第2章　山丘区暴雨洪水特性

2.1　山丘区河流特性

2.1.1　山丘区河流的定义

河流作为输送流域中水沙产物的通道，按其流经地区的不同，一般可以分为山丘区河流和平原河流两大类型。对于较大的河流，其上游段多为山丘区河流，而其下游段多为平原河流，位于上游段和下游段之间的中游段，则往往兼有山丘区河流和平原河流的特性。对于较小的河流，其本身的上游段、中游段和下游段可能均位于山丘区，也可能均位于平原区。

山丘区河流不仅指穿行于崇山峻岭中的河流，而且也包括浅山区、丘陵地区，甚至高原地区的河流。关于山丘区河流的定义，不同学者持不同的观点，有学者认为河床由粗颗粒床沙组成，河床坡度为0.5％～5％，水深与床沙代表粒径之比在10以下的河道都属山丘区河流。钱宁等把冲积锥和冰水沉积平原上的卵石河流归诸于山丘区河流。也有学者从地貌学上划分，即首先从山地的地理地带性、垂直性和水平地带性关系进行划分，确定山地和划定山地的区域；其次，关于地貌类型的划分，裘善文等将相对高度大于200m、绝对高度大于800m的区域作为山地；有的学者以相对高度大于100m、绝对高度大于500m的区域作为山地。以上观点都阐述了山丘区河流的一些特点，有注重水力学机理的，也有注重现象的，但都不完善。山丘区河流与平原河流的划分是一个复杂的问题，应从其地貌特点、形成机制、水文水力学条件及演变情况等各方面来综合考虑，有些河段还会随其河道边界及水文条件变化而发生改变，如受水利工程影响的上下游河段。

无论山区河流如何划分，一般的山丘区河流都具有以下特性：一是山丘区河流基本都位于地形起伏较大、沟壑发达的重山区，在地壳运动或长期水流侵蚀作用下共同形成，河道比降较大，河床组成较粗；二是水流条件受河道边界约束强烈，自然演变过程中河床变形幅度和速度较慢；三是河道沿程具有明显跌水、深槽等形态特征；四是河漫滩不发育，两岸往往存在明显阶地，溪沟入汇处一般有一至多级冲积扇；五是除深切河曲外，整体走向一般比较顺直。其与由冲积作用形成的平原河流主要区别在于，平原河流以淤高为主，山丘区河流以下切为主；山丘区河流河床变形速度和变形幅度较平原河流要小得多；另外山丘区河流中推移质在造床过程中所起作用更大。

2.1.2　河道边界特性

山丘区河流流经地势高峻、地形复杂的地区，河谷的形成一方面与地壳构造运动密切相关，另一方面受水流侵蚀作用的影响。水流在由构造运动所形成的原始地形上不断侵蚀，这种侵蚀表现为水流对组成河床岩石的动力磨损和侵蚀作用。虽然两者都进行得极为缓慢，但山丘区河流的河床就是这样在漫长的历史过程中，经过水流不断纵向切割和横向拓宽而逐步发展形成的。山丘区河道的平面形态一般沿程宽窄相间，岸线极不规则，急弯、卡口、突嘴很多，整体呈“藕节”状，河床多由砾卵石或砂卵石组成，在溪沟汇入处，常有大量砂石淤积在溪口，形成扇形冲积体。

2.1.2.1　河床纵剖面

山丘区河流沿程多为开阔段与峡谷段相间，平面形态极为复杂，岸线极不规则。山丘区河流一般都经历过不同的构造运动，河段有的岩石破碎，有的岩石完整，有的岩性坚硬，有的岩性比较软弱。水流冲蚀作用，会形成选择性冲刷，造成山丘区河道纵断面形态极不规则，急滩深潭上下交错，常出现台阶形，或呈“锯齿”状，存在一系列折点。河床起伏较大，沿程急滩缓流相间，并可在局部河段形成倒坡，在落差集中处，往往形成陡坡跌水甚至瀑布，如图2.1所示。

2.1.2.2　横断面

山丘区河流发育过程一般均以下切为主。在峡谷河段，河道横断面多呈V形[图2.2（a）]，岸坡陡峭，常有孤石突出或礁石林立，无河漫滩，是河谷发育时间较短的表现；在宽谷段或丘陵地段，河床横断面多呈U形[图2.2（b）]，岸坡一般较缓，有发育的阶地，江心有洲滩，是河谷发育较为成熟的表现。在陡峻的地形约束下，河床切割甚深，河槽狭窄，中水河床与洪水河床之间有明显的分界线；对于不存在卵石边滩的河谷，枯水河床和中水河床之间无明显的分界线，河床的宽深比一般远小于100，某些峡谷河段仅为10～20。峡谷河段的宽深比多随水深增加而减小，非峡谷河段随水深变化不大。断面形态变化就其规律性来讲，与河流走向和岩石走向间的相关关系密切，如河流流向平行于岩石走向，则河道断面一般较宽、河道顺直，流态也较稳定；否则容易形成锯齿状河床和乱流。

2.1.2.3　阶地

河流阶地是河谷中沿河分布的阶梯式地形（图2.3），阶地实际上是被河流遗弃的老河漫滩。阶地的形成主要是由于气候变迁、局部地质变化或上下游河道侵蚀基面的间歇性变化引起的。如某河段侵蚀基面突然下降，对上游某一河段来说，当溯源侵蚀达到这个河段以后就形成了阶地。

山丘区河流由于比降陡、流速大、含沙量不饱和，有利于河床向冲刷变形方面发展，但是河床多由基岩和卵石组成，抗冲性能强，冲刷受到抑制。因此，尽管山丘区河道从长时期来看是不断下切展宽的，但从短时段来看这种变形却是十分缓慢，甚至可以认为是基本不变的。只是在某些河段，由于特殊的边界、水流条件，可能发生大幅度的暂时性的淤积和冲刷。山丘区河道演变的另外一个特点是：易受突然而强烈的外界因素影响而产生河床的显著变形，例如地震、山崩、大滑坡等，能在极短的时间内将河道堵塞，在其上下游形成壅水和跌水，剧烈地改变水流河床状况；又如山洪暴发时，从支流溪沟倾泻而下的泥石流，携带大量巨石，堆积溪口，形成冲积扇，侵占河身，甚至全部堵塞河槽，引起水流河床的一系列变化。

2.1.3　水文泥沙特性

2.1.3.1　水文

受地理和气象条件影响，山丘区河流的流量与水位变幅极大，较大的山丘区河流洪水流量往往是枯水流量的100倍或数百倍；较小的山丘区河流甚至超过1000倍。洪枯水位之差视河流大小而不同，由数米到数十米不等。山丘区河流坡陡流急，集流散流过程迅速，水位-流量变幅大，水流挟沙能力变化急剧，径流模数大，汇流时间较短，洪水暴涨暴落，暴雨与洪水往往同时发生，但一般洪水持续时间不长；水位-流量变差、洪枯流量变差随流域集雨面积增加而减小，总体上具有3个明显特点：①洪峰暴涨暴落，洪水过程“尖瘦”（图2.4）；②流量与水位变幅很大；③中水历时不长，基本没有稳定的中水期。另外，受河床形态及水流条件影响，山丘区河流水面比降一般都较大，且沿程分布极不均匀，绝大部分落差集中在局部河段。河床上存在急弯、石梁、卡口等滩险，水流的流态受河床形态的影响十分紊乱，常有回水、旋涡、跌水、水跃、横流等出现。

2.1.3.2　泥沙

山丘区河流河谷狭窄弯曲，两岸地质构造发育，岩石风化破碎，构成河床的床沙多为砾石、卵石夹沙物质，颗粒粗、级配分布宽。这种宽级配床沙中的一部分在水流作用下沿床面滑动、滚动或在近床面跃移而形成推移质。这种卵石宽级配推移质输移具有与一般沙质推移质不同的输沙特性，其输沙率与水流强度、来沙特性和床沙组成之间相互反馈、错综复杂。

山丘区河流的泥沙含有冲泻质、悬移质和推移质，其年内分配主要集中在汛期，全年的沙量几乎决定于几次洪峰。悬移质含沙量视地区而异，在岩石风化不严重或植被较好的地区，含沙量较小；在岩石风化严重或植被较差的地区，含沙量很大。洪水期由于坡面径流大，侵蚀强烈，所以含沙量大而粒径细；枯水期则相反，含沙量小而粒径粗，不少山丘区河流枯水时完全变为清水。山丘区河流悬移质大多是中细沙和黏土，由于比降及流速大，一般处于不饱和状态，可以全部视为冲泻质。山丘区河流的推移质多为卵石和推沙，一般在洪水期流速大时才能启动输移；运动形式呈间歇式，因此推移质输沙量并不大。山洪暴发时水流冲蚀作用强，易形成山体滑坡、泥石流等自然灾害，可造成个别场次洪水含沙量极大，床面卵石也开始移动，因此，山丘区河道同量级的洪水来沙量变差较大。