泥沙颗粒基本性质

黄土特性：
（1）矿物成分：主要以石英、长石等稳定矿
物，粒度组分以粉粒为主。同层位的黄土连 续分布在不同高度的坡地、高原、平川等地 貌单元上，符合风力搬运特点。 （2）结构特点：土质疏松、多大孔隙、具湿 陷等特性。多为块状结构，无节理。
三、土壤
土壤是以风化产物和松散堆积物为母质，
经生物和化学作用为主的成土改造作用， 具有植物生长所需的有机质（腐殖层）和 无机质（N、P、K）、微量元素和水分与 孔隙。土壤呈灰色、灰黑色，厚度0.5m～ 2.5m。 （一）、土壤的结构： 土壤剖面成层：表层为腐殖层A层，团粒 ，孔隙；中间是淋溶层 B层，矿物、有机 质淋溶；底层是沉淀层C层。
发生在风化初期。

风化作用
2. 化学风化(chemical weathering)
指岩石在外界条件的影响下，引起化学成分的 改变，产生新的物质的过程。
（1）溶解作用 (solution) 水是一种极性溶剂，岩石中的矿 物都是无机盐， 虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物 溶解度很小， 但很长的地质年代中，水溶解的规模是相当 大的， 况且地表的水常常溶有CO2、NO2以及有机酸等， 这样大大提高了水的溶解能力。
diameter)：停留在D1，通过D2 的平均粒径。相当于等容粒径适用于砾石、沙粒
D a b c / 3
D 3 abc
4、沉降粒径(fall
diameter )：粒径小于 0.1mm。<0.1mm的细沙适用于粉沙、粘土. 如：比重计法、粒径计法、吸管法等。
泥沙颗粒分类：方法很多，结果有差别。
§3 颗粒的个体特性
一、泥沙颗粒的大小——粒径
1、等容粒径（nominal
diameter)：体积相当的球 体直径。适用于卵石以上的较大颗粒 1 1
6V 3 6W D s 3
2、平均粒径：粗颗粒
3、筛分粒径(seive
§2 岩石风化

一、风化作用(weathering)：岩石和矿物在地表环境中，

受物理、化学和生物作用，发生体积破坏和化学成分 变化的过程。 1、物理风化(physical weathering )：指岩石在外力影响下 ，机械地分裂成碎屑，只改变其大小与外形，而不改 变成分的过程。
(1) 温度作用（热胀冷缩） 引起岩石内外胀缩不一致，岩石是 热不良导体。 (2) 结冰作用（冰劈作用） (3) 风和水的磨蚀作用 风沙 磨蚀岩石，使之表面裸露， 加速物 理风化。
土 壤


残 积 层

风 化 壳
硅酸盐矿物全部分解，转变为以次生铁、铝矿物和高岭 基 岩 石粘土矿物为主。如红土

二、黄土成因(research of loess genesis)及黄土演变
黄土（loess)为干寒气候环境的产物，是一种“母岩
”而并不是真正的“土壤”。 黄土物质来源：不是主要来自于沙漠环境，而是来 源青藏高原第四纪冰川和冰缘作用区。 黄土成因有不同的假说: (1) 黄土风成说:是李希霍芬（Von Richthofen(1882年 ））和奥勃鲁契夫在19世纪末叶提出的“低空理论 ”（subaerial theory)，即“风成说”，认为黄土分 布在干早沙漠区的外围，是盛行的西北风或北风刮 起地面的粉尘，并将它们搬出沙漠地带沉积下来， 天长日久形成厚层的黄土。 风成说依据：（1）矿物成分粉粒为主符合风力搬运 特点；（2）结构特点：土质疏松，大孔隙，湿陷性
（四）土壤类型：决定于气候和植被
五：泥沙资源 传统的观点是认为泥沙是有害的； 泥沙迁移造就了广袤富庶的大平原。长江 三角洲、珠江三角洲； 河道有序采砂；采砂量多大合适？ 三峡引航道年淤积砂量200万～1000万方， 如何利用该泥沙资源； 高含沙水流输送、流化床充分燃烧； 黄河下游泥沙淤背工程； 黄河口泥沙淤积使海上采油变为陆上开采 。
不同气候下土壤的形成分析
南方湿热 风化强烈 盐基淋失多 土壤 pH 低 原 生 矿 物 少 ， 且 粘 土 矿 物 以 Ki 值 较 低 的高岭石为主 南方湿热 生物生长旺盛 微生物活动强烈 有机质积累少H/F（胡敏酸与富里酸之比）<0.5 东北地区冷湿 风化不强 盐基淋失少（盐基饱和） pH高 东北地区冷湿 有机质分解慢，积累多，但品质较差， C/N 高 H/F低
细沙
粉沙 粘土
boulders ≥ 256mm cobbles 64~256mm gravel 2~64mm coarse sand 0.5~2.0mm medium sand 0.25~0.5mm 0.05~2.0mm fine sand 0.062~0.25mm silt 0.004~0.062mm 0.005~0.05mm clay ≤ 0.004mm ≤0.005mm
根劈作用(root wedging)
风化作用阶段
碎 屑 残 积 阶 段
钙 质 残 积 阶 段
硅 铝 残 积 阶 段
铁 铝 残 积 阶 段

ห้องสมุดไป่ตู้
1)碎屑残积：物理风化为主，化学成分基本不变。 2）钙质残积类型：因为岩石矿物经化学风化生成的易溶性钾 、钠、钙、镁的氯化物和硫酸盐，受流水作用逐渐淋溶流 失，而碳酸钙相对积累。 3）硅铝化类型 ：岩石中的矿物受长期风化，可溶性氯化物 及硫酸盐遭到强烈淋失，甚至溶解度较小的碳酸钙也被淋 溶，而铝、铁、硅等元素尚有残留。如高岭土 4）铁铝化类型
3. 生物风化( biological weathering
指岩石中的矿物在生物及其分泌物或有机质分解产 物的作用下，进行的机械性破碎和化学分解过程。 生物风化的作用因素是生物及其代谢物发生的风化 是物理和化学风化并存。 微生物、植物根系、动物等，在岩石风化初期主 要是低等生物如细菌、真菌、 地衣等。
水解和碳酸化作用的实质，矿物中的盐基离子被氢离 子取代。
风化作用
（４）氧化作用 (oxidation) ：空气中的氧在有水的条件下，氧 化能力很强。 2FeS2＋2H2O＋7O2 FeSO4＋2H2SO4
湿润的条件下含铁、硫的矿物（含变价元素）普遍地进行着氧
化过程。深色矿物（因含二价铁）容易风化。
（2）水化作用(hydration) 指无水矿物与水结合成 为含水矿物的作用。 CaSO4＋2H2O CaSO4.2H2O 2Fe2O3＋3H2O 2Fe2O3.nH2O 赤铁矿 褐铁矿
风化作用
（３）水解(hyrolysis)和碳酸化作用 水解 2KAlSi3O8＋3H2O Al2Si2O5(OH) ＋ 4SiO2＋2KOH 钾长石 高岭石 碳酸化水解作用 2KAlSi3O8＋CO2＋2H2O AlSi2O5(OH)＋4SiO2＋K2CO3 CO2溶于水时，对碳酸盐的溶解力，较纯水增强几十倍。


（二）、土壤的可蚀性或抗侵蚀性 国外：土壤的可蚀性分为可分离性（detachability)和可 搬运性（transportability)。 国内常用抗侵蚀性：分为抗冲性和抗蚀性。土壤的抗蚀 性系指土壤风、水对土壤的机械破坏。抗蚀性抵抗水对土 粒的分散和径流悬浮的能力。土壤的抗蚀性常用分散率， 侵蚀率和分散系数表示。 土壤的抗蚀能力和土壤机械组成、化学特性、土壤被复 等有关，经研究其与土壤结构的关系极为密切。土壤结构 性愈好，则不是被水浸泡溃解，并能坚强地抵抗雨滴的打 击和径流的冲刷。这是因为土壤结构最主要的特点是它的 稳固性，即不易分裂为小团聚体和机械元素的能力。不稳 定的结构，当其浸入水中或遭受雨打水冲时，很快就分裂 为各自分开的颗粒，而稳定的结构，在水的作用下比较耐 久，完全不被破坏或者仅部分地分裂成为小的团聚体。
（5）卵石磨损。卵石在运动中经常与河
床发生磨檫使卵石的体积、重量和粒径沿 程减小。 （6）某种粒径的“短缺”现象。如瑞士 莱茵河河床质中，有5～100mm的砾卵石， 也有1mm的细沙，但很少存在1～5mm的颗 粒。一种解释认为是岩石崩解作用产生的 某一粒径短缺；另一种认为风化形成后， 在输运过程中细化了。
（三） 气候与土壤（主要决定着成土过程中水热条 件）
水热 ： 一方面影响母质风化过程速度及物质的淋溶； 另一方面控制了植物和微生物的生长决 定了有机质的积累和分解。 气候对土壤性质的影响
(1)对土壤矿物的风化及其组成的影响
(2)对土壤有机质含量和腐殖质组成的影响 (3)对土壤胶体性质的影响 (4)强烈地影响土壤风化和淋溶度。

二、黄土成因
(2)残积说：认为黄土是在干燥气候条件下，由
下伏基岩经风化残积作用形成的，黄土的许多 性质与风化壳的黄土化作用有关。 (3)黄土多成因说:认为黄土是由多种地质作用， 如冲积作用、洪积作用、坡积作用、风积作用 和冰川作用等，在相似的气候条件下逐渐堆积 而成的，其物质来源主要是区内或邻近地区的 早期堆积物和基岩风化碎屑物。 (4)洪积说： 李明光多次赴黄土高原、青藏高原 、西北等地考察。认为欧亚板块和印度板块相 碰撞，释放出巨大能量，产生多次灾变性洪水 ，洪水从西北向东南方向漫滋，带来大量黄土 物质，形成巨厚的黄土沉积并抬升，由于气候 干燥黄土得以保存。
第一章：水流、泥沙的基本性质
泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力
、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的 固体颗粒碎屑（钱宁、1983）。粒径大小可 差数十~数万倍。粒径大小一般变化在 0.001~100.0mm 。Pm2.5 和Pm10 本章主要内容：河道水流基本特性、单颗粒 泥沙特性；群体泥沙颗粒特性；泥沙沉速； 含沙水体（浑水）特性。
粒径小于0.1mm颗粒的分析方法比较复杂，
原因有（1）细小颗粒由于盐类及水化膜中 离子作用常常粘聚在一起，形成集合体， 使粒径增大，细粒减少；（2）不能直接分 出所要区分的粒组，必须经过简单换算。

D＝2－φ
或 log 2 D
美国地球物理学会 漂石 卵石 砾石 粗沙 中沙
中国 水文 ≥ 200mm 20~200mm 2~20mm
二、颗粒形状
（1）圆度
(roundess) 。颗 粒棱和角的尖锐 程度。圆度相等 的颗粒，形状可 能不同。如图。 圆度相等，形状 不同。 （2）表面结构 ：显微镜下观测的
颗粒表面细微形状 。
（3）球度（sphericity)wadell于1932年
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100
100 80 60 40 20 0 100 -20 10 1 0.1 小于%
zk1-2 zk2-2 小于% zk3-2 zk4-2 zk5-2
粒径(mm) 10 1 0.1 0.01 zk12-2
zk13-2 zk14-2 zk15-2 zk16-2
§1 河道水流基本特性
1、河道水流的二相性：液相-水（连续介质
）和固相-沙（非连续介质的颗粒群体）。两 相流理论。 2、河道水流的三维性：河道断面不规则， 顺直段很短，宽深比小，尤其是山区河流。 3、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间 变化；河床处于不断的变化中。 4、河道水流的非均匀性： 5、不平衡输沙；
越大，物化
作用就越大。
1
定义：与颗粒同体积的球体直径和颗粒外 接球直径之比。Ф=1/a*(6V/3.14)0.333
Dn (abc)1 3 bc 1 6V ( 2 )1 3 ( )1 3 a a a a
(4)形状可用形状系数SF(shape
factor)
表示 泥沙颗粒形状最初取决于岩石母质和风化 作用，随后在输运过程中受物理、化学和 生物作用不断改变形状，一般是其圆度增 加的过程。
粒径(mm) 0.01

赣江下游河床质钻孔资料分析结果：10-20mm粒组缺乏

§2-3 泥沙的几何特性
四、比表面积
（1）定义——泥沙颗粒的表面积与其体积之比。
D 6 e 3 D / 6 D
2
（2）比表面积的意义
颗粒越小，比表面积越大； 反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对大小，其值