浅谈河流泥沙的运动规律

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摘 要：泥沙在河流水流的作用下，有一定的运动形式，沿河底滑动、滚动或跳跃，这种运动形式称为推移质；被水流挟带随水流悬浮前进，这种运动形式称为悬移质。由于天然河道同一河段流速随时间、沿程发生变化，各河断及各时段在流速较小时，细沙也可呈推移质形式运动；而流速增大时，粗砂也可转化为悬移质。因此，实际情况中推移质和悬移质处于不断调整中，情况很是复杂。本文着重讨论了悬移质泥沙的运动规律。由于脉动，不同瞬时或短历时测量的悬移质含沙量就不会稳定，不能反映它的变化趋势，因此，悬移质含沙量等水文要素的测量应持续一段时间，最好大一个脉动周期。

关键词： 河流泥沙；运动；规律；挟沙能力；脉动

中图分类号： 文献标识码：A

1水流的挟沙能力

相对于悬移质和推移质，在水流流动作用下仍停留在河床处于相对静止不动的泥沙称为床沙。在一定水流与河床组成条件下，通常将悬移质中属于床沙部分的饱和含沙量，称为水流挟沙能力。与水流挟沙能力相应的断面平均含沙量可用下式表示：

试中—与水流挟沙能力相应的断面含沙量，kg/m3；

—断面平均流速，m/s；

—断面平均水深，m；

—泥沙沉速，m/s，与泥沙粒径大小和水温有关；

—重力加速度，m/s2；

、—常数，有实测资料推算。

该式属于经验公式且仅适用于天然泥沙。

该式结构特点表明，河流流速大、泥沙颗粒小、水深浅，则挟沙能力强。水流挟沙能力一般指各级颗粒的沙源均为充足条件下的平衡含沙量，并不代表水流的实际含沙量，各级颗粒的沙源不充足会出现非饱和输沙，条件特殊时也会出现超饱和输沙。但是，水流挟沙能力仍是分析河床冲淤或平衡问题的常用概念，当水流挟带的悬移质泥沙超过河段的水流挟沙能力时，这个河段必将发生淤积；反之，则会发生冲刷。

2悬移质的时空分布规律

2.1河流泥沙变化的影响因素

河流从流域挟带泥沙的多少与流域坡度、土壤、植被、季节性气候变化，降雨强度以及人类活动等因素有关。河流泥沙随时间的变化，也就取决于这些因素随时间的不同组合和变化。来源于地势、地形、土壤性质和植被状况等下垫面条件不同的地区河流的洪水，挟带的泥沙将会有显著的差别，多沙河流与少沙河流与流域下垫面状况紧密相关。另外，对于冲积性河流，其承水河床由长期冲积的泥沙构成，水流流经这样的河段，常会挟带或沉积大量泥沙。季节性的气候变化对河流泥沙的变化也有一定的影响。汛前由于降水少，土壤疏松、干燥、抗冲能力差，因此，初夏的暴雨洪水常挟带较多的泥沙，秋末洪水含沙量较少。降雨强度对河流泥沙的影响是：雨强大，则侵蚀能力强，从而使河流挟带的泥沙增多。河流输沙量集中在汛期，而且主要集中在几次大洪水中，其原因也在于此。人类活动使流域产沙条件发生变化。如修建道路、毁林垦荒，将导致河流泥沙增加；而封山育林、开展水土保持，又可减少河流泥沙；修建水库，常会沉积泥沙。这种影响将使河流泥沙发生系统性变化。

2.2泥沙的脉动

脉动是忽大忽小不停波动变化的现象。悬移质泥沙悬浮在水流中，与流速脉动一样，含沙量也存在着脉动现象，而且脉动的强度更大。在水流稳定的情况下，断面内某一点的含沙量是随时变化的，它不仅受流速脉动的影响，而且与泥沙特性等因素有关。由于脉动，不同瞬时或短历时测量的悬移质含沙量就不会稳定，不能反映它的变化趋势，因此，悬移质含沙量等水文要素的测量应持续一段时间，最好大一个脉动周期。

2.3悬移质泥沙的垂直分布

悬移质含沙量在垂线上的分布，一般从水面向河底呈递增趋势。含沙量垂向的变化梯度还随泥沙颗粒粗细的不同而异，颗粒较细的泥沙，其垂直分布也均匀，而对于较粗泥沙，则梯度较大。对于同粒径的泥沙，其垂直分布与流速大小有关，流速大则分布较为均匀，反之，则不均匀。泥沙在水中悬浮依靠水流的紊动，从水流某一点来看，泥沙在水中紊动悬浮是各向平衡的，但从某平面看，重力作用使泥沙不断下沉，向下紊动加重力下沉的泥沙总和就偏大，要维持垂向的泥沙平衡，水流紊动向上扬起的泥沙量就大一些，这只有垂向下部的泥沙分布较大才有可能，这是含沙量在垂线上从水面向河底呈递增趋势的一种认识。某平面向上、向下泥沙输移量的平衡是统计平衡，单颗泥沙悬浮运动的轨迹是十分复杂的。

2.4悬移质泥沙的横向分布

含沙量的横向分布形式与河床性质、断面形状、河道形势、泥沙颗粒以及上游来水情况等多项因素有关。根据水流挟沙能力的概念，由于悬移质泥沙中的冲泻质沉速极小，水流对这种泥沙的挟带能力很强，因此，它的含沙量常处于不饱和状态。其结果是悬移质泥沙中的冲泻质含沙量与水力因素的关系不密切，横向分布均匀。悬移质泥沙中的粗沙含沙量与水力条件有密切关系，流速较大的垂线，挟沙能力较强，流速较小的垂线，挟沙能力较弱。含沙量的横向分布与断面形状和流速的横向变化具有一定相应性。但当含沙量与水力因素关系不密切的冲泻质占悬移质的大部分时，悬移质横向变化常较流速横向变化小。对于卵石河床，其断面比较稳定，形状无大变化，流速一般较大，悬移质的挟沙能力处于不饱和状态，因此，含沙量横向分布比较稳定、均匀。

3河流泥沙运动与泥沙测验的关系

泥沙运动理论可以指导泥沙测验，掌握流域泥沙来源和影响因素可以指导测站布局规划泥沙的测验工作；泥沙季节变化的知识可以指导年度测验部署；泥沙随时间变化的规律可以指导合理的布置泥沙测次和正确掌握测验时机，对泥沙在断面分布及脉动的认识有利于选择测验方法和仪器工具等。所以对泥沙运动规律的研究，在泥沙测验工作中有着十分重要的意义。

作者简介：李东颇（1981-），女，大专学历，工程师，现从事水文水资源管理工作。