3.2 河床演变原理

在自然条件下，河床总是处于不停地变化和发展之中，这种复杂的演变过程尚不能完全从数学上进行严格的求解，大多数只能进行定性的描述和逻辑的推理。河床演变则是指河道在自然情况下或受到人类活动干扰时所发生的变化，包括河床移位、河床的变形和尺寸的改变等。例如，河床因冲刷而下切，因淤积而抬高；河床一岸冲刷，另一岸淤积而在平面上摆动；河床中各种泥沙淤积物在水流作用下的移动或变形等。

河床演变是水流与河床相互作用的反映，而这种相互作用通过它们之间的泥沙交换来实现。水流与河床间的这种泥沙交换又受紊动水流特征所制约。河底是泥沙交换的场所，若冲刷揪起的颗粒平均数等于沉积到河底的数量，则泥沙交换是平衡的，不会产生单向的河床变形、冲刷或淤积。河床演变是水流与河床这对矛盾自动调整的过程。这种调整是通过河流的输沙能力来实现的。水流的输沙能力是指在一定条件下水流所有输送的泥沙数量，它决定于水流的特性和水流中挟带的泥沙颗粒的性质。

一条河流包括水流与河床两个方面，它们既相互依存，又相互制约。一定的河床形态和河床组成决定了一定的与其相适应的水流条件，又使河床形态和河床组成产生一定的与其相适应的变化，二者的相互依存和斗争，推动着河流经常不断地变化和发展。河道泥沙发生淤积和冲刷的基本原因是由于输沙的不平衡，即上游来沙与河段的水流挟沙能力不相适应时，河床发生变形。例如，当上游的来沙量小于本河段的水流挟沙力时，则来沙量不能满足水流挟沙力要求，因而产生河床冲刷，将河床上泥沙冲起，并带向下游，使本河段河床下降。河床的纵向变形是由于纵向输沙不平衡引起的，河床的横向变形是由横向输沙不平衡引起的。

水流的挟沙力公式表明，水流的输沙能力与流速的高次方成正比。任何一个河段，在一定的水流和泥沙条件下，水流具有一定的输沙能力。如果上游的来沙量与这一输沙能力相适应，则水流处于输沙平衡状态，水流与河床间的泥沙交换将达到平衡，此时河床既不冲刷也不淤积；反之，则水流处于输沙不平衡状态，水流与河床间的泥沙交换不平衡，河床将发生相应的冲淤。当上游来沙量大于水流的输沙能力时，水流中过多的泥沙颗粒逐渐淤积，使河床淤高；当来沙量小于输沙能力时，水流中不足的泥沙数量将逐渐自河底得到补充，使河床冲深。

河道由于输沙不平衡所引起的变形，在一定的条件下，往往朝着使变形停止的方向发展，即河床淤积时，其淤积速度将逐渐减小，直至冲刷停止。这种现象即为河床和水流的“自动调整”作用。在河床冲刷或淤积的发展过程中，通过调整河床组成、水深、比降、河宽，使本河段的水流挟沙力与上游的来沙条件趋于相适应，从而使冲刷或淤积向其停止的方向发展。这符合任何事物都走向其反面的一般规律性。由于上游来水来沙不断变化，河床和水流的相适应性也随时改变，来水来沙条件的改变，将必然引起输沙的不平衡，因而平衡状态只是暂时的、相对的，不平衡性是绝对的，因而河床演变不会停止。