细颗粒泥沙基本特性试验报告 姓名：陶安 学号：21409112 日期：2012-11-13 联系方式：antao1990@https://www.doczj.com/doc/a71416091.html,
一、实验内容 1、环形水槽操作演示 2、分析泥沙粒径特性 3、粒径计管絮凝现象观察 二、基本特性测定的实验方法 1、环形水槽 环形水槽（结构如图1所示）由上、下盘及驱动控制系统三部分组成。下盘为一外径D=150cm、内径D= lO8cm、槽宽21cm、槽深45cm的有机玻璃环槽，上盘为一有机玻璃环片覆盖在下槽水面上，高度可任意调节以控制水深。上、下盘各由一台无级调速电机带动，上下盘相向转动，在切力作用下产生水流。由于水槽的曲率，会出现横向副流，但通过对上下盘转速比的合理调配，可使横向副流降低非常小的程度，从而达到较均匀稳定的流场。另外，在下盘槽壁设有多个取样孔，以便在需要时在不同水深处取得浑水样品，用来测定随时间与水探不同，含沙浓度的变化情况。 与常见的循环水槽相比，环形水槽具有几方面的特点: ①、无流入口和流出口的影响，水槽内所有断面的水流状态是一样的，并相当于一个无限长的水槽，满足细颗粒泥沙在盐水条件下絮凝过程所需时间和漫长沉降距离的要求，水槽运动所形成的水流运动既可以是恒定均匀流，也可以随时间而改变，从而可以模拟相应的潮汐水流运动。 ②、无回水装置和消能设施，不破坏泥沙的絮凝状态，亦即泥沙能在与现场条件相似的絮凝状态下沉降、起动和输移。 ③、实验水槽体积小，操作方便，适用性广，试验水深、水体含沙量、含盐度、水流速度可方便地进行调节。 对于某一流速，占初始悬沙总量一定比值的泥沙总处于悬浮状态，也就是说悬沙浓度和初始浓度的比值是底部切力的函数。根据这一特性，就可通过环形水槽试验得到不同初始含沙量，不同水流条件下泥沙平衡浓度，不淤流速，起动流速，以及泥沙沉速等泥沙水力特性。 利用环形水槽，用各种不同条件的泥沙，水介质等就可分析出不同条件下的不同泥沙的水力特性，分析各种条件下泥沙和淤积量关系。
泥沙运动力学 水力学基础 连续介质：流体是由连续分布的流体质点组成的介质。 粘性力：由于存在内摩擦，一层流体对相对运动的另一层流体产生阻力。 牛顿内摩擦定律：牛顿流体粘性切应力与流体切边率成正比关系。 拉格朗日法：着眼于流体质点，跟随流体质点一起运动，记录流体质点在运动过程中各种物理量随所到位置和时间的变化和规律。 欧拉法：着眼于空间点，把流体物理量表示为时空位置和时间的函数。流体无力量在不同时刻的时空分布。 迹线：流体质点在空间运动时所描绘出来的曲线叫做轨迹。 流线：流线是这样的曲线, 于某一固定时刻，该曲线上各点的速度方向与该点的切线方向一致。 理想流体：不可压缩的、没有粘滞性流体称为理想流体。 连续方程： 不可压缩流体：密度为常数，那么和时间无关。那么 可压缩定常流：变量与时间无关。那么 雷诺数：Re=惯性力/粘性力 弗洛伊德数：Fr=惯性力/重力 伯努利方程： 由于有粘滞力所以总能量一定是逐渐减少的。 泥沙特性 1.泥沙来源 泥沙：在流体中运动或受水流，风力，波浪，冰川以及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑。 泥沙的来源：岩石的风化是泥沙的重要的来源。它包括机械的分离和化学的分解两个方面。 2.泥沙的基本性质 泥沙矿质的组成：长石，石英，云母石，高岭土，氧化铁 泥沙特性 有泥沙颗粒的特性和泥沙群体的特性两种。 泥沙颗粒的特性主要有：①重度，单位体积泥沙颗粒的重量，以千克/米3表示，其数值随泥沙的岩性不同而异，矿物成分主要是石英和长石，泥沙的重度一般约2650千克/米3。②粒径，泥沙颗粒大小的一种量度，有不同方法表示。常用的有等容粒径即体积与泥沙颗粒相等的球体的直径；筛径,即用具有不同孔径的标准筛,对泥沙进行分筛求出的粒径；沉降粒径，即根据粒径与沉降速度的关系算出的粒径等。③沉速，指泥沙颗粒在无边界静水内的沉降速度，以米/秒或毫米/秒表示。它也可作为泥沙颗粒大小的一种量度，故又称泥沙的水力粗度。沉速综合反映颗粒和水的特性，因而是泥沙运动的一个重要参数。④细粒泥沙表面的物理化学性质，主要决定于颗粒表面双电层和吸附水膜的性质。细颗粒泥沙的絮凝（见河口泥沙运动）和分散等现象都与双电层和吸附水膜的结构有关。 0=??+v dt d ρρ0v =?? const p q =++π22
浅谈河流泥沙的运动规律 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 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
藕池(康)站基本持平，其他站偏大8%～36%；湘潭、桃江、桃源、石门和城陵矶各站年输沙量偏大8%～257%，其他站偏小28%～66%。鄱阳湖区各站径流量偏大16%～61%；各站年输沙量偏大8%～101%。与上年度比较，2016年洞庭湖区各站年径流量增大13%～306%；湘潭站年输沙量减小22%，城陵矶站基本持平，其他站增大76%～727%。鄱阳湖区饶河虎山站和修水万家埠站年径流量分别减小19%和11%，梅港站基本持平，其他站增大18%～34%；虎山站年输沙量减小54%，湖口水道湖口站基本持平，其他站增大24%～62%。 2016年三峡水库继续进行175m试验性蓄水，库区淤积泥沙0.334亿t，水库排沙比为21%；2016年丹江口水库库区淤积泥沙50.2万t。2008年9月至2016年12月，重庆主城区河段累积冲刷量为0.1653亿m3。1998年10月至2016年10月，张家洲河段总体冲刷，平滩河槽总冲刷量为1.3527亿m3。2001年8月至2016年10月，澄通河段总体冲刷，总冲刷量为4.3547亿m3。 2016年主要泥沙事件包括长江流域继续实施国家水土保持重点工程，长江干流、主要支流及尾闾河道局部地点发生崩岸。 二、黄河 2016年黄河干流主要水文控制站实测径流量与多年平均值比较，各站偏小24%～72%；与近10年平均值比较，各站偏小22%～52%；与上年度比较，各站减小10%～39%。2016年实测输沙量与多年平均值比较，各站偏小65%～99%；与近10年平均值比较，龙门站偏大21%，兰州站基本持平，其他站偏小29%～91%；与上年度比较，唐乃亥、兰州、龙门和潼关各站增大15%～131%，其他站减小19%～66%。 2016年黄河主要支流水文控制站实测径流量与多年平均值比较，窟野河温家川站基本持平，其他站偏小8%～58%；与近10年平均值比较，皇甫川皇甫、温家川和无定河白家川各站偏大20%～158%，其他站偏小10%～43%；与上年度比较，洮河红旗站基本持平，皇甫、温家川、白家川和延河甘谷驿各站偏大33%～16590%，其他站偏小7%～35%。2016年实测输沙量与多年平均值比较，各站偏小72%～100%；与近10年平均值比较，皇甫、白家川和北洛河头各站偏大6%～89%，其他站偏小14%～100%；与上年度比较，温家川站减小99%，洮河红旗站基本持平，皇甫站从近似0增加至0.073亿t，其他站增大89%～955%。 2015年10月至2016年10月，内蒙古河段石嘴山站和巴彦高勒站断面略有淤积，三湖河口站和头道拐站断面略有冲刷；下游河道除艾山至泺口河段略有淤积外，其他河段均表现为冲刷，总冲刷量0.507亿m3。2016年黄河下游全年引水量109.4亿m3，引沙量1001万t。 2015年10月至2016年10月，三门峡水库总体表现为淤积，总淤积量为0.614亿m3；小浪底水库总体表现为淤积，总淤积量为1.324亿m3。 三、淮河 2016年淮河流域主要水文控制站实测径流量与多年平均值比较，淮河干流息县站和鲁台子站基本持平，干流蚌埠站偏大6%，颍河阜阳站和沂河临沂站均偏小78%；与近10年平均值比较，阜阳站和临沂站分别偏小65%和69%，其他站偏大26%～32%；与上年度比较，蚌埠站基本持平，阜阳站减小27%，其他站增大13%～647%。 2016年淮河流域主要水文控制站实测输沙量与多年平均值比较，各站偏小42%～100%；与近10年平均值比较，阜阳站和临沂站分别偏小98%和近100%，干流各站偏大31%～132%；与上年度比较，息县站和鲁台子站分别增大121%和96%，蚌埠站和阜阳站分别减小27%和74%，临沂站年输沙量仍近似为0。 2016年淮河干流鲁台子水文站和蚌埠水文站测验断面冲淤变化不大，前者主槽略有淤积，后者主槽略有冲刷。 四、海河 本期公报新增漳河观台水文站和卫河元村集水文站，以控制海河南部部分水系的径流量和输沙量。2016年海河流域主要水文控制站实测水沙特征值与多年平均值比较，漳河观台站实测年径流量偏大18%，其他站偏小11%～84%；各站实测年输沙量偏小49%～100%。与近10年平均值比较，2016年海河流域各站实测径流量偏大19%～290%；桑干河石匣里、下会和海河闸各站年输沙量偏小57%～100%，响水堡站近10年输沙量均近似0，其他站偏大220%～902%。与上年度比较，2016年石匣里站和响水堡站实测径流量基本持平，其他站增大33%～1610%；石匣里站年输沙量减小83%，卫河元村集站增大3083%，雁翅、张家坟和观台各站均从近似0分别增加至0.541万t、9.09万t和368万t，其他站仍近似为0。2016年引黄入冀调水2.531亿m3，挟带泥沙11.15万t。 观台水文站测验断面近20年来，仅在遭遇1996年和2016年特大洪水时发生了一定的冲淤变化，其他年份冲淤变化不大。 五、珠江 2016年珠江流域主要水文控制站实测水沙特征值与多年平均值比较，南盘江小龙潭、红水河迁江和郁江南宁各站实测径流量偏小6%～25%，其他站偏大7%～71%；北江石角站和柳江柳州站实测输沙量分别偏大17%和208%，其他站偏小11%～98%。 835附录
粘性泥沙运动规律研究 摘要：依次介绍了粘性泥沙的沉降规律，粘性泥沙的冲刷规律和粘性泥沙的扬动规律，展 现泥沙运动的特点。这对于我们了解研究河口河床和近海海床沉积冲刷现象有着重要意义，也为更进一步的研究打下了基础。 关键词：粘性泥沙沉降冲刷扬动 Abstract:This paper discuss three behaviors of the cohesive sediment in turn, including the cohesive sediment subsiding, cohesive sediment erosion and incipient motion of cohesive sediment, to open out the characters of its movement. It helps us find the rules of erosion in the river, offshore and estuary and it has important significance to further research. Keywords: cohesive sediment subsiding erosion incipient motion 一、引言 通常情况下，根据泥沙颗粒的大小和矿物成分，可以将泥沙分为非粘性沙和粘性泥沙两类。其中粘性泥沙主要是由粉沙（d<0.05mm）和粘粒（d<0.05mm）组成，这些黏性细泥沙淤积固结后根据物理性质不同又可分为浮泥，淤泥和粘土[1,2]。在多沙河流中（包括河床，河岸和滩地）粘性泥沙占有一定的比重，同时它还存在于水库、河口港湾、粉质海岸中，对这些河流的演变和治理有着重要影响[3]。因此，研究粘性泥沙的运动规律有着重要意义。本文在此主要讨论粘性泥沙的沉积，冲刷，扬动三个个方面，系统的阐述粘性泥沙的简单运动规律，以期获得总体认识。 二、群体泥沙颗粒的沉降规律 前人对颗粒群体沉速公式的研究，可大致划分为两类：一是粗颗粒均匀沙的沉速，二是含较多细颗粒的非均匀沙沉速。 (1)Batchelor(1972)认为球体在低含沙水体中沉降时，颗粒间及颗粒与周围水体的相互影响，其沉速与其在无限清水中沉速的差异，是平均值不为0的随机变量。他从统计理论出发，最后推导出低含沙量情况下群体沉速的理论公式 ωs/ω0=1－6.55Sv (1) 上式中当Sv≤0.05时，计算结果能与实验值基本符合；当Sv较大则偏差大。 (2)Richardson和Zaki 采用量纲分析与试验结果，建立如下群体沉速公式[4]
2018年博士生入学考试科目《泥沙运动力学》 考试大纲 一、要求了解和掌握的内容 C1、了解泥沙运动力学的研究内容，掌握泥沙问题在生产实践中的重要性。 C2.1、掌握泥沙的来源以及机械分离、化学分解的类型和原因，了解岩石风化的速度及产物。 C2.2、掌握泥沙群体特性、粒配曲线体现的特性以及平均粒径、中值粒径、等容粒径等计算确定方法，了解细颗粒泥沙的物理化学特性、泥沙的分类。 C2.3、了解浑水的一般性质，掌握浑水容重、含沙量的表示方法和计算公式。 C3、掌握泥沙的沉降过程和沉降状态，掌握球体颗粒泥沙在层流、紊流状态下的重力、阻力的计算方法和公式以及沉速的计算公式，了解天然泥沙颗粒沉速的影响因素和计算方法。 C4、掌握紊流的基本性质、紊动切应力的概念、水流切应力的垂线分布，了解紊流经典理论。 C5、掌握无粘性泥沙颗粒主要受力分析及一般表达式、泥沙运动的主要形式、划分推移质和悬移质的意义及其物理本质的区别、床沙质和冲泻质的概念及其划分的意义。了解粘性泥沙的受力特点。 C6、掌握沙波的概念及其发展消长的阶段和过程、研究沙波运动意义，了解沙波形成的机理和原因、床面形态的判别方法。 C7、掌握近壁流区的重要性、河道阻力的组成单元、河床河岸及综合阻力的划分及计算方法、垂线流速对数分布公式(7.38)、垂线流速指数分布公式(7.38)，了解水流能量及损失特性、沙粒及沙波阻力的确定方法。 C8.1、掌握泥沙起动的基本概念、起动的表达方式，了解泥沙起动的
判别标准。 C8.2、掌握希尔兹(Shields)泥沙起动曲线的特点、起动公式及其推导过程，了解斜坡上的泥沙起动 C8.3、掌握按滚动和滑动模式的起动流速受力特性和推导过程，掌握沙莫夫起动流速公式，了解其它流速起动公式以及粘性泥沙的起动。 C9.1、掌握推移质输沙规律的流派及其代表、拜格诺提出的推移质运动遵循的规律、爱因斯坦推移质输沙理论的主要认识。 C9.2、掌握拜格诺、爱因斯坦推移质输沙率公式的推导思路和过程，了解以流速为主要参数的推移质输沙率公式推导过程。 C9.3、掌握拜格诺、沙莫夫推移质输沙率公式以及无因次水流参数、无因次水流强度参数、无因次单宽输沙率的表达式、非均匀推移质输沙率的确定方法。 C10.1、掌握悬浮泥沙运动机理、泥沙扩散方程，掌握含沙量沿水深分布的扩散理论(10.16)的推导过程、各变量含义及其不足，了解重力理论的基本思路及其推导过程。 C10.2、掌握含沙量与悬移质输沙率之间的关系以及爱因斯坦、维利卡诺夫、拜格诺悬移质输沙率公式及其推导思路和原理，了解其推导过程。 C10.3、掌握各向泥沙扩散系数的确定方法。 C11、掌握水流挟沙力公式的主要类型、代表人物以及影响水流挟沙力的主要因素，了解水流挟沙力的确定方法。 C12、掌握泥沙的存在使水流紊动强度增强或减弱的原因、了解泥沙的存在对流速分布的影响。 C13、掌握高含沙水流的流动特性和泥沙运动特性，泥石流的类型、形成条件和运动特征。 C14、掌握异重流的基本概念、类型、研究意义、物理本质、形成条件、运动特性、泥沙淤积，掌握水电站取水口及船闸引航道泥沙淤积机理和防治技术。
第三节河流泥沙的基本特性 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=abc，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。 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。采用沉降法求其粒径并称为沉降Array粒径，其原理是，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((3-2))反算出粒径。 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 图3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线 绘制如图3-3 所示的泥沙粒配曲线。 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3-3 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。 根据图3-2示粒配曲线，易于确知沙样的中值粒径d50。它的意义是，沙样中大于和小于这一粒径的泥沙重量各占50％。在实际工作中，通常可以中值粒径d50作为沙样的代表粒径。 二、重力特性 1．泥沙的容重与密度 泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重γS，单位为N／m3。泥沙颗粒实有质量与实有体积的比值，称为泥沙的密度ρs，单位为t／m3或kg ／m3。
基于CFD-DEM耦合模拟方法的水流泥沙运动研究水流泥沙运动一直是河流与海岸工程关注的重点课题,前人采用实验研究和理论分析等方法对于水流泥沙宏观运动规律已形成了基本认识,但水流泥沙的细观运动机理还有待探索。随着近年来计算机技术及计算方法的快速发展,利用数值模型从细观尺度研究水流泥沙运动机理及规律成为可能。 本文基于CFD-DEM耦合方法,利用开源软件OpenFOAM、LIGGGHTS及CFDEM 耦合库建立数值模型,从细观尺度研究了静水中泥沙沉降、明渠流及振荡流作用下水流泥沙运动特性。本文主要研究内容和结果如下:(1)通过模拟单个泥沙颗粒在静水中的沉降过程,分析了所建耦合模型的网格敏感性,对于粒径较小的颗粒,推荐流体的网格尺度与颗粒直径的比值范围为2~5;将采用不同拖曳力模型得到颗粒沉速与理论值对比,发现Benyahia模型具有较好的精度;模拟了不同直径泥沙颗粒的沉速,模拟结果与实验值与理论值吻合良好,验证了所建模型的适用性;探讨了不同体积浓度下颗粒沉速的分布,结果与实验值接近。 (2)模拟了不同明渠水动力条件下的水流泥沙运动过程。模拟得到的水流平均流速剖面符合对数律公式,验证了动力条件的正确性,并分析了水流紊动强度与雷诺切应力沿垂向的变化。 模拟结果给出了泥沙表现为未起动、推移质输沙和推移质与悬移质共同输沙的运动形式,推移质输沙率与实验、理论值吻合;随着水动力的增强,床面泥沙分布的不均性呈现先增加后减小的规律。(3)振荡水流作用下定床和动床条件下的模拟结果表明,定床和动床的流速剖面与紊动强度分布不同。 在对称振荡流作用下,泥沙颗粒做规律的周期性运动,一个周期内的泥沙净输沙接近为零,半周期平均输沙率与已有实验及经验公式接近。
河 流 泥 沙 利 用 姓名:徐喜梅 指导教师:王勤香 系别:水利系 班级:监理0801班 学号:2008070116
河流泥沙利用 徐喜梅 黄河水院监理0801班邮编475003 摘要: 在简略概括分析黄河水沙基本特点及变化趋势的基础上 总结了黄河泥沙利用的方式和途径，分析了泥沙资源化利用的意义和特点，研究了近期内加固大堤、淤筑村台、放淤改土等多种途径利用泥沙的潜力，提出了一些促进泥沙利用的建议。 关键词:黄河泥沙利用方式途径特点潜力 千万年来黄河泥沙作为一种自然资源，履行着“填海造陆”的使命。广阔的黄淮海平原正是由于黄河泥沙的存在，得以形成、扩大，中华儿女有了繁衍生息的场所和丰富的土地资源。因此黄河泥沙是国土资源的一部分，不仅过去是，现在和将来也是。 1 黄河水沙基本特点及变化趋势 1.1 黄河水沙基本特点 1.1.1水少沙多，含沙量高 黄河多年平均天然年径流量580亿立方米，相当于长江的1/17，仅占全国河川径流总量的2％，居我国七大江河的第4位。流域内人均水量5933m，为全国人均水量的25％；耕地亩均水3243m，仅为全国耕地亩均水量的17％。黄河上中游水土流失十分严重，造成下游河道严重淤积，河床平均每年抬高约10厘米。黄河三门峡站多年 平均输沙量约16亿吨，平均合沙量为353m kg，在大江大河中名列第一，在世界江河是绝无仅有的。如果把16亿吨泥沙堆成高、宽各1米的土堤，其长度为地球到月球距离的3倍，可以绕地球赤道27圈。“跳进黄河洗不清”的说法，也就是由形容黄河泥沙多而来的。 1.1.2 水、沙时空分布不均 黄河流域水量主要来自河口镇以上，占总水量的54％，而且是清水，该地区来沙量仅占到总来沙量的9％；沙量主要来自河口镇～
第四节河流泥沙的运动 一、推移质运动 推移质的运动来源于床面泥沙的起动。当床面泥沙起动达到一定程度后，床面会出现起伏不平的沙波，而沙波运动又往往是推移质运动的主要形式。因此，在介绍推移质运动时，往往需要涉及到河床泥沙的起动、起动流速及沙波运动的相关概念。 1.泥沙的起动流速 设想床面为泥沙组成且具有一定厚度，在这种水槽中施放水流，使水流的速度由小到大逐渐增加，直到使床面泥沙(床沙)由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。泥沙的起动条件常用起动流速U c 表示，它相当于床面泥沙开始起动时的水流平均流速U。 对于天然沙，其起动流速常由下式计算： U c = 4.661 3 1 h d（3-3） 式中，d为泥沙粒径；h为水深。适用范围：d>0.15~0.2mm。 泥沙的起动流速是关系到河床冲刷状态的重要判据，因此，对它的研究具有重要的理论与实践意义。例如，在研究坝下游河床冲刷时，首先需计算河床泥沙的起动流速。当河道实际水流流速U超过床沙的起动流速U c 时，就可判定，河床就会被冲刷；反之，河床就不会发生冲刷。河床在冲刷过程中，水深随之增加，流速降低，当发展到水流条件不足以使床面泥沙继续起动时，冲刷便会自动停止。再如，组成河床的泥沙粗细不均时，则细的颗粒被水流优先冲走，粗的颗粒留下来逐渐形成一层抗冲覆盖层，冲刷逐渐停止下来。河床冲刷前的高程与冲刷终止后的高程之差，即为河床的冲刷深度。 下面举例说明泥沙起动流速公式的具体实际应用方法及其意义。 算例：已知某水库下游河段河床沙质组成，河宽B=200m, 过水面积A=500m2，床沙平均粒径d=5.5mm, 问当水库下泄流量Q=500m3/s时,河床会否发生冲刷？可能冲深多少？ 解：（1）判断河床会否发生冲刷？ V = Q/A = 500/500 = 1.0 m/s H = 500/200 = 2.5 m 由沙莫夫公式 V c = 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s ∵ V > V c ，∴河床会发生冲刷。
中国河流泥沙公报 黄河泥沙公报YELLOW RIVER SEDIMENT BULLETIN 2008 水利部黄河水利委员会YELLOW RIVER CONSERV ANCY COMMISSION OF MWR 前言河流泥沙状况对水资源的开发利用、防洪减灾以及流域生态环境建设的决策等具有重大影响，并愈来愈受社会关注。编制《黄河泥沙公报》旨在及时报告黄河流域干流及重要支流年度的径流量、输沙量和其它重要水、沙指标及其变化状况，重要水库与河段的冲淤变化，为黄河流域水土资源开发利用与保护研究提供宏观基本资料。《公报》按水文站、水库及主要河段反映本年度黄河泥沙状况，并列出与多年统计资料的对比。本《公报》的多年均值资料系
列采用1950~2005年，同时考虑1987年以来河道边界条件及下垫面变化的影响，另列有1987~2005年均值。所涉及高程除小浪底库区为国家85高程基准、巴彦高勒和头道拐站为黄海基面外，其余均为大沽基面。《公报》的资料黄河水利委员会和有关省的实测数据。《公报》编制过程中，得到了甘肃、陕西等省水利厅的大力支持。水利部水文局、国际泥沙研究培训中心给予了热情指导和帮助，在此一并表示感谢。领导小组组长：廖义伟副组长：薛松贵翟家瑞刘晓燕杨含峡安新代王震宇时明立成员：谷源泽袁东良毕东升赵卫民王玲陈连军姜乃迁项目组项目负责人：牛占陈永奇王怀柏潘启民主要完成人：潘启民赵淑饶胡跃斌陈永奇张丽娜马志瑾许珂艳李东胡玉荣刘炜李中有林来照郭宝群王兵拓自亮范世雄陶海鸿慕明清刘社强
李有才李存才曲耀宗王世钧白莉东薛建国邢芳李旭东张玮吉俊峰王玉明张春岚蒋秀华仝春莲罗君毛利强袁华目录前言一、概述............................................................... ............................................ 1 二、径流量与输沙量............................................................... ........................ 3 三、重要水库冲淤变化............................................................... .................. 11 四、黄河干流内蒙古河段典型断面冲淤状况............................................ 18 五、黄河干流下游河段河道冲淤状况.. (23) 一、概述本《公报》发布黄河干流唐乃亥、兰州、头道拐、龙门、潼关、三门峡、小浪底、花园口、高村、艾山、利津等11个重要控制水文站以及洮河红旗、皇甫川皇甫、窟野河温家川、无定河白家川、延河甘谷驿、泾河张家山、
河道水流泥沙运动基本理论研究 发表时间：2019-05-09T10:23:18.610Z 来源：《新材料.新装饰》2018年9月下作者：田子锐李京辉 [导读] 这篇文章是对于河道水流泥沙运动基本理论研究进行综述,并且做出了简单的分析，例如挟沙后的紊动强度变化应该考虑的是推移质颗粒或是悬移质颗粒等等 （哈尔滨工程大学，黑龙江省哈尔滨市 150000） 摘要：这篇文章是对于河道水流泥沙运动基本理论研究进行综述,并且做出了简单的分析，例如挟沙后的紊动强度变化应该考虑的是推移质颗粒或是悬移质颗粒等等，以上都利用了一些相关学者的研究成果进行说明，并且取得了丰硕的成果。 关键词：泥沙运动；流速分布；紊动强度 前言： 泥沙科学经历了几十年的积累，泥沙问题引起了学者们的广泛的关注，该篇文章对于水流流速分布，泥沙运动与紊流强度和猝发的关系等进行研究。因为这些公式的出现，使得泥沙问题得到了进一步的解决，但是要达到完全解决这个问题，还有很多困难需要去探索。一、水流流速分布的研究 要计算阻力，首先要知道水流流速分布，其中如果要分析挟沙水流。需要先分析清水水流。传统的水力学认为水流流速服从对数分布。曾有一个公式是在1993年被研究出来的，根据紊流卡门相似理论,使用不完全自相似假设,得出的公式是： 在这个公式中：u：距离壁面深度为y 处的速度；u*是指摩阻流速；Re是指雷诺数等，用这个相似理论分析了河道水流的流速分布情况的结构形式，从这个结果表明，不管是流速分布的指数型公式还是对数型公式都有很严格的理论基础，那就是相似理论。但是他们两者又是本质不同的两个类型的假设，那就是不完全自相似假设（反映了壁面效应）和完全自相似假设（忽略了壁面效应）。 在1981年Coleman利用Coles的尾流函数，当时提出挟沙水流流速分布应该遵循尾流定律。提出的公式是： 在这个公式中：卡门常数是用K来表示；尾流系数用W来表示，但是之后的很多研究都指出了其中的缺点，因此，在之后就得到了不断的完善和研究。例如Ferro等一些人利用了水槽实验来分析了断面流速分布等；Nezu等利用水槽实验来测量水位变动区表面的紊动参数，他们得出卡门常数仍为0.41，前提是在非恒定流下。这些学者在每一个研究的时候都利用了不一样的手段和技术，伴随着计算机科技的不断发展，基于上面的研究，以后一定会使得更多人们对于紊流难题进行深入的研究。 二、泥沙运动与紊流强度和猝发的关系 泥沙的存在对于紊流强度有很深的影响，针对这个影响，在我国还是有不同的观点，例如：王兆印等认为粗沙能够增强平均能量向着脉动能量转移的机会，具体是在清水中加入粗沙从而测试流场，结果发现平均流速减小但是紊动强度增加。但是如果沙子的颗粒较细，在水中悬挂着运动,就会吸收紊动能量，从而使得紊动强度减弱；在1950年开始，Kline等一些学家就利用氢气泡等对于紊流进行了许多的观察，这些紊流是处于平板边界层中，他们发现在一定的条件下，在壁面上面有几个小点会突然爆发，这些小点被叫做紊流斑点，然后紊流斑点会进入流动深处，这就是猝发，更加说明了泥沙的起悬与紊动猝发有很紧密的关系；Nikora等利用了ADV即超声多普勒测速仪，目的测量在准二维流场下，两种泥沙未起动。之后一种在弱动时的平均流速是沿着垂线分布等，但是有一个值得注意的点就是当弱动时，卡门常数在减少，这样的结果是和光滑流场时情况是不一样的。 目前情况来看，在研究紊动猝发和泥沙运动的关系时候，不管是近床面泥沙跟随性还是浓度都很难能够得到可以信任的定量结论。这个难题需要在之后不断的摸索中被解决。 三、河道阻力规律 对于河道阻力的问题进行研究,不仅是对于理论上面有很深的意义，并且对于实际的生产也有很大的意义。阻力的公式可以表现为： 在这个公式中：断面平均流速用u来表示，如果在已经知道流速分布的情况下，通过一些变化可以知道管道和明渠相应的阻力系数。因此肖勇等给出了关于阻力系数的表达形式,并且得到了验证，结果表明这个符合程度很好。在实际的工作中，河床阻力可以划分被河底阻力还有河岸阻力两种，河底阻力还可以分成沙粒阻力还有沙波阻力两种。Robert通过计算了平滩流量时候的两种河底阻力，得到了结论是以总阻力为总数1，但是沙波阻力占据了其中的0%～ 90%。这说明沙波的存在对于阻力有很大的影响，但是却没有具体的曲线；王兆印等在实验床面抗冲性时，提出了一个新概念，叫做“床面惯性”，他们认为“床面惯性”是一个特性，并且开始做出实验，他提出的公式为： 在这个公式中，水流的推移质挟沙力为gb，gbin是指进入河段的推移质输沙率，而河床冲刷率用dD/dt来表示。为了能够更加准确的数据说明，王兆印利用了100组的清水试验还有33组的挟沙水流来做出说明，得出的结论是床面惯性随泥沙的分选而增多。 四、水流挟沙能力规律 所谓水流挟沙能力是指在固定的水流泥沙和本河段河床为组成的条件下，单位的水体带来的泥沙的数量。在解决工程泥沙问题之前，
Chap1 泥沙特性 本章知识要点： 泥沙粒径表达形式 泥沙的组成与粒配曲线 比表面积的意义 双电层与结合水 泥沙干容重及其影响因素 泥沙沉速与层流、紊流、过渡区 絮凝现象 ● 泥沙来源：①流域地表冲蚀而来；②从原河床上冲起的。 ● 土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域，相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度，加上人类活动，如盲目开垦等，含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流， 年均含沙量高达300公斤/m 2以上，而南部一些省份，年均含沙量不足1公斤/m 2。 §1－1 泥沙的几何特性 一、泥沙的粒径 ● 泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关，较粗的沿河底推移前进，碰撞机会多，动量较大易磨损；反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同，必须有某些指标对它们进行对比。 泥沙的形状的表达方式 ● 球度系数：（因为泥沙接近于球体，所以以球体作参照物）与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比（与球接近的程度）。研究表明，球度系数相等的两颗泥沙，在水中的流体动力特性大致相同。由于球度系数难以测定（V 可用排水、称重法确定，但表面积难以测定），常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c ，按下式近似表示： Φ=1942年克来拜因提出） ● 形状系数： ab c S P = 1、 等容粒径：泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示，泥沙颗粒形状不规则，难以确定泥沙的粒径，实际中采用等容粒径来表示。即：与泥沙颗粒体积相等的球体直径。（泥沙体积可用称重、排水等方法测出： W V g ρ= ）——对比水力学中表面粗糙度?的确定 1 36V d π??= ??? 式中：V 为泥沙颗粒的体积。 2、算术平均粒径：用长、中、短轴（a 、b 、c ）的算数平均值来表征泥沙粒径 3、 几何平均粒径：d = 当泥沙形状为椭球体时，等容粒径与几何平均粒径相同（V=лabc/6=лd 3/6） 4、中轴长度：接近而偏大于几何平均粒径（较粗天然沙测量的结果） 5、筛径： 仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重，再除以泥沙的重率，得到体积而后求其等容粒径，或直接量测其三轴长度，再求其平均值。对于较细的泥沙，例如：一般沙土，更不用说粉土和粘土，在通常情况下不可用上述方法，通常用筛分法和水析法。 沙土：筛分法。采用公制标准筛，不难设想，用筛分法得出的粒径应相当于各粒径组界限沙粒的中轴长度，接近等容粒径，称为筛径。 6、沉径：ω～D 对于粉土与粘土，已不可能进一步筛分，只能用水析法，如：比重计、粒径计、移液管法等，这些方法的基本原理：通过测量沙粒在静水中的沉降速度，按照本书阐明的粒径D
第一节河流泥沙的来源 随河水运动和组成河床的松散固体颗粒，叫做泥沙。河流泥沙主要来源于两个方面，一是流域地表的侵蚀，二是上游河槽的冲刷。 降水形成的地面径流，侵蚀流域地表，造成水土流失，携带大量泥沙直下江河。流域地表的侵蚀程度，与气候、土壤、植被、地形地貌及人类活动等因素有关。如若流域气候多雨、土壤疏松、植物覆被差、地形坡陡以及人为影响如毁林垦地现象严重等，则流域地表的侵蚀就较严重，进入江河的泥沙量就多。 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。 河流泥沙常用含沙量、输沙率、输沙量和输沙量模数（侵蚀模数）等度量单位表示。含沙量是指单位体积浑水中的泥沙质量（kg/m3），常用s表示；输沙率是指单位时间内通过河流某断面的泥沙数量（t/s），常用G 表示；输沙量是指 s 表示；输沙量模数（侵蚀一定时段内通过河流某断面的泥沙数量（t），常用W s 模数）是指每平方公里地面每年冲蚀的泥沙数量(t／(km2·a))，通常用M表示。输沙量模数的大小，可用来反映流域地表的侵蚀程度。 一般说来，我国的输沙量模数分布是，北方地区的地表侵蚀的严重程度甚于南方。其中最严重的地区是，黄河中游黄土高原地区的支流流域，其输沙量模数M一般大于1000t／(km2·a)，如陕北的皇甫川、窟野河、无定河、延河流域，输沙量模数达10 000～20 000t／(km2·a)，相当于地面每年普遍冲刷6～12mm 的厚度。
河流泥沙理化特征及其测定方和效应分析 摘要：本文就河流泥沙的理化特征及其测定方法进行介绍，并通过河流泥沙在运输过程中与水体污染物的相互作用，讨论河流泥沙对重金属、氮、磷和其他污染物的影响，并最终影响河流水质。最后讨论了泥沙的环境效应，并对不同季节，不同河流的泥沙环境效应进行简要叙述。 关键词：河流泥沙理化特征吸附环境效应 一、引言 对河流水环境和水质而言,河流泥沙不仅其本身就是水体污染物,而且河流泥沙通常具有较大的比表面,并含有大量活性官能团,因而成为水体中微量污染物的主要载体,在很大程度上决定着这些污染物在水体中的迁移、转化和生物效应等。因此,河流水环境研究和水资源保护不能忽视河流泥沙。 二、河流泥沙的理化特征及测定方法 河流泥沙的理化特征包括：几何特性，如：粒度大小、比表面积和粒径分布；水力特性，如：泥沙沉速；泥沙的重度：如容重和密度，干容重和干密度；以及泥沙的化学组成和电化学特性，泥沙絮团的压密特性，河流含沙量等。 1、粒径大小和粒径分布及其测定 泥沙颗粒的大小通常用粒径D表示，按照粒径大小，将泥沙颗粒分为：粘粒、粉砂、沙粒、砾石、卵石和漂石。粒径较大的泥沙通常被限制在河床底部随水流以滑动、滚动或跳跃的形式运动，而粒径较小的泥沙是在水流的紊动扩散作用下悬浮于水体中的泥沙, 在水体中的空间分布范围非常大, 与进入水体中的污染物的接触面比推移质要大得多, 它对进入水体中的污染物具有很强的吸附作用。 粒径的测量方法有超声测量法等。超声法测粒是指利用声波在介质传播中的声能衰减、颗粒对声波的散射、以及相速度的改变等效应测量颗粒粒度及浓度。由于超声频率具备较宽的频带，可以确保测量从纳米级到毫米级的很宽范围的颗粒。且声波穿透率强, 因此, 超声法在高浓度颗粒两相介质测量方面具备了很多其他测粒方法所不具备的特点和无可比拟的优越性, 该特性使其在无须稀释、快速、可靠的在线颗粒测量时可以得到很好的应用。 对于泥沙的粒径分布目前可用超声衰减谱法测量颗粒两相流粒径分布，过程可以概括为：基于一个合适的理论模型对已知物性参数的颗粒两相流预测其声衰减谱，再根据实测的系统声衰减谱，结合颗粒系和声衰减谱对应的模型矩阵进行数据反演，最终得到颗粒两相流系统的真实粒度分布。 黄河泥沙的颗粒级配：进入黄河河道的泥沙以悬移质为主,而推移质所占百分比很小.
河流泥沙运动学基本理论综述 【摘要】河流泥沙研究主要是研究河流中的泥沙运动规律及特点、泥沙运动基本理论等，进而解决水利工程中对应的河流泥沙问题。河流泥沙动力学基本理论包括：泥沙的沉降特性、泥沙的起动特性、悬移质运动规律、推移质运动规律、水流挟沙力、非平衡输沙、泥沙运动统计理论、异重流运动理论、波流作用下的泥沙运动理论等[1]。本文主要对河流泥沙运动学基本理论进行简要综述。 【关键词】河流泥沙运动学；基本理论 河流泥沙学科是一门综合性的基础技术学科，研究泥沙在水体中的输移、悬浮、冲刷、淤积的规律，是水力学科的基础理论之一，包括了泥沙运动力学、河床演变与整治、工程泥沙、航道与港口治理、水土流失与治理等多方面的内容，涉及水文学、水力学、地理学、以及环境与生态学、沉积学等多个学科[1]。通过对于河流动力学课程的学习和一系列论文的翻阅，现将河流泥沙运动学基本理论的相应进展做以综述，由于能力和资料的有限，望老师批评指正。 1.河流泥沙研究的发展历程 我国河流泥沙研究的历史可追溯至修建都江堰工程时期，李冰父子通过引用鱼嘴分水堤，飞沙堰溢洪道，宝瓶口进水口三大部分和百丈堤、人字堤等附属工程，科学地解决了岷江的泥沙等问题，消除了水患。今年来，我国的钱宁等老一代科学家通过其不断努力，逐步完善了理论研究体系，形成了一系列系统的学科，且成功的将这些理论运用到实际工程当中，解决了诸如三峡，小浪底等水利工程的泥沙问题 2.我国河流泥沙研究成果 我国是世界上河流最多的国家之一，有许多源远流长的大江大河。其中流域面积超过1000平方千米的的河流就有1500多条。我国的水资源具有四大特点：水多、水少、水脏、水混。其中水混即河流中携带大量泥沙，导致了水土流失严重、河床抬高等一系列严重的问题，以黄河最为严重，这些问题给我过的水利水电工程建设、河道防洪和沿河道人民的日常生活都带来了严重的影响。由于突出的泥沙问题和资源，我国的泥沙学科发展迅速，取得了巨大成就，研究在世界上也有着极高的地位。 2.1 河流泥沙运动学基本理论 2.1.1泥沙的起动特性 3.结束语 河流泥沙学科是个古老而年轻的学科，它与水文学、水力学、地貌学、地
第三章泥沙颗粒基本特性 某一河段内水流中的泥沙颗粒既可能直接来自于流域、也可能是从上游河床上冲刷起动而来的。水体挟带了大量泥沙颗粒后，可能会引起某些物理特性发生变化，如流变性质等。 3.1 风化过程 从流域中输运到河流里的泥沙中，既有粗大的卵砾石和沙粒，也有细小的粘土颗粒。粗泥沙源自岩石和矿物风化而成的碎屑，而地表土的流失是细颗粒的来源。 3.1.1 风化 岩石和矿物在地表(或接近地表)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，称为风化作用。风化作用受气候、岩石成分、结构构造、植被、地形和时间等因素影响。在风化的初期，以物理风化为主。物理风化作用使岩石在原地发生崩解，形成残留于原地的岩石碎屑，物理风化作用形成的岩石碎屑最小粒径可达0.02mm左右，岩石化学成分基本不变，只能形成少量的蛭石、伊利石、绿泥石等风化程度较低的粘土矿物。 在物理风化作用的基础上，进一步发生化学风化(溶解、水解、碳酸盐化等)。卤族元素(I，F，Cl ，Br)和氯化物(KCl，NaCl)容易随水流失，而碳酸盐和硫酸盐难于溶解，以含钙矿物(方解石CaCO3，石膏CaSO4)等形式残留在风化层中，使Ca相对富集,故称这一阶段为钙质残留阶段或富钙阶段。化学风化作用的深入进行将使硅酸盐矿物晶体破坏，铝硅酸盐矿物分解出的另一部分硅和铝在地表结合形成各种粘土矿物,其化学通式为Al2O3·m SiO2·n H2O,依地表水介质环境由弱碱性→酸性的变化，分别形成伊利石(水云母)、蒙脱石(胶岭石)与高岭石等粘土矿物。通常蒙脱石、高岭石形成于湿润气候条件，而伊利石则是较干冷气候条件的产物。 化学风化作用的最后阶段，硅酸盐全部分解，地表粘土矿物也可分解，可以迁移的元素均已析出。风化碎屑中主要形成大量铁、铝和SiO2胶体矿物，以水铝石(A12()3·n H2O，铝土矿，或有Fe、Mn混入)、水赤铁矿(Fe2O3·3H2O)、褐铁矿(Fe2O3)、针铁矿等为主。这些矿物在地表条件下稳定，并大量残留在原地，使风化产物中铁、铝相对富集，形成富含高价铁的粘土，即红土。 气候是影响风化作用的主要因素。不同气候下残积物(风化壳)的类型、分层结构和厚度都不同。在相同的气候条件下，基岩性质对残积物有重要影响，可溶性岩石(石灰岩、白云岩、大理岩、石膏及其他生物化学岩类等)风化时，溶解物大部分被水介质搬运走，岩石中原有的粘土、铁、铝等杂质聚集成残积粘土层，通常经高价铁染红，称为赭土，它不同于完