关于河流泥沙运动介绍

[拼音]：heliu nisha yundong

[外文]：sediment transport

河流中泥沙在水流作用下产生的各种运动。泥沙按其在水流中的运动状态，分为推移质和悬移质。推移质指受拖曳力作用沿河床滚动、滑动或跳跃前进的泥沙；悬移质指受重力作用和水流紊动作用悬浮于水中随水流前进的泥沙。在一定水流条件下，这两种泥沙可以互相转化。

指泥沙在一定水流条件下由静止转入运动。促使水平河床上的泥沙颗粒起动的力有上举力和推移力等。颗粒抗拒起动的力有重力、颗粒间的摩擦力和物理化学作用引起的粘结力等。当起动的力大于抗拒起动的力时，泥沙便由静止转入运动。泥沙起动的水流条件用起动流速或起动拖曳力表示。起动流速指泥沙由静止到起动的临界状态下的沿断面或垂线的平均流速。起动拖曳力指泥沙处于起动临界状态下的床面剪切力。无粘性均匀沙起动流速与泥沙粒径成正比，粘性细泥沙起动流速与粒径成反比。研究斜坡上粘性沙的起动，还需要考虑床面倾斜。

当流速超过起动流速一定程度，推移质运动达到一定规模时，河床表面形成起伏的沙波。沙波运动是推移质运动的主要形态。沙波由波峰、波谷和波高等组成(见图)。相邻两波峰(或波谷)之间的长度称为波长，波峰与波谷之间的垂直距离称为波高。天然河道上沙波的尺度大小很不一致。最小的沙波叫沙纹，波高约1～2厘米，波长约几厘米至十几厘米。中等尺度的沙波叫沙垅，波高由不足 1米到2～3米，波长由几米到100米以上。最大的沙波叫沙丘，波高一般在几米，波长可达数百米。天然河道上的沙波运动主要指沙垅运动。沙波表面附近的水流速度分布很不均匀，波谷处最小，波峰处最大。水流越过波峰以后，常常发生分离现象，产生水平轴向的回流，使沙波表面附近的流速成为负值。这样的流态使沙波迎流面成为冲刷区，背流面成为淤积区，综合作用结果使整个沙波向下游爬行。天然河道中沙波运动总是落后于水流运动。沙波的运动速度还没有理想的计算公式。

一般近水面含沙量小，随水深而增大。悬移质沿垂线分布的理论大致分两类：

（1）扩散理论，认为在冲淤平衡情况下单位时间内通过紊动扩散作用（见水流的紊动混合），自下而上穿过单位水平截面积的悬移质数量应与下降的沙量相等。扩散理论用于细粒泥沙一般效果较好。

（2）重力理论，认为水流使泥沙颗粒悬浮，需要做功，称为悬浮功。因此浑水水流的能量应等于克服流动的阻力所消耗的能量与悬浮功之和。重力理论适用于较粗的泥沙。

指在一定的水流和一定的河床物质组成条件下水流所能挟带的泥沙数量，即水流挟带泥沙的能力。当水流挟带的泥沙量超过挟沙能力时，河段将发生淤积，反之发生冲刷。水流挟沙力是分析河流淤积、冲刷或平衡的重要依据。水流挟沙力分为推移质挟沙力和悬移质挟沙力两类。水流挟沙力可用饱和含沙量表示，也可用输沙平衡条件下的输沙率表示。

推求输沙平衡条件下的河床单宽（单位宽度）推移质输沙率的途径有三：

（1）由于影响推移质输沙率大小的主要水力因素是流速或拖曳力，尤其是流速，从而建立流速或拖曳力与推移质输沙率之间的关系；

（2）水流能量中除一部分消耗于克服河床阻力外，另一部分则用以输移底沙，根据能量平衡观点，建立水流功率与推移质输沙率之间的关系；

（3）假定推移质运动是一种偶然现象，应用数理统计法，建立推移质输沙率公式。

输沙平衡条件下的悬移质输沙率可根据含沙量沿垂线的分布规律，建立计算公式。推移质输沙率和悬移质输沙率之和称为全沙输沙率。

指含沙量达到每立方米数百千克以至1000千克以上的水流。黄河支流皇甫川河口断面1953～1971年，日平均含沙量超过500千克/米3达109天，超过800千克/米3达33天，超过1000千克/米3达6天，最大日平均含沙量为1310千克/米3。

高含沙水流有两种流态。一种是高强度的紊流，发生在比降大、流速高的情况，那里水流汹涌，大尺度和小尺度紊动都得到比较充分的发展。另一种流态发生在比降小、流速低的情况，水流十分平缓，有时水面呈现几毫米至1～2厘米的清水层，清水层下为浓稠的泥浆。水流中保持着强度低而尺度大的漩涡，近似层流。高含沙紊流挟沙能力特别大，因为群体沉降速度远比单粒泥沙的低，紊动作用强烈。高含沙水流含沙量的沿垂线分布和横向分布远比一般挟沙水流均匀。

当高含沙水流进入下游河段流速变缓时，往往造成大量淤积。在黄河中游干支流上，还时常出现因高含沙水流引起揭河底和浆河现象。揭河底现象指大片沉积物从河床掀起，有的露出水面，然后坍落、破碎、被水流带走。这样强烈的冲刷在几小时到几十小时内，可使河床降低 1米至近10米，造成冲刷性的河床突变。这种河床突变多发生在汛期头几天较大洪水的涨峰过程或峰顶时。浆河现象指当水流能量不足以继续带动所挟带的泥沙前进时，一河泥浆骤然停止，造成淤积性质的河床突变。两种现象都严重影响防洪。高含沙水流是泥沙研究中的一个特殊而又重要的课题。

参考书目

1. 钱宁、万兆惠同著：《泥沙运动力学》，科学出版社，北京，1983。