水文学7第七章 河流泥沙

（三）悬移质运动 悬移质是泥沙运动的主要方式 之一。 之一。冲积平原河流所挟带的泥 沙中,悬移质占绝大部分, 沙中,悬移质占绝大部分,有些山 区河流悬移质也可占很大比重. 区河流悬移质也可占很大比重.紊 动和重力作用是主要因素. 动和重力作用是主要因素.
1.悬移质的分布与变化 1.悬移质的分布与变化 悬移质含沙量沿垂线的分布具有自 水面向河底增加的趋势。 水面向河底增加的趋势。泥沙的粒径也是 近河底的较大，向上逐渐变小。 近河底的较大，向上逐渐变小。同一条河 流，洪水期由于来自流域表面的细沙较多， 洪水期由于来自流域表面的细沙较多， 故含沙量沿垂线分布较均匀，枯水期， 故含沙量沿垂线分布较均匀，枯水期，流 域来沙少，河中粗粒较多， 域来沙少，河中粗粒较多，分布就较不均 匀。
• 推移质泥沙尽管其相对数量不多，但因其 颗粒较粗，对水利工程的危害极大。如在 解决水库淤积问题中，处理推移质泥沙的 难度往往要比处理悬移质大得多。因此对 于推移质运动的观测与研究，同样是需要 重视的。
二、河流泥沙的表示
含沙量：河水中泥沙的含量，单位为 • （一）含沙量：河水中泥沙的含量，单位为 （一）含沙量 kg／m3。 kg／m3。 • （二）输沙率：指单位时间内通过一定过水 （二）输沙率 输沙率：指单位时间内通过一定过水 断面的泥沙总量。单位为kg／ 断面的泥沙总量。单位为kg／s 或 t／s 。 • （三）输沙量：指在一定时段内通过一定过 （三）输沙量 输沙量：指在一定时段内通过一定过 水断面的泥沙总量。单位为 t 或万t 。 或万t • （四）侵蚀模数：是指每km2流域面积上，每 （四）侵蚀模数 侵蚀模数：是指每km2流域面积上，每 年被侵蚀并汇入河流的泥沙重量，单位为t 年被侵蚀并汇入河流的泥沙重量，单位为t／ （km2·a） km2·a）
• • • •
（一）层状侵蚀（片蚀） （二）沟状侵蚀（沟蚀） （三）陷穴侵蚀 （四）滑坡
二、河槽冲刷
• （一）河底冲刷 • （二）河岸冲刷 • 河道水流在奔向下游的过程中，沿程要不断地冲刷当地河 床和河岸，以补充水流挟沙之不足。从上游河槽冲刷而来 的这部分泥沙，随同流域地表侵蚀而来的泥沙一道，构成 河流输移泥沙的总体，除部分可能沉积到水库、湖泊或下 游河道之外，大部分将远泻千里而入海。
Hale Waihona Puke • 泥沙沉速是河流泥沙的重要特性之一。 在许多情况下，它反映着泥沙在与水流 相互作用时对运动的抗拒能力。在同样 水流条件下，水流中的泥沙沉速越大， 则泥沙发生沉降的倾向越大；河床上的 泥沙沉速越大，则泥沙参与运动的倾向 越小。因此，在河流泥沙研究与河道演 变分析中，与泥沙沉速无关的课题是很 少的。
2.群体泥沙的推移运动 2.群体泥沙的推移运动 河流推移质运动达到一定规模时， 河流推移质运动达到一定规模时， 河床表面便逐渐形成外形与风成 沙丘类似的起伏的水下沙波， 沙丘类似的起伏的水下沙波，称 沙波运动。 沙波运动。沙波运动是推移质群 体运动的一种主要形式， 体运动的一种主要形式，也是构 成河床地形的基本单位。 成河床地形的基本单位。
3.推移质输沙率 3.推移质输沙率 天然河道的推移质输沙能力用推移 质输沙率表示。 质输沙率表示。推移质输沙率是指单 位时间内通过河槽单宽的推移质数量， 位时间内通过河槽单宽的推移质数量， 其单位为kg/m·s kg/m·s或 /m·s。 其单位为kg/m·s或m3/m·s。如果上 游推移质来量小于本河段推移质输沙 率，就形成冲刷；反之，则发生淤积。 就形成冲刷；反之，则发生淤积。 研究输沙率的规律，判断河槽的冲淤。 研究输沙率的规律，判断河槽的冲淤。
第七章 河流泥沙
定义
随河水运动和组成河床的松散 固体颗粒，叫做泥沙。随水流 运动的泥沙，又称固体径流。
河流泥沙是重要的水文现象之一。河流泥 沙对于河流水情及河流的变迁有着重要的 影响，防洪、航运、灌溉、发电、港口码 头等水利工程的建设都必须考虑河流泥沙 问题。
第七章 河流泥沙
• • • • • • 第一节 河流泥沙的来源 第二节 河流泥沙的特性 第三节 河流泥沙的分类和表示方法 第四节 河流泥沙的运动 第五节 河流的总输沙量 第六节 影响河流泥沙数量的因素
• 2.悬移质 2.悬移质 • 是指随水流浮游前进的泥沙。这种泥沙的 运动，有赖于水流中的紊动涡旋所挟持， 在整个水体空间里自由运动，时而上升， 时而下降，其运动状态具有随机性质，其 运动速度与水流基本相同。
• 实践经验告诉我们，天然河流中运动的两 类泥沙，从数量上说来，推移质相对较少， 悬移质相对较多，山区河流则更为如此。 一般说来，冲积平原河流携带的悬移质数 量，往往为推移质的数十倍、数百倍甚至 数千倍。
泥沙沉速的基本公式为： 泥沙沉速的基本公式为：
式中， 分别为泥沙和水的密度； 式中，ρs及ρ分别为泥沙和水的密度；g 为重力加速度； 为阻力系数， 为重力加速度；cD为阻力系数，阻力系数 与流态有关。 与流态有关。
（二）推移质运动 1.单颗泥沙的推移运动 1.单颗泥沙的推移运动 泥沙的起动条件: 泥沙的起动条件:在分析河槽的冲刷特性 必须先弄清泥沙的起动条件。据观察， 时，必须先弄清泥沙的起动条件。据观察， 颗粒大的泥沙或砾石，在起动时， 颗粒大的泥沙或砾石，在起动时，常常是单 粒地滑动或滚动； 粒地滑动或滚动；颗粒较细的泥沙在起动时 往往是成片滚动或跃动。 往往是成片滚动或跃动。
当下沉速度达某一极限值时, 当下沉速度达某一极限值时,阻 力与重力恰好相等, 力与重力恰好相等,则泥沙以均匀速 度下沉, 度下沉,这时泥沙的运动速度称为泥 沙的沉降速度(ω,cm/s). (ω,cm/s).沉降速度可 沙的沉降速度(ω,cm/s).沉降速度可 表达泥沙直径的大小， 表达泥沙直径的大小，故沉降速度也 称泥沙的水力粗度。 称泥沙的水力粗度。影响因素有泥沙 颗粒直径d,泥沙容重r d,泥沙容重 颗粒直径d,泥沙容重rs,水流的紊动 强度等。 强度等。
• 泥沙的组成常用粒配曲线表示。即通 过沙样颗粒分析，求出其中各粒径级 泥沙的重量及小于某粒径泥沙的总重 量，算出小于某粒径的泥沙占总沙样 的重量百分数，在半对数纸上绘制泥 沙粒配曲线。
• 据此粒配曲线，可反映沙样粒径的粗细及 其组成的均匀性。如图所示，Ⅰ、Ⅱ两组 沙样相比较，沙样Ⅰ的组成要粗些、均匀 些；沙样Ⅱ的组成要细些、不均匀些。
• 一个重要结论（艾里定律）： 艾里定律） 艾里定律 • 推移质的启动重量与水流速度的六次方成 正比。 正比。 • 该定律阐明了泥沙冲刷及运动的许多现象。 该定律阐明了泥沙冲刷及运动的许多现象。 如果平原河流与山区河流流速之比为1∶ ， 如果平原河流与山区河流流速之比为 ∶4， 则被推移的泥沙颗粒的启动重量比将是 1:46，即1:4096。 ， 。
• 对于较细颗粒的泥沙，实际工作中， 通常采取筛分析法或沉降分析法求其 粒径。筛析法的作法是，将孔径不同 的公制标准筛，按孔径上大下小原则 叠置在一起，放在振动机上，将沙样 倒在最上一级筛上，把经振动后恰通 过的筛孔孔径作为该颗粒的粒径，并 称此粒径为筛径。 • 采用沉降法求粒径的原理是，通过测 量沙粒在静水中的沉降速度，按照粒 径与沉速的关系式反算出粒径。
二、重力特性
三、沉降特性
• 泥沙因其容重较水为大，在水中必然往下 沉降。泥沙的沉降特性是指，泥沙在水中 下沉时的状态及其沉降速度。泥沙沉速的 定义为，泥沙在静止的清水中等速下沉时 的速度。泥沙沉速常用符号ω表示，单位 cm/s。
• 对于泥沙来说，虽然其颗粒形状与球 体不同，但其沉降的物理特性理应一 致。因此，上面球体的沉速公式应该 同样适用于泥沙。只是由于泥沙的形 状不规则，阻力系数Cd应该较球体略 大。
• （1）悬移质含沙量沿垂线的分布 ） • 有自水面向河底增加的趋势，泥 有自水面向河底增加的趋势， 沙的粒径也是近河底的较大， 沙的粒径也是近河底的较大，向 上逐渐变小。 上逐渐变小。这是由于河水的紊 动能量由下向上逐渐减小所致。 动能量由下向上逐渐减小所致。
• 不同粒径的悬沙垂线上分布均匀性不同， 不同粒径的悬沙垂线上分布均匀性不同， 颗粒越细，垂线分布越均匀， 颗粒越细，垂线分布越均匀，越粗则越 不均匀。 不均匀。 • 一般说，同一条河流，洪水期由于来自 一般说，同一条河流， 流域表面的细沙较多， 流域表面的细沙较多，故含沙量沿垂线 分布较均匀，枯水期，流域来沙少， 分布较均匀，枯水期，流域来沙少，河 中粗粒较多，分布就较不均匀。 中粗粒较多，分布就较不均匀。
起动流速: 起动流速:泥沙原来在河床上是静止不 动的， 动的，如果接近河底的水流速度增加到一 定数值时， 定数值时，作用于泥沙颗粒的力开始失去 平衡，泥沙便开始起动，这时的临界流速 平衡，泥沙便开始起动， 称为起动流速（Vc）。泥沙的起动标帜着 称为起动流速（Vc）。泥沙的起动标帜着 ）。 河床冲刷的开始， 河床冲刷的开始，即起动流速是河床不受 冲刷的最大流速，又称允许流速。 冲刷的最大流速，又称允许流速。
第二节 河流泥沙的特性
• 一、几何特性 • 二、重力特性 • 三、沉降特性
一、几何特性
• 泥沙的几何特性指泥沙颗粒的形状、粒径及其组 成。泥沙的形状棱角峥嵘、极不规则，常可近似 地视为球体或椭球体。
• 泥沙粒径的求法：对于较大颗粒的卵 石、砾石，可以通过称重求其等容粒 径。所谓等容粒径，就是体积V与泥沙 颗粒体积相等的球体的直径，即 d=(6V/π)1/3 。或者，通过量出颗粒的 长轴a、中轴b、短轴c，算其几何平均 粒径 d=，这实际上是将泥沙颗粒视为 椭球体而求得的椭球体的等容粒径。
第三节 河流泥沙的分类和表示方法
• 一、河流泥沙的分类 • 二、河流泥沙的表示
一、河流泥沙的分类
• （一）按泥沙粒径大小分 • 河流泥沙组成的粒径变幅很大，粗细之间相差可 达千百万倍。我国《土工试验规程》将泥沙粒径 按大小分类如下图所示。
• 1994年，水利部颁发的《河流泥沙颗粒分析规程》，规定 河流泥沙按下表分类。可见，河流泥沙又可以分为泥、沙、 石三大类，其中粘粒、粉沙属泥类；沙粒属沙类；砾石、 卵石、漂石属石类。