道中较小的颗粒会以悬移质形态快速移动到下游，甚至进入大海才能完全沉积。而较大的颗粒，随着河水速度的减小，逐渐由悬移质转变为推移质，推移质转变为游离质，最终游离质转变为床构质，并以床构质形式停留下来。颗粒越大，停留（淤积）时对应的速度越大，停留得越早。颗粒越小，停留得越晚。若把大海也看成河道的一部分，悬移质最终都将变为游离质，直至床构质。 所以，组成上段河床的床构质颗粒必然大于下段。 3、“狭义河床”与“广义河床” 前面我们讨论河道的泥沙在纵向上的分布时，已经清楚了河道中最大的颗粒总是要首先抢占自己的饱和比降区，把小级别的颗粒挤走，所以颗粒越大，最终所处的位置越低，造成河床的断面从上至下，颗粒越来越大。 自然的河流流量不会一成不变，有时会很大，我们称之为洪峰，有时会很小，甚至断流。流量大，流速也大，能够停留在床面上的游离质颗粒就大，最后形成的床构质颗粒也大。洪峰后，流量减小，流速也小，同一断面的游离质颗粒就小，其形成的床构质也小。最终河床的泥沙颗粒在立面上，由上至下，颗粒越来越大。 由于我们不可能在大洪水期间在河底做河床断面观察，要做河床断面观察，必须等到河道干涸，或在滩地上向下挖掘探坑，在坑壁上观察。见图—8。  图--8 我们知道，当洪峰过后河道就开始淤积。从上次洪峰到现在淤积的泥沙，都在河床的最上边，这层泥沙从上至下，颗粒急剧增大。它的厚度与上次洪峰后河水的泥沙含量有关，含沙量越大，其厚度越大。对于黄河这样含沙量极大的河流来说，其厚度可能达到几十厘米到几米，局部有可能接近十米。而含沙量较小的河流，其厚度就要小的多。当下一次大水到来时，这层泥沙会重新被冲起，绝大部分泥沙颗粒会以悬移质或推移质形式继续向下游移动，只有极少颗粒受到其它颗粒的阻拦，停留下来。像以上我们所说的这样不论是洪水期还是洪水过后任意时期的河床，都叫“广义河床”。这个处于河床表面，在下次（等量）洪水中会重新得到筛选的泥沙层，相当于上次洪峰时的河床上面又覆盖了一层泥沙，我们称其为河床“覆盖层”。 剥开河床覆盖层，再往下的断面中，泥沙颗粒也会逐渐增大，但不会象覆盖层颗粒变化剧烈，也不会象覆盖层那样杂乱。这些泥沙颗粒，就是经过多次大水筛选后，停留在自己堆积区中的泥沙，没有更大的洪水，没有人为的干预，它们会永远停留在河底。假如说，我们能够像试验那样，一直给河流注入等量的清水，将河床上可移动的游离质全部冲走，没有一个悬疑质、推移质颗粒，这时的河床不但没有淤积，而且没有冲刷，这种情况下的河床会保持不变，我们定义它为“狭义河床”。“狭义河床”的实质是去掉了所有覆盖层之后的“广义河床”。 对于泥沙含量极小的河道来讲，由于河床的覆盖层极薄，这种对河床的分类没有太大意义，对于黄河这样泥沙含量极高的河道，意义巨大。河道的过洪能力关键是看狭义河床的高度，后面我们还会谈到，河床演变的关键也在于狭义河床。我们总结黄河的河床平均每年抬高100mm，实际上就是狭义河床的抬高。 狭义河床的泥沙，曾得到河水的充分筛选，在河流的强烈筛选过程中，缝隙主要是被水分子占据，其间小颗粒泥沙大部分被冲走、挤走，留在大颗粒堆积区的小颗粒很少，并且颗粒越大，颗粒间的间隙越大，对水的通透性越好。 在黄河有一个特殊现象，由于它上宽下窄，河水进入山东境内的窄深河道以后，流速不但不随着比降的减小而减小，反而加大，按说，进入山东河段的泥沙颗粒应该已经比较小了，此段应该不再淤积才对，为什么山东段还要淤积呢？这个问题主要是由于河口的延伸效应引起，在后面《河床演变规律》中我们再做详细讨论。这里我们仅仅讨论过渡段的狭义河床，以及窄深的山东段狭义河床问题。 要讲清黄河由宽向窄过度河段的狭义河床的情况，还得从广义河床说起。小水时，上下段的河宽相差并不大，流速还是按照比降的减小，逐渐减小，过度段的河床与上游、下游相比并无大的差别，河床如图----10中所示，  图----10 过度段河床 广义河床是一条平滑的曲线。当黄河发生大水时，过渡段河道的宽度越来越小，湿周减小，粗糙率减小，阻力系数减小，流速增大，河水对河床的冲刷能力增逐渐强，河床急剧下切。河道越窄，下切的也越厉害，最终形成图----10所示的狭义河床。正是由于河道由宽变窄，河床的比降有个增大过程，同时从图中也可以看出，也是由于河道由宽变窄，造成窄深河段的上端覆盖层大于下端覆盖层。 假如河口不再向前延伸，河道的阻力仅仅是由于粗糙率增加引起增大。而山东段的狭义河床，不能得到大颗粒泥沙的补充，下切中的河床，其绝对粗糙度不会增加多少，所以每次洪水期间，山东段的（广义）河床冲刷的十分厉害，有时局部竟能接近10米。但是这种冲刷不会永远不停，一直向下冲刷。在达西公式修正一文中我们讲过，随着流速的增加，河底的流沙总量增加，阻力增大，另外，随着河道被冲刷，上段河床的降低比下段降低的量大，必然造成比降降低，这两个因素都会使平均流速下降。另外，对冲刷真正起作用是作用于床面的流速，从实测数据上看，虽然平均流速增加，但随着河水加深，作用于床面上的流速与平均流速相差越来越大，最终作用于泥沙颗粒上的流速会减小。当它小到一定程度，不能将河底小颗粒冲起，冲刷停止，形成狭义河床。 4、横向泥沙分布
无论是狭义河床还是广义河床，在河道中，河心水最深，局部的粗糙率最小，流速最大，滩区水浅，局部粗糙率大，流速小，所以河床的推移质颗粒以河心为界，向两边逐渐减小，河心处颗粒最大。 5、纠正2个错误 错误之一：上段泥沙颗粒与下段的平均大小相差不大，说明在小颗粒“裹挟”作用下，较大的泥沙颗粒同样可以被输送到海。 上一章中，我们从泥沙受力上剖析了“裹挟”作用，说明这是个错误概念，但有人从统计数据上分析，“上段泥沙颗粒与下段的平均大小相差不大”，“证明了”高含沙河水，能够“裹挟”大颗粒泥沙。 从前文的分析可以看出，河床上的泥沙应该是越往下游，颗粒越小。为什么我们在实际测量中，上下游泥沙颗粒的平均粒径相差不大呢？ 我们以前做河道分析时，都是在洪水过后，用5点等多点法取样，此时的样品是覆盖层的泥沙，不论段还是下段，覆盖层上的泥沙颗粒都是小水时淤积下来的，上下游差别并不大，滩地上的泥沙颗粒更是没有区别，多点综合的结果，当然是上下游的泥沙颗粒相差不大。而真正能反应出上下游泥沙颗粒差别，是在狭义河床上，取样应该是洪水期间河心处（主槽内）推移质。所以，依据“广义河床”表面泥沙颗粒的平均粒径相差不大，得出“裹挟”作用可以把较大的泥沙颗粒输送到海，这种推论也是站不住脚的。 错误之二：黄河的淤积抬高是因为黄河没有达到“不淤平衡比降” 对于每个泥沙颗粒来说，在流速一定的情况下，永远也不会越过自己的饱和比降线，只要上游有大颗粒泥沙下来，它就会在河道中淤积。 对于狭义河床来讲，无论是长江、黄河还是渭河，它们都在淤积，根本不存在什么“不淤平衡”。比如，一场洪水中，将1000m3的粗沙冲走，却带来了1000m3的鹅卵石，从表面上看，冲走泥沙的量与淤积鹅卵石的量是一样的，从外观上看，好像是“冲淤平衡”，但是，从影响过洪能力上看，却是淤积，冲刷和淤积不平衡。长江、渭河（三门峡没有水库之前）所谓的不淤，是淤积速度很慢，加上广义河床变化剧烈，在短时间内，我们从广义河床上没有觉察出来而已。至于为什们黄河淤积速度快，而长江、原来的渭河淤积的慢，这里不单单是黄河的泥沙量太大问题，还有其他原因。另外，渭河在三门峡水库蓄水后，为什么如此快速淤积？这些问题将在下一章《河床演变规律》中再做详细分析。 2012年12月5日星期三 改 |
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