3.3　河流纵横断面

3.3.1　河流横断面

垂直于水流方向的断面称为横断面，简称断面，其一般形状如图3.7所示。枯水期水流流经部分称为基本河床或主槽；洪水期才会被水流淹没部分称为洪水河床或滩地。断面内有水流流经的部分称为过水断面，过水断面面积大小随水位和断面形态而变。任意一条河流，从上游至下游，有无数多个横断面，各个横断面的形状各异，且受冲淤变化影响。

3.3.1.1　横断面类型

河流的横断面是河流的平面形态与水流长期相互作用、相互影响的结果，在顺直河段、弯曲河段与河流上下游河段，都有其特定的横断面形态。按照水力特性常将河流横断面分为单式断面与复式断面两类。

滩地，又称河漫滩，是由河流横向迁移和洪水漫溢的沉积作用形成。平原区河流的滩地比较发育。由于横向环流作用，V形河谷展宽，冲积物组成浅滩。浅滩加宽，枯水期大片露出水面成为雏形滩地。之后洪水携带的物质不断沉积，形成滩地。滩地沉积多具有二元结构，下部是河床相沉积，上部为滩地相沉积。滩地的主要类型有：①河曲型滩地，发育于弯曲型河段，常在凸岸堆积为滨河床沙坝、迂回扇等；②汊道型滩地，为在汊道型河段中形成的浅滩及其附属的沙坝、沙嘴等；③堰堤型滩地，发育于较顺直河段，形成天然堤；④平行鬃岗型滩地，为堰堤型滩地与河曲型或汊道型滩地的过渡类型，表现为一系列平行鬃岗系统，鬃岗之间为浅沟、洼地或湖泊。

1.单式断面

只有主槽而无滩地的断面为单式断面，河流的水面宽度随水位的变化是连续的或渐变的，如图3.7所示。其中图3.7（a）是窄深断面，一般山区河流的上游顺直段多属此类断面；图3.7（b）为近似抛物线形的单式断面，河流中下游的顺直河段多属此类断面。单式断面的河床相对比较稳定，河槽为单一的冲淤变化，水位与断面各项要素（水面宽、过水断面面积、水力半径等）间为单一的连续变化的关系。

2.复式断面

既有主槽又有滩地的断面称为复式断面，河槽水面宽随水位的变化有突变，如图3.7所示。其中，图3.7（c）主槽偏向一侧，此类断面多出现在河流的弯曲段；图3.7（d）为主槽居中，两边有近于对称的较宽滩地，滩地两边均有人工河堤，此类断面多为人工排水河道或人工运河。复式断面洪枯水位相差悬殊，河床处于不稳定状态。水位与各水力要素间的关系呈不连续变化。特别是主槽与滩地部分水力条件悬殊较大，在河道流量演算时，应考虑高低水位时演算参数的差异。

3.3.1.2　水面横比降与横向环流

1.水面横比降

由于地球自转及河道弯曲离心力的作用，河道横断面的水面并非完全水平，河道水流除向下游流动外，还存在垂直主流方向的横向流动，一般用水面横比降表示。水面横比降指左右岸水面的高程差与相应断面的河宽之比。水面横比降产生的原因有两个：一是地球自转所产生的偏转力；二是河流弯道离心力。地球自转所产生的偏转力是主要原因。

地球自转所产生的偏转力垂直于物体运动的方向，物体的运动在其作用下发生偏转。在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。地球上的河道水流也不例外。地转偏向力方向指向右岸，计算公式为

式中：Fc为地转偏向力；m为运动水流的质量；ac为水流的加速度；为水流平均流速；w为地球自转角速度；φ为运动水流所在的纬度。

北半球的河流在地转偏向力的影响下，河道中的水流向右岸流动，造成过水断面上右岸的水面高于左岸的水面，形成横比降。在横比降的作用下形成超压力，方向指向左岸。超压力正比于横比降Jc，即：

式中：Jc为超压力；G为运动水流的重量；其余符号意义同前。

2.横向环流

在地转偏向力和超压力的作用下，河流表层的水流将向右岸流动，底层的水向左岸流动，它们构成一个横向环流。它与河轴垂直，表层横向水流与底层横向水流的方向恰好相反，在过水断面上它们的投影构成一个封闭的环流。实际上，横向环流与纵向水流结合起来，成为江河中常见的螺旋流。这种螺旋流使平原河道的凹岸受到淤积，形成浅滩，直接影响取水口位置的选取。

河流上述情况造成的横向环流，使水流不仅具有下切的能力，还有侧向侵蚀的能力，这对认识河流地貌的形成与河流治理具有重要意义［1］。

3.3.2　河流纵断面

1.纵断面特征

纵断面表示河槽或水位纵向坡度变化特征。纵断面图可通过实地测绘或在地形图上量算后绘制，如图3.8所示。

河流纵断面的特征可用落差、比降表示。任意河段两端的高差称为落差，单位河长的落差称为比降。常用的河流比降有水面比降与河底比降。河流沿程各河段的比降不同，一般从上游向下游逐渐减小。水面比降一般随水位而变化，河底比降则较稳定。当河段纵断面近于直线时，其比降用式（3.8）计算：

式中：J为河段比降；h1，h0分别为河段上、下断面水面或河底高程，m；l为河段长度，m。

当河底高程沿程变化时，在纵断面图上从下断面最低点作一直线，该直线以下的面积与原河底线以下面积相等，直线的斜率即为河道的平均比降，计算公式为

2.水面比降随水位的变化

河流中任一河段的水面比降在洪水期和枯水期截然不同，一般随河段的水流形势和水位的高低而发生变化。这种变化主要受研究河段及其上下游河段纵断面和平面形态的影响。

对于平面形势弯曲的河段，由于河底纵断面起伏较大，造成深浅相间存在，如图3.9所示。在枯水期，流量小，水位低，此时水面比降和河底坡度近于平行，如图3.9（b）中的（b┄b┄b┄b）线。如流量增加，水位升高，由于浅滩上水面比降小，而在深槽处比降增大，在某一水位时将发生直线的水面形态，如图中的（c c c c）线。如流量继续增加，水位继续升高，此时水面纵比降不再受河底起伏的影响，而受河床的平面形势所左右。在某一特定水位时，水位纵断面可形成和图中（b┄b┄b┄b）线相反的形态，如（d d d d）线。

对于平面比较顺势的河段，其水面比降随水位高低变化的情况，主要取决于上下游河段情况。如研究河段的下游坡度较陡，则研究河段的水面比降随水位的上升而加大；反之，如研究河段较陡，而下游坡度较缓，则研究河段的水面比降随水位的上升而变缓。如研究河段为一平面上的收缩段，则河段的水面比降随水位的上升而变陡。若研究河段下游有石梁或急滩，则低水时比降小、高水时比降大，当急滩淹没时，其比降趋于常数。