河川复原·满岸流量设计模拟器

参数设置

流域面积 A

km²

川宽 W

川深 D

河床坡度 S

m/m

中值粒径 d50

河床材料的代表粒径

曼宁系数 n

自然河川标准值为 0.030～0.060

Rosgen 河型

复原的目标形态

计算结果

—

流积 A_xs (m²)

—

平均流速 V (m/s)

—

满岸流量 Q_bf (m³/s)

—

地区曲线推估 Q_reg (m³/s)

—

宽深比 W/D

—

推荐 Rosgen 型

—

河川断面·泛洪平原 — Rosgen 型可视化

中央为河道，两侧为河岸和泛洪平原。蓝色深度表示流速，黄点为粒径 d50，上部标签为推荐 Rosgen 型。

地区回归曲线 — Q_bf vs 流域面积

Rosgen 型宽深比参考值

理论·主要公式

$$Q_{bf} = \frac{1}{n}\,A_{xs}\,R^{2/3}\,S^{1/2},\qquad \tau_b = \rho\,g\,R\,S$$

曼宁公式的满岸流量 Q_bf 和边界剪切应力 τ_b。n：曼宁粗度系数，A_xs：流积，R：水力半径（=A_xs/P，P=W+2D：湿周），S：河床坡度，ρ=1000 kg/m³，g=9.81 m/s²。

$$Q_{reg} = 2.5\,A^{0.85},\qquad \tau_c = 0.045\,(\rho_s-\rho)\,g\,d_{50}$$

地区回归曲线（Q_reg：m³/s，A：km²）和 Shields 临界剪切应力 τ_c。当τ_b > τ_c 时粒径 d50 移动。本工具采用石英质粒子水中比重ρs−ρ = 1650 kg/m³。

河川复原·满岸流量设计 — Rosgen 分类

🙋

什么是"河川复原"？就是撕掉混凝土护岸恢复原样吗？

🎓

这是其中一部分，但含义更广泛。20世纪的治水工程将许多河川直线化、三面混凝土浇筑，失去了蛇行、泛洪平原等自然特征。河川复原（Stream Restoration）是指恢复河川原本具有的形态（蛇行、瀬淵、泛洪平原）和功能（生态系统、地下水补给、洪水缓冲）的环保工程。美国NRCS、EPA和欧洲水框架指令都在推进这类项目。

🙋

在默认设置中看到"Q_bf=35.9 m³/s"和"Q_reg=69.5 m³/s"，这两个的区别是什么？

🎓

你注意到关键点了。Q_bf是用输入的"川宽12m、水深1.5m、坡度0.5%、曼宁0.04"这个断面，通过曼宁公式计算的流量。而Q_reg是说"流域面积50km²的类似地区，根据过去的观测数据，满岸流量大约是69.5 m³/s"这样的统计值。两者偏差大说明你设计的断面"不够自然"——这里Q_bf只有Q_reg的一半，意味着河道可能被挤得太窄了。

🙋

推荐Rosgen型显示"E"，但我选的是"C"，两者为什么不一样？

🎓

Rosgen分类根据"宽深比W/D"和"坡度"来判断河川的自然形态。默认值W/D=8（12÷1.5）、坡度0.5%，按判定式"W/D<12且坡度<2%"→E型（深窄小溪）就是自然形。但你想要C型（蛇行宽广，W/D≥12）。这是"现状河型是E，目标河型是C"的不匹配——这正是复原设计中常见的陷阱。要改成C型，必须扩大川宽，让W/D≥12。

🙋

河床粒子迁移判定（Shields数）在复原设计中怎么用？

🎓

复原的理想目标是"靠自然之力河床自我调整"，所以选粒径时的原则是让满岸流量时粒子刚好能动。这样既不会河床固结、生态单调，也不会护床材被冲走。Shields数τ*是否超过0.045是关键，本工具的"is mobile"标志就是看这个。比如在山溪复原中用d50=200mm的石块会让τ_c太大、完全不动，这是典型的设计失误。

🙋

最后一个问题：为什么"满岸流量"的重现期是1.5～2年？更大的洪水不是更容易改变河道吗？

🎓

看似矛盾，但河床形态最受支配的其实是"中等流量×足够频率"的组合。100年一遇洪水虽然威力大，但百年才来一次；小流量很频繁但做功很小。两者乘积（做功率×频率）的最大值恰好落在1.5～2年重现期，这就是 Wolman & Miller (1960年)以来"主导流量=满岸流量"的理论依据。所以护岸、粒径、泛洪平原宽度都用这个流量来设计。

常见问题

满岸流量（Bankfull Discharge）是河水面达到两岸河堤顶部，即将溢出至泛洪平原（floodplain）时的流量。按重现期而言，约为1.5～2年一遇的流量，被称为"主导流量（dominant discharge）"，是最能控制河床形态的流量。本工具采用曼宁公式计算：Q = (1/n)·A·R^(2/3)·S^(1/2)。

Rosgen分类（Rosgen 1994/1996）根据坡度、宽深比、蛇行度、河床材料将河川形态分为A～G七种类型及其细分类。常见的有B型（半闭合、中坡度）、C型（蛇行、泛洪平原宽、宽深比≥12）、D型（辫状、砂砾床）、E型（深窄小溪、宽深比<12）。在复原设计中，将"当前人工改造的河川"与"自然形态"进行比较，确定目标河型。

地区回归曲线（Regional Curve）是在实测流域中，通过统计回归分析满岸流量与流域面积的关系式，一般形式为Q_bf = a·A^b（a为地区常数，b≈0.7～0.9）。本工具便于使用采用标准值Q_bf = 2.5·A^0.85（A：km²，Q：m³/s）。实际应用中，地区系数因地区而异差异较大，必须确认对象流域的实测曲线。

Shields数（无量纲剪切应力）τ* = τ/((ρs−ρ)·g·d)超过临界值（砂砾约0.045）时，河床粒子会被水流搬动。本工具通过比较边界剪切应力τ = ρgRS与临界剪切应力τc = 0.045·(ρs−ρ)·g·d50，判定在满岸流量时中值粒径是否移动。"不动=硬河床""移动=活跃河床"，为复原工程的粒径选择提供根据。

实际应用

城市河川自然再生：东京野川、横滨地道川、大阪长居公园调节池等项目从混凝土三面张改为自然形，前提都是这类评估。用地区回归曲线推估满岸流量，按Rosgen型确定目标断面，曼宁n从植被和河床粒径选0.035～0.055，验证计算流量与推估流量的一致性。

美国NRCS/EPA复原项目：美国农务省自然资源保全局和EPA从1990年代起推行基于Rosgen分类的自然河道设计（Natural Channel Design, NCD），在北卡罗来纳州等数百条河川上应用。设计起点是测量"参照流域（reference reach）"的宽深比、蛇行波长、粒径分布，然后转移到目标流域。

山洪防治事业的接轨：山溪复原设计中用本工具计算"不超过自然搬运能力的护床粒径"。若τ_c是τ_b的2倍多，护床不动会固结、生态贫乏；反之τ_c < τ_b则一次出水粒径就被冲走。两者接近是专业设计的诀窍。

鱼道·河川改修事前检讨：涉及鲑鱼、鳟鱼溯河的河川，需要满岸流量时有深度不足0.3m的"瀬"，目标是再现Rosgen C/E型特有的瀬淵结构。本工具通过改变W/D比和坡度，试算瀬的流速和水深，是典型用法。

常见误解与注意事项

最大的陷阱是混淆"满岸流量=计划洪水流量"。满岸流量是重现期1.5～2年的"主导流量"，与治水计划中的50～100年洪水完全不同。Rosgen型判定、粒径选择按满岸流量标准进行，护岸高度、堤防天端高则按计划洪水另行确定。两者混淆会导致"用满岸流量设计的断面去容纳100年洪水"，引起堤防越流等重大事故。

其次是"机械套用Rosgen型会导致河川不自然"。Rosgen分类是北美温带山溪观测建立的经验体系，日本急陡且粒径分布宽的河川直接照搬会有问题，特别是D型（辫状）和F型（深沟）的边界容易模糊。本工具的判定仅作参考，实务中必须进行"参照流域现地调查（reference reach survey）"，做好本地化校准。

最后是误认为"地区回归曲线适用所有流域"。本工具用的 Q_bf = 2.5·A^0.85 是标准系数，但地区常数a因降水量、产流率、地形变化很大。如美国干旱地（西南部）a≈0.5，湿润多雨地（太平洋西北部）a≈8，可相差10倍以上。日本应按国交省流出特性分析或近地观测点实测值进行修正后再用。

河川复原·满岸流量设计 — Rosgen 分类

常见问题

实际应用

常见误解与注意事项

使用指南

具体计算示例

实务中的注意事项