河流泥沙運動

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更新時間: 2013-09-10

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河流中泥沙在水流作用下產生的各種運動。泥沙按其在水流中的運動狀態,分為推移質和懸移質。推移質指受拖曳力作用沿河床滾動、滑動或跳躍前進的泥沙;懸移質指受重力作用和水流紊動作用懸浮於水中隨水流前進的泥沙。在一定水流條件下,這兩種泥沙可以互相轉化。

河流泥沙運動 -河流泥沙運動
河流泥沙運動 -正文
 
泥沙運動模型說明
泥沙運動模型說明
  河流中泥沙在水流作用下產生的各種運動。泥沙按其在水流中的運動狀態,分為推移質和懸移質。推移質指受拖曳力作用沿河床滾動、滑動或跳躍前進的泥沙;懸移質指受重力作用和水流紊動作用懸浮於水中隨水流前進的泥沙。在一定水流條件下,這兩種泥沙可以互相轉化。
  泥沙的起動  指泥沙在一定水流條件下由靜止轉入運動。促使水平河床上的泥沙顆粒起動的力有上舉力和推移力等。顆粒抗拒起動的力有重力、顆粒間的摩擦力和物理化學作用引起的粘結力等。當起動的力大於抗拒起動的力時,泥沙便由靜止轉入運動。泥沙起動的水流條件用起動流速或起動拖曳力表示。起動流速指泥沙由靜止到起動的臨界狀態下的沿斷面或垂線的平均流速。起動拖曳力指泥沙處於起動臨界狀態下的床面剪切力。無粘性均勻沙起動流速與泥沙粒徑成正比,粘性細泥沙起動流速與粒徑成反比。研究斜坡上粘性沙的起動,還需要考慮床面傾斜。
  沙波運動  當流速超過起動流速一定程度,推移質運動達到一定規模時,河床表面形成起伏的沙波。沙波運動是推移質運動的主要形態。沙波由波峰、波谷和波高等組成(見圖)。相鄰兩波峰(或波谷)之間的長度稱為波長,波峰與波谷之間的垂直距離稱為波高。天然河道上沙波的尺度大小很不一致。最小的沙波叫沙紋,波高約1~2厘米,波長約幾厘米至十幾厘米。中等尺度的沙波叫沙壠,波高由不足 1米到2~3米,波長由幾米到100米以上。最大的沙波叫沙丘,波高一般在幾米,波長可達數百米。天然河道上的沙波運動主要指沙壠運動。沙波表面附近的水流速度分佈很不均勻,波谷處最小,波峰處最大。水流越過波峰以後,常常發生分離現象,產生水平軸向的迴流,使沙波表面附近的流速成為負值。這樣的流態使沙波迎流面成為沖刷區,背流面成為淤積區,綜合作用結果使整個沙波向下游爬行。天然河道中沙波運動總是落後於水流運動。沙波的運動速度還沒有理想的計算公式。   懸移質含沙量沿垂線的分佈  一般近水面含沙量小,隨水深而增大。懸移質沿垂線分佈的理論大致分兩類:①擴散理論,認為在沖淤平衡情況下單位時間內通過紊動擴散作用(見水流的紊動混合),自下而上穿過單位水平截面積的懸移質數量應與下降的沙量相等。擴散理論用於細粒泥沙一般效果較好。②重力理論,認為水流使泥沙顆粒懸浮,需要做功,稱為懸浮功。因此渾水水流的能量應等於克服流動的阻力所消耗的能量與懸浮功之和。重力理論適用於較粗的泥沙。
  水流挾沙力  指在一定的水流和一定的河床物質組成條件下水流所能挾帶的泥沙數量,即水流挾帶泥沙的能力。當水流挾帶的泥沙量超過挾沙能力時,河段將發生淤積,反之發生沖刷。水流挾沙力是分析河流淤積、沖刷或平衡的重要依據。水流挾沙力分為推移質挾沙力和懸移質挾沙力兩類。水流挾沙力可用飽和含沙量表示,也可用輸沙平衡條件下的輸沙率表示。
  推求輸沙平衡條件下的河床單寬(單位寬度)推移質輸沙率的途徑有三:①由於影響推移質輸沙率大小的主要水力因素是流速或拖曳力,尤其是流速,從而建立流速或拖曳力與推移質輸沙率之間的關係;②水流能量中除一部分消耗於克服河床阻力外,另一部分則用以輸移底沙,根據能量平衡觀點,建立水流功率與推移質輸沙率之間的關係;③假定推移質運動是一種偶然現象,應用數理統計法,建立推移質輸沙率公式。
  輸沙平衡條件下的懸移質輸沙率可根據含沙量沿垂線的分佈規律,建立計算公式。推移質輸沙率和懸移質輸沙率之和稱為全沙輸沙率。
  高含沙水流  指含沙量達到每立方米數百千克以至1000千克以上的水流。黃河支流皇甫川河口斷面1953~1971年,日平均含沙量超過500千克/米3達109天,超過800千克/米3達33天,超過1000千克/米3達6天,最大日平均含沙量為1310千克/米3
  高含沙水流有兩種流態。一種是高強度的紊流,發生在比降大、流速高的情況,那裡水流洶湧,大尺度和小尺度紊動都得到比較充分的發展。另一種流態發生在比降小、流速低的情況,水流十分平緩,有時水面呈現幾毫米至1~2厘米的清水層,清水層下為濃稠的泥漿。水流中保持著強度低而尺度大的漩渦,近似層流。高含沙紊流挾沙能力特別大,因為群體沉降速度遠比單粒泥沙的低,紊動作用強烈。高含沙水流含沙量的沿垂線分佈和橫向分佈遠比一般挾沙水流均勻。
  當高含沙水流進入下遊河段流速變緩時,往往造成大量淤積。在黃河中游干支流上,還時常出現因高含沙水流引起揭河底和漿河現象。揭河底現象指大片沉積物從河床掀起,有的露出水面,然後坍落、破碎、被水流帶走。這樣強烈的沖刷在幾小時到幾十小時內,可使河床降低 1米至近10米,造成沖刷性的河床突變。這種河床突變多發生在汛期頭幾天較大洪水的漲峰過程或峰頂時。漿河現象指當水流能量不足以繼續帶動所挾帶的泥沙前進時,一河泥漿驟然停止,造成淤積性質的河床突變。兩種現象都嚴重影響防洪。高含沙水流是泥沙研究中的一個特殊而又重要的課題。
  參考書目
 錢寧、萬兆惠同著:《泥沙運動力學》,科學出版社,北京,1983。
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