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第三节河流泥沙运动力学的理论与实践中国河流，特别是北方河流自古多沙。
多沙河流的水流运动有其特殊性。
这种区别于清水河流的特殊性使多沙河流的治理变得更加复杂。
古代对河流泥沙运动的理论认识起源于春秋战国时期，在两汉取得突出的进步，经过北宋的发展，至明代后期达到高峰。
这些大多处于定性阶段的理论认识在古代世界是领先的，其中一些还在治河实践中得到应用。
一泥沙运动力学的起源与张戎的贡献(一)对泥沙运动的观察水流有清浊之分，古人早有观察和记录。
《诗•小雅•谷风之什》曰：“相彼泉源，载清载浊。
”战国时人解释河水变浊的原因是：“夫水之性清，土者汨之，故不得清。
”②《尔雅•释水》并且具体解释黄河之所以含沙量高的原因是“河出昆仑墟，色白，所渠并千七百一川，色黄。
”晋代学者郭璞(273～324)对黄河之所以黄注解说：“潜流地中，汨漱沙壤，所受渠多，众水溷淆，宜其浊黄。
”即黄河之浊是众支流挟沙汇入所致。
水流含沙是水流的搬运作用。
北宋科学家沈括(1031～1095)曾指出，以黄河为首的华北诸河多浊流，河水挟带的泥沙都是上中游被冲蚀的土壤。
所以他的结论是：“所谓大陆者，皆浊泥所堙耳。
”③并且举例说，舜杀治水失败的鲧于羽山，这个羽山当时是在东海里，现在则在大陆，以为证明，正确地解释了华北平原的成因。
他还认为，浙江温州的雁荡山诸峰挺立，“原其理，当是为谷中大水冲激，沙土尽去，惟巨石岿然挺立耳”。
④那么，泥沙是否能被流水携带，还要看水流的速度与泥沙的粒径和比重。
东汉初年王充(27～97)指出：“湍濑之流，沙石转而大石不移，何者?大石重而沙石轻也。
”⑤而相反的情况则是大哲学家老子所概括的：“浑兮其若浊，孰能浊以止?静之徐清。
”⑥当挟沙水流静止下来的时候，便失去拖曳力和上举力，原来被流水挟带的泥沙随之沉降下来。
在春秋战国时期的水利建设中，已实际应用了水流冲淤的概念。
《考工记．匠人》中说：“凡沟，必因水势；防，必因地势。
善沟者，水漱之；善防者，水淫之。
第五章泥沙的起动与推移运动水流强度达到某一临界值时，静止于河床表面的泥沙颗粒就会开始运动。
确定此时的水动力条件就可得到临界起动条件，如临界起动剪切应力、临界起动流速等。
临界起动条件取值的大小与给定的河床泥沙颗粒级配有关。
水流强度超过临界起动条件后，较粗的泥沙颗粒会沿床面滑动、滚动或跃移，统称推移质运动。
泥沙颗粒的临界起动条件和推移运动机理可以采用经典力学的方法进行研究。
5 .1 研究泥沙起动的方法泥沙的临界起动问题是河流动力学研究的重要组成部分，早在二百多年前就有许多学者对这一问题进行了深入研究。
20世纪30年代，通过试验得到了泥沙临界起动情况下，边界切应力与颗粒特性的Shields曲线。
近年来，研究工作的重点是工程实际中经常遇到的非均匀沙、粘性颗粘和海底淤积物起动等问题。
5 .1 .1起动现象的描述一颗静止于床面上的泥沙，所受的力主要包括水流促使其起动的力和床面阻止其运动的F和力。
当二者平衡时，泥沙颗粒将处于临界起动状态。
先假定水流的怍用力只有水平分量d F,则泥沙颗粒在其水下重力W 、水流作用力和床面反力的综合作用下，因其所垂直分量L处的位置不同而可能发生滑动、滚动或跃移，示意如图4-l。
从上述三种最简单的例子中已可以看到天然河流中泥沙起动的复杂性。
对河床表面任一指定位置的颗粒，其大小、形状和与其他颗粒的相对位置都是随机的。
另一方面在天然河流中，水流都具有脉动的性质既其作用在床面上某一指定位置上颗粒的力也完全是随机的。
由于这些原因，研究床面上某一指定位置的泥沙颗粒的起动，会遇到双重的随机性。
因此有人认为对这一问题的研究没有实际的意义，如Lavelle和Mofjeld(1987)分析了大量前人有关起动问题的资料后得出：在任一水流条件下，都不存在所谓的临界起动条件。
又如Einstein的整个输沙理论中就没有用到起动的概念。
尽管如此，从学科发展的理论体系和生产实践的应用来看，研究泥沙的临界起动条件都有重要意义，所以它至今仍是本学科的热点研究课题，从研究方法上可以分成两个方同：一是分析大量泥沙颗粒临界起动的综合情况，认为在某一水流和床面条件下，可以从统计的角度来确定泥沙的临界起动条件。
泥沙运动力学
一、泥沙运动基本概念，泥沙粒径和密度。
1、泥沙粒径泥沙粒径可以通过测定颗粒沉积时的平均半径来计算。
通常采用沉积岩的颗粒级配曲线求得。
其中石英等长石大多呈悬浮状态，比重较小，其沉积物粒径一般较小，即颗粒密度较小，而粘土和粉砂粒径一般较大，比重较大，沉积物粒径一般较大，即颗粒密度较大。
二、泥沙运动数学模型，浮体的形成。
(1)粘性土的水下堆积，若颗粒具有很高的稳定性(含水量不变)，则会在其中形成粘性土块，使得水流动力增大，从而形成淤塞；(2)不具备这种稳定性的颗粒，在重力作用下就会脱离母体，发生絮凝，使得水流动力降低，最终沉积，并在沉积的地方堆积下来。
三、泥沙运动分析方法，求得泥沙质点密度ρ和运动速度v，以及颗粒形状和级配类型。
四、求解沙波阻力与泥沙相对运动速度之间关系的几种典型模型，求解圆弧和抛物线相交时的沙波阻力，通常采用圆心在圆弧顶点处取向外微偏，可得圆弧两侧沙波阻力。
五、通过试验求解渗透系数和孔隙比，六、描述泥沙运动状态的几种常见的力学参数，泥沙运动的动力。
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泥沙运动力学Sediment Transport Mechanics第一章概述1. 泥沙运动力学—泥沙在流体中，冲刷（scour）、搬运（transport）和沉积（deposition）的运动规律。
二相：固、液运动：河流、渠道、荒漠、水库、海滨、管路中，在流水、风、波浪作用下运动。
2. 著名产沙河流：黄河：16亿吨/年、土壤剥蚀1.6毫米/年。
总沙量和平均含沙量世界第一。
印度、孟加拉国的恒河：14.51亿吨/年，世界第二。
孟加拉国的布拉马普特拉河：7.26亿吨/年，世界第三。
3. 国内外著名泥沙研究机构：（1）国内大学：清华大学、北京大学、河海大学、武汉大学、大连理工大学、四川大学、天津大学、西北农林科技大学、西安理工大学、华东师范大学、郑州大学、华北水电学院、新疆大学、长沙理工大学、重庆交通大学…（各大学研究侧重点不同）（2）国内科研院所：中国水电科学研究院、南京水利科学研究院、黄河水利科学研究院、长江科学研究院、淮河水利委员会水科所、天津水运工程科学研究院、西北水利科学研究所、…（各单位研究侧重点不同）（3）国家重点实验室：四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室（1990）、大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室（1990）、华东师范大学河口海岸国家重点实验室（1995）、武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室（2003）、清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室（2004）、河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验室（2007）、天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室（2011）（4）国外：Colorado State University, The University of Iowa, TheUniversity of Mississippi, Dundee university, Birmingham University, The University of Manchester, Karsluhe University, Delft University of Technology, …美国陆军工程师兵团水道实验站美国农业部国家泥沙实验室美国地质调查局海湾海岸水利科学中心荷兰德尔夫特水力实验室印度水资源部水电研究中心日本中央大学水力实验室挪威水工实验室…（5）国际泥沙研究机构：国际泥沙研究培训中心（International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation）(IRTCES),北京4. 泥沙学术会议河流泥沙国际学术会议—1980年第一届（北京），1983年第二届（南京），1986年第三届（美国），1989年第四届（美国），1992年第五届（德国），1995年第六届（印度），1998年第七届（香港），2001年第八届（印度），2004年第九届（宜昌），2007年第十届（俄罗斯），2010年第十一届（南非）国际水力学会学术会议—四年一届，已举办30届（2011年31届川大）国际随机水力学会议—三年一届，已举办12届国际水科学与工程学术会议—三年一届，已举办6届亚太地区国际水力学学术会议—三年一届，已举办13届全国泥沙基本理论学术会议—90年第一届，已举办5届5. 泥沙学术期刊《水利学报》，《地理学报》，《泥沙研究》，《水动力学研究与进展》，《水科学进展》，《水力发电学报》，《海洋学报》，《人民长江》，《人民黄河》，各大学学报《Journal of Fluid Mechanics》《Journal of Hydraulics Engineering》《Journal of Geophysics Research》《Journal of Water, Port, Coastal and Ocean Engineering》《Water Resources Research》《International Journal of Sediment Research》6. 我国河流泥沙研究的二大特点：（1）以黄河为代表：颗粒细，含沙量大，级配窄，悬移质（2）以长江为代表：颗粒粗，级配宽，推移质如都江堰实测：D max=510mm, D min=0.15mm,D max/ D min=3400倍7. 泥沙带来的问题（泥沙灾害）（1）水库淤积：全国20座重点水库的观测资料说明，多数水库运行不足20年，总淤积量即达设计库容的18.6%。
* 黄河三门峡水库：1958年截流，1960年蓄水后不仅库容淤损较为严重，1962年3月总淤积量就达15亿吨，占同期入库沙量的93%，到1964年淤积量已达44亿吨，而且淤积末端不断向上游延伸（翘尾巴），威胁着关中平原和西安市的工农业生产和人民生活，被迫放弃蓄水，将已安装好的第一台机组拆迁，进行工程改建（9孔冲沙闸）。
* 大渡河龚嘴水库：从71年汛末蓄水发电至86年底，已达设计运行年限，水库520米以下库容已损失87.6%，仅存0.3亿立方米，85年底对水轮机过流部件检查，发现活动导叶片和转轮叶片已有明显磨损，磨蚀沟槽最深处约10毫米。
90年代初进行加高改建，但受成昆铁路线影响，而只能有限加高。
* 长江三峡工程水库泥沙淤积，特别是变动回水区泥沙淤积问题，已作为专题研究20多年。
（生态）（2）河道（航道）演变：* 平原河道泥沙淤积对防洪和航运影响极大黄河下游河道多年平均淤积量4亿吨，为世界所仅有，各水文测站水位比50年代初期同流量水位高出2米左右，多次加固大堤，成“悬河”。
长江枯水季节，局部河段（如下荆江）通航靠挖泥船疏浚，河口航道每年挖泥量达1400~1800万立方米。
1998年长江发生的大洪水水量比54年小，但水位高，原因是长江河道淤积减少过水面积1/3，洞庭湖淤积及围垦减少水面面积1/3。
* 河道淤积影响港口码头的正常运行，造成“死港”、“废港”。
* 河道淤积影响工农业取排水口运行。
* 河道淤积影响生态平衡。
（3）电站取水口及引航道泥沙问题：许多枢纽工程运行中存在着推移质泥沙进入引水渠，粗沙磨损水轮机，泥沙、水草堵塞栏污栅。
枢纽上、下游引航道口门区和航道内淤积泥沙影响船舶安全进出。
（4）水库下游冲刷（清水下泄）产生的问题：以长江三峡工程、葛洲坝为例：—滩险演变；长江中游沙市三八滩演变造成整治建筑物破坏，航槽水流条件发生变化，影响航运安全。
—堤防安全；丹江口水库下游，因清水冲刷，下游河床变化剧烈，不但刷深，还严重崩岸，仅宜城县就有5万亩良田崩塌于汉江中。
—港口功能失效；受河床冲淤影响，一些内河码头在中、枯水期不能使用。
—工农业取水口；—下引航道门槛水深不足；葛洲坝坝下枯水期水位比设计低水位还低0.6米，下引航道和二、三号船闸下闸首的槛上水深不能达到原设计标准。
（工程措施）—河口海水入侵。
（5）桥渡冲刷：洪水引发河道急剧冲刷，造成桥渡墩台破坏。
（6）滑坡和泥石流：严重的山溪泥石流可能造成沟口砂石堆积，形成急流滩，如川江、金沙江等山区河流存在许多溪口急流滩均是例证；大型崩岩、滑坡，泥石阻塞河道，形成急流滩，造成长时间断航，如1952年川江青滩因山体滑坡，曾造成断航82天，1982年川江鸡扒子滑坡、1994年乌江边滩滑坡也严重影响航运畅通。
（7）灌溉渠系淤积问题：华北平原和西北地区气候比较干旱，修建灌溉渠系较多，由于地势较平坦，渠道设计受到坡度限制，挟沙能力一般不可能很大，泥沙易在渠道中落淤。
（沉砂池、螺旋流排沙等）…….8. 目前泥沙研究的现状主要研究：—流域产沙与水土保持（黄河较成熟）；—泥沙运动基本理论（起动、输移机理等）；—河床演变规律及治理措施；—水库淤积；—河口泥沙；—引水防沙及渠系泥沙；—高含沙水流运动；—野外及室内泥沙测验及河工模型实验技术；—泥沙数学模型；—环境泥沙与灾害预防和治理。
9. 泥沙研究的重点课题：—泥沙起动机理；—推移质与悬移质交换机理；—非均匀沙输移规律及输沙率的确定；—非恒定流输沙机理；—泥沙测验仪器及模拟技术；—高含沙水流及泥沙流；—波浪作用下的泥沙运动；—环境泥沙（湿地泥沙学）；—河道挖沙；—三维泥沙数学模型；—现代数学的应用（模糊数学、灰色理论、分形理论等）；—泥沙灾害的预防及治理措施。
10. 课程教学内容安排及形式：共40学时，约32学时课堂教学，6学时自学、讨论与作业，2学时考试。
以钱宁、万兆惠著《泥沙运动力学》为基本教材内容，主要讲要点，补充泥沙数学模型的内容，结合水利枢纽、航道整治等工程示例讲泥沙基本理论的应用。
11. 参考资料：（1）武汉水电学院，《河流泥沙工程学》，水利电力出版社，1981 （2）沙玉清，《泥沙运动学引论》，中国工业出版社，1965（3）《河流动力学》（多种版本）（4）《泥沙手册》，中国环境出版社，1992（5）韩其为，《水库淤积》，科学出版社，2001（6）韩其为，《明渠挟沙水流运动的力学和统计理论》，科学出版社，1995（7）王光谦，《泥沙研究进展》，中国水电出版社，2006（8）方红卫等，《环境泥沙的表面特性与模型》，科学出版社，2009（9）Yalin, M. S., Mechanics of Sediment Transport, Pergamon Press, N. Y., 1972.……。
