河流泥沙的运动规律

河流泥沙变化规律及其对环境的影响河流是地球上最宝贵的自然资产之一，对于物种生态系统和人类社会有着重要影响。

河流是淡水资源的重要来源，并为农业、工业、交通、观光和娱乐等产业提供了重要的支持。

然而，河流沉积物变化的规律对环境稳定性的影响却是不可忽视的问题。

本文旨在分析河流沉积物变化的规律及其对环境的影响。

一、河流沉积物的来源和组成河流沉积物主要源于两个方面：一是岸边和河道中的岩石、石头、草木和泥土等天然物质；二是溪流中冲刷下来的泥沙和土壤以及附近地区的农业、工业和城市废水。

河流沉积物主要由砾石、沙粒、泥板、黏土和有机物质等组成。

这些沉积物可以通过人工和自然力量的运动转移到不同的地貌区域和不同的水域环境中。

沙和泥沈积是代表性的河流沉积物，在纵向分布上互相依存，沙粒沉积在上游区域，而细小的泥沙则主要在下游区域沉积。

二、河流沉积物变化的规律河流沉积物的变化与多种因素有关，包括流量、降雨、输入量、流速、沉积作用、生态因素等。

以下内容将着重探讨这些因素的影响。

1. 流量河流的流量是影响沉积物变化的重要因素。

径流量的变化不仅仅改变了输移能力、搬运才华和侵蚀能力，同时也影响了河床的粒子分选和沉积速率等物理过程。

2. 降雨降雨量会对河流搬运力造成影响，同时也会增加河流的风险。

如果降雨量小于径流量，部分水分会通过地下水层附近的地面径流来到河流中，并且水质不会因为降雨而发生明显的变化。

3. 输入量输入量包括从河床、岸边和上游输入的沉积物和生物质量等。

沉积物的输送由利用流量、悬浮物、水速、水体深度、枯水期等条件的径流来驱动。

如果输入量变化很大，则会影响底部通量的吸附和吸附过程，使它们在环境中的固定性和可行性产生变化。

4. 流速河流的流速会影响沉积物的运动和传输。

一般来说，流速越快，泥沙的径流距离越远。

在慢流的条件下，稳定地假设岸边和底端质点的间隔相等以及它们耗费同等的时间通过实际沉积物碰撞和沉积进程，也就是说在同等温度、官能群和环境下，不同的大气沉积速率下，不同的碰撞速度和沉积速度等条件下，密度初始值相同的沉积物粒径在沉积区的垂直径向分布是相同的。

河流淤积原理河流淤积是指河流中的泥沙、砾石等颗粒物质在水流作用下沉积在河道底部或两岸的现象。

这是一种自然过程，对于河流的形态和水文特征有着重要影响。

河流淤积原理是指导我们了解和预测河流淤积现象的基本理论。

河流淤积的原理可以从水动力学和沉积学两个方面来解释。

首先，水流在流动时会带动河道底部和两岸的沉积物。

当水流速度减小时，其携带能力也会减小，导致沉积物沉积在河床上。

其次，河流的淤积还与河道的形态和沉积物的特性有关。

河道的曲率、宽度和横断面形状等因素都会影响河流的水动力特征，从而影响沉积物的沉积过程。

河流淤积的过程可以分为沉积物运动和沉积两个阶段。

在沉积物运动阶段，水流的作用下沉积物被搬运到河道中的较低位置。

这个过程中，河流的水动力特征决定了沉积物的运动速度和方向。

水流速度越大，悬移质量浓度越高，沉积物的运动速度也就越快。

而在沉积阶段，随着水流速度的减小，沉积物逐渐沉积在河道底部或两岸。

这个过程中，沉积物的颗粒大小和密度决定了其沉积速度和沉积层的厚度。

河流淤积是一个动态过程，河流淤积物的形成和消失是同时进行的。

当河流的输沙量大于搬运和淤积的能力时，河道底部的淤积物将逐渐堆积起来，形成河床的升高。

相反，当河流的输沙量小于搬运和淤积的能力时，河道底部的淤积物将被侵蚀，河床的高度将逐渐降低。

这种动态平衡状态决定了河流淤积现象的周期性。

河流淤积现象对于河流的环境和生态系统有着重要的影响。

首先，河流淤积会改变河道的形态和水文特征。

河床的升高会导致河水的水位升高，增加洪水的威力和频率。

其次，河流淤积还会影响河流的水质和生物多样性。

沉积物中的有机物和污染物会对水质产生影响，而沉积物的沉积和悬浮态颗粒物的含量也会影响河流中的生物群落结构。

为了管理和保护河流资源，我们需要深入了解河流淤积原理，预测和评估河流淤积现象的发展趋势。

基于对河流淤积原理的研究，我们可以采取一系列措施来减轻淤积现象的影响。

例如，加强土壤保护，控制河岸侵蚀和河床冲刷，合理规划河道的疏浚和改道工程等。

河流动力学及泥沙汇报人：日期:•河流动力学概述•河流动力学的基本原理•泥沙的基本性质•河流泥沙运动的基本规律•河流泥沙问题的解决策略与案例分析•河流动力学及泥沙研究的前沿与展望01河流动力学概述河流动力学的定义和研究内容河流动力学的定义河流动力学是研究河流运动规律和物理机制的科学，它涉及到水文学、气象学、地貌学、物理学等多个领域。

研究内容主要包括河流的流速、流量、水位、水深、泥沙输移、河床演变等，以及由这些要素组成的流域水沙循环系统的宏观过程和微观机制。

河流动力学的重要性理论意义实践意义河流动力学的发展历程起源发展现状02河流动力学的基本原理动量方程描述水流中单位时间内动量守恒的原理。

能量方程描述水流中单位时间内能量守恒的原理。

连续方程水流运动的基本方程单位时间内通过某一断面的水量，通常用立方米/秒或加仑/秒为单位表示。

河流水位与流量流量水位流速流态河流的流速与流态阻力水流运动中受到的阻力，包括摩擦阻力、涡旋阻力等。

能量消耗水流运动中能量损失的大小，通常用能量方程计算。

河流的阻力与能量消耗03泥沙的基本性质根据泥沙的组成、搬运方式和沉积特点，可分为无机泥沙、有机泥沙和生物碎屑等。

特性泥沙具有不同的物理、化学和生物特性，如粒径、形状、密度、硬度、耐磨性等，这些特性影响其搬运、沉积和地貌形成的过程。

分类泥沙的分类与特性VS泥沙的搬运与输移搬运方式输移过程泥沙的沉积与地貌形成沉积类型地貌形成04河流泥沙运动的基本规律泥沙颗粒的碰撞与粘附泥沙颗粒的离散与聚集牛顿力学模型泥沙运动的力学模型01阻力与浮力的计算公式02阻力系数与浮力系数的确定03阻力与浮力对泥沙运动的影响泥沙运动的阻力与浮力床面形态的分类与特征水沙平衡的概念及建立床面形态对河流动力学行为的影响010203泥沙运动的床面形态与水沙平衡05河流泥沙问题的解决策略与案例分析03植物防护01河道整治02疏浚与清淤河流治理与泥沙控制的一般方法水库淤积由于入库水流携带的泥沙超过了水库的调节能力，导致水库淤积。

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%。

河流泥沙测验方法河流中的泥沙，按其运动形式可分三类：悬移质泥沙浮于水中并随之运动；推移质泥沙受水流冲击沿河底移动或滚动；河床质泥沙则相对静止而停留在河床上。

三者没有严格的界线，随水流条件的变化而相互转化。

一般情况，河流中泥沙以悬移质为主。

描述河流中悬移质的情况，常用的两个定量指标是含沙量和输沙率。

单位体积内所含干沙的质量，称为含沙量，用Cs表示，单位为kg/m3。

单位时间流过河流某断面的干沙质量，称为输沙率，以Qs表示，单位为kg/s。

断面输沙率是通过断面上含沙量测验配合断面流量测量来推求的。

（一）含沙量的测量含沙量测验，一般需要采样器从水流中采取水样。

我国目前使用较多的采样器有横式采样器和瓶式采样器。

不论用何种方式取得的水样，都要经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等手续，才能得出一定体积浑水中的干沙重量。

水样的含沙量可按式计算：式中：Cs --- 水样含沙量，g/L 或kg/m3；Ws --- 水样中的干沙重量，g 或kg；V --- 水样体积，L或m3；（二）输沙率测验输沙率测验是由含沙量测定与流量测验两部分工作组成的。

为了测出含沙量在断面上的变化情况，由于断面内各点含沙量不同，因此输沙率测验和流量测验相似，需在断面上布置适当数量的取样垂线，通过测定各垂线测点流速及含沙量，计算垂线平均流速及垂线平均含沙量，然后计算部分流量及部分输沙率。

对于取样垂线的数目，当河宽大于50m时，取样垂线不少于5条；水面宽小于50m时，取样垂线不应少于3条。

垂线上测点的分布，视水深大小以及要求的精度而不同。

（三）悬移质输沙量的计算人们从不断的实践中发现，当断面比较稳定、主流摆动不大时，断面平均含沙量（简称断沙）与断面某一垂线或某一测点的含沙量（简称单沙）之间有稳定关系。

通过多次实测资料的分析，建立其相关关系。

这样经常性的泥沙取样工作可只在此选定的垂线（或其上的一个测点）上进行，便大大地简化了测验工作。

根据多次实测的断面平均含沙量和单样含沙量的成果，以单沙为纵坐标，以相应断沙为横坐标，点绘单沙与断沙的关系点，并通过点群中心绘出单沙与断沙的关系线。

泥沙动力学泥沙动力学00形成原理概述河流中泥沙在水流作用下产生的各种运动。

泥沙按其在水流中的运动状态，分为推移质和悬移质。

推移质指受拖曳力作用沿河床滚动、滑动或跳跃前进的泥沙；悬移质指受重力作用和水流紊动作用悬浮于水中随水流前进的泥沙。

在一定水流条件下，这两种泥沙可以互相转化。

泥沙的起动定义泥沙的起动：指泥沙在一定水流条件下由静止转入运动。

促使水平河床上的泥沙颗粒起动的力有上举力和推移力等。

颗粒抗拒起动的力有重力、颗粒间的摩擦力和物理化学作用引起的粘结力等。

当起动的力大于抗拒起动的力时，泥沙便由静止转入运动。

泥沙起动的水流条件用起动流速或起动拖曳力表示。

起动流速指泥沙由静止到起动的临界状态下的沿断面或垂线的平均流速。

起动拖曳力指泥沙处于起动临界状态下的床面剪切力。

无粘性均匀沙起动流速与泥沙粒径成正比，粘性细泥沙起动流速与粒径成反比。

研究斜坡上粘性沙的起动，还需要考虑床面倾斜。

沙波运动沙波运动：当流速超过起动流速一定程度，推移质运动达到一定规模时，河床表面形成起伏的沙波。

沙波运动是推移质运动的主要形态。

沙波由波峰、波谷和波高等组成(见图)。

相邻两波峰(或波谷)之间的长度称为波长，波峰与波谷之间的垂直距离称为波高。

天然河道上沙波的尺度大小很不一致。

最小的沙波叫沙纹，波高约1～2厘米，波长约几厘米至十几厘米。

中等尺度的沙波叫沙垅，波高由不足 1米到2～3米，波长由几米到100米以上。

最大的沙波叫沙丘,波高一般在几米，波长可达数百米。

天然河道上的沙波运动主要指沙垅运动。

沙波表面附近的水流速度分布很不均匀，波谷处最小，波峰处最大。

水流越过波峰以后，常常发生分离现象，产生水平轴向的回流，使沙波表面附近的流速成为负值。

这样的流态使沙波迎流面成为冲刷区，背流面成为淤积区，综合作用结果使整个沙波向下游爬行。

天然河道中沙波运动总是落后于水流运动。

沙波的运动速度还没有理想的计算公式。

悬移质含沙量沿垂线的分布一般近水面含沙量小，随水深而增大。

长江口水动力学及其泥沙运输规律一、长江口概况：长江河口地处我国东部沿海，受到来自流域径流、泥沙和外海潮流、成水入侵、风、波浪及河口科氏力和复杂地形等绪多园了的影响，动力条件多变，泥沙输运复杂。

从陆海相互作用的角度看，长江河口至少存在几个水沙特性不同的典型河段，而每个典型河段又存在不同性质的界面，如：大通河段(潮区界)、江阴河段(潮流界)、徐六径河段(盐水入侵界)、拦门沙河段(涨落潮流优势转换界面)、口外海滨区(泥沙向海扩散的外边界和长江冲淡水扩散的外边界)。

每个典型河段及关键界而都涉及到物质和能量的传输；每个典型河段及关键界面都有其固有性质，且相互影响，可以说河口过程在很大程度上被发生在每个典型河段的界面上各种现象所制约。

二、水动力方程及验证1、长江口水动力过程的研究进展（长江口水动力过程的研究进展）在过去20多年中, 长江口水动力过程研究成果大量来自河口海岸学家、物理海洋学家、海岸工程师、环境流体力学家的文献、著作。

本文的目的是力图把这些文献(以正式发表的文献为准,不包括研究报告)汇集起来,对长江口潮流、余流、波浪、盐水入侵的研究进行总结, 究竟我们对长江口水动力过程了解多少?究竟长江口水动力过程还有哪些问题值得研究?1.1 长江口余流、环流、水团、长江冲淡水基于现场实测资料, 胡辉等1985年对长江口外海滨余流的运动变化特性进行了一定的研究。

研究结果表明: 长江口外余流约为潮流的1/ 2～1/ 5 , 上层余流以向东为主, 中层余流多偏北, 底层余流有偏西的趋势。

径流是长江口外上层余流的重要组成部分,并以冲淡水的形式存在; 中、下层余流则与台湾暖流的顶托和牵引有关。

王康、苏纪兰1987年研究了长江口南港的横向环流、垂直环流及其对悬移质输运的影响。

在前人基础上导出了长江口相对观测层次的物质断面传输公式,增加了反映环流及振荡切变的各种相互关系的有关项。

基于现场观测资料,Wang等1990年研究了长江口水团、长江冲淡水团等的基本特征。

河流落差增大,下游河道泥沙颗粒变粗的原因河流落差增大、下游河道泥沙颗粒变粗的现象通常与河流流态变化和地质条件有关。

以下是可能导致这种变化的原因：
侵蚀作用：随着河流的落差增大，水流对河床和岸边的侵蚀作用可能增强。

这会导致下游的河道携带更多的粗砂、砾石和岩石碎屑。

河流能量增加：落差增大使得河流的动能增加，水流的速度和流态可能发生变化。

高速水流有更强的搬运能力，能够携带和输送更大颗粒的泥沙。

地质条件：下游地区的地质条件可能发生变化，例如，岩石的风化和分解，或者沉积物的不同类型。

这些变化可以影响下游泥沙的颗粒大小。

输移过程：随着河流沿程的输移，泥沙颗粒可能经历不同的运动和沉积过程，这也可能导致颗粒的分选，使得较大颗粒集中在下游。

沉积过程：高落差的河段可能使得颗粒在输移过程中更容易沉积，而这些沉积物往往包括较大颗粒，导致下游河床的颗粒变粗。

需要指出的是，这种变化是河流自然演化的一部分，但在一些情况下，也可能与人为活动有关，如水坝的建设、过度开采河流资源等，这些活动可能会加速泥沙颗粒的变化。

河流泥沙运动规律与河道治理引言河流是地球上最为重要的水系之一，承载着大量的水资源和泥沙。

然而，由于人类活动的影响，许多河流面临着严重的河道淤积和泥沙问题。

了解河流泥沙运动规律，并采取有效的河道治理措施，对于保护河流生态环境，维护人类利益具有重要意义。

一、河流泥沙运动规律1. 影响河流泥沙运动的因素河流泥沙运动的规律受多种因素的共同作用，其中包括水流流速、水位高度、河床坡度、泥沙颗粒大小等。

这些因素相互影响，共同决定了河流泥沙运动的强度和方向。

2. 泥沙输运方式河流泥沙的输运方式主要分为泥沙悬浮输运和底沙推移输运两种。

泥沙悬浮输运是指泥沙颗粒悬浮在水中，随水流运动；底沙推移输运则是指泥沙颗粒沉积在河床上，随着水流推移。

3. 泥沙运动的空间分布河流泥沙运动的空间分布通常不均匀，多数泥沙聚集在河底陡坡处，形成河床淤积。

同时，在河流拐弯处和河床凹地也容易聚集大量泥沙。

二、河道治理措施1. 河道疏浚河道淤积是制约河流泥沙运动的主要问题之一。

对于淤积严重的河道，需要进行疏浚。

疏浚可以采用机械疏浚或清淤炸药等方法，清除河流中的淤泥和杂草，保持河床畅通。

2. 河道护岸河岸的塌陷会加剧泥沙的沉积，增加河道淤积的风险。

因此，合理的河道护岸工程是非常必要的。

河道护岸可以采用石块、混凝土等坚固的材料固定河岸，减少河流泥沙的沉积。

3. 人工开挖河床当河道出现明显的淤积、严重阻塞，人工开挖河床是一种较为有效的河道治理手段。

通过开挖河床，可以恢复河流的正常水力条件，使河流泥沙运动得以顺畅进行。

4. 河道生态修复河道沉积物的携带和河床的淤积会对河流生态环境造成一定的影响。

因此，对于受到污染和破坏的河流，进行生态修复是非常必要的。

生态修复可以通过植物的引入、湿地的恢复等方式，改善河流的水质和生态环境。

结论河流泥沙运动规律与河道治理紧密相连。

了解河流泥沙运动规律，可以为河道治理提供科学依据；同时，通过有效的河道治理措施，可以减轻河道淤积和泥沙问题，维护河流生态环境，保护人类利益。

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Uc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 = 4.66131hd（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Uc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/sH = 500/200 = 2.5 m由沙莫夫公式Vc= 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s∵ V > Vc，∴河床会发生冲刷。