基本介紹
- 中文名：河流泥沙
- 外文名：river sediment
- 釋義：河水挾帶的岩土顆粒
- 特性：主要有4點
基本介紹,泥沙特性,群體特性,泥沙分類,含沙量和輸沙量,泥沙運動基本規律,河流泥沙運動特徵,起動流速,沙波運動,懸移質泥沙的分布,水流挾沙能力,水利水電工程中的泥沙問題,河流泥沙問題的研究方法,
基本介紹
中國黃河是世界著名的多沙河流，《漢書·溝洫志》記：“河水重濁，號為一石水而六斗泥”，表明中國古時對黃河泥沙已有定量的認識。
泥沙特性
有泥沙顆粒的特性和泥沙群體的特性兩種。泥沙顆粒的特性主要有：
①重度，單位體積泥沙顆粒的重量，以千克/米3表示，其數值隨泥沙的岩性不同而異，礦物成分主要是石英和長石，泥沙的重度一般約2650千克/米3。
②粒徑，泥沙顆粒大小的一種量度，有不同方法表示。常用的有等容粒徑即體積與泥沙顆粒相等的球體的直徑；篩徑,即用具有不同孔徑的標準篩,對泥沙進行分篩求出的粒徑；沉降粒徑，即根據粒徑與沉降速度的關係算出的粒徑等。
③沉速，指泥沙顆粒在無邊界靜水內的沉降速度，以米/秒或毫米/秒表示。它也可作為泥沙顆粒大小的一種量度，故又稱泥沙的水力粗度。沉速綜合反映顆粒和水的特性，因而是泥沙運動的一個重要參數。
河流泥沙相關圖書
河流泥沙相關圖書④細粒泥沙表面的物理化學性質，主要決定於顆粒表面雙電層和吸附水膜的性質。細顆粒泥沙的絮凝（見河口泥沙運動）和分散等現象都與雙電層和吸附水膜的結構有關。
群體特性
群體特性，泥沙總是由無數大小不同、形狀不同和礦質不同的顆粒混合而成，呈群體形式存在。這種泥沙群體主要的統計特性有：
①粒徑分布，一般顆粒大小差異較大,很離散,常用泥沙顆粒級配曲線表示(圖1)。
②泥沙顆粒粒徑的算術平均值稱算術平均粒徑。
③中值粒徑，即在泥沙顆粒級配曲線上與縱坐標50%相應的粒徑，在全部沙群中，大於或小於這一粒徑的泥沙在重量上剛好相等。用中值粒徑概括泥沙群體的粒徑能較小受極端值（最大及最小粒徑）的影響。
④泥沙群體的乾容重和孔隙率，乾容重指單位體積泥沙群體內乾燥泥沙的重量，以噸/米3計。孔隙率指單位體積泥沙群體內空隙所占的體積。
⑤均勻沙的群體沉速，當大小相同的沙粒群體的含沙量大於 2%左右時，顆粒將相互牽連，混為一體，全部顆粒以同一速度下沉，這種沉速稱為均勻沙的群體沉速。
泥沙分類
泥沙按粒徑特性和輸移特性分類。按粒徑特性分類較著名的有：阿特爾貝里分類，創於19世紀初期，1927年為國際土壤學會所採納，在歐洲廣泛套用；溫特沃思分類，1947年美國地球物理學會制訂的新分類標準與溫特沃思分類基本相同。
按泥沙輸移特性分為推移質和懸移質（見河流泥沙運動）。在懸移質泥沙中，部分細顆粒泥沙隨水流一瀉千里，不在河槽中沉降，不參與河床泥沙的交換，稱沖瀉質或非造床質；其餘較粗顆粒則參與河床泥沙的交換和沖淤變化，稱為床沙質或造床質。推移質一般僅占懸移質泥沙的5～10%，在山區河流,有時可占10～20%或更多。
中國沙玉清於1947年研究泥沙分類，在傳統分類的基礎上提出了比較全面的泥沙分類（表1）。
含沙量和輸沙量
單位體積渾水中所含泥沙的數量稱含沙量，單位為千克/米3。一定時段內通過河道某斷面的泥沙數量稱為該時段的輸沙量，單位為千克或噸。表2為中國某些河流多年平均含沙量和輸沙量。 輸移泥沙的時空分布 河流含沙量隨時間而變化。一年中最大含沙量出現在汛期，最小含沙量在枯水期。在一次洪水過程中，最大含沙量稱沙峰。沙峰不一定與洪峰同時出現，一年中首場大洪水的沙峰常比洪峰出現早,以後則可能同時出現，也可能沙峰滯後於洪峰（圖2)
含沙量沿水深的分布，通常在水面處最小，河底處最大。懸移質中粗粒泥沙含量近河底很大。自河底向上則急劇減小。較細的顆粒,如粉砂和粘土,沿水深的分布則較均勻。含沙量沿水深基本呈某種指數曲線分布，指數值與泥沙顆粒的大小和水流條件有關。由於水內各種副流的影響，最大的含沙量也可能不在靠近河底，而是在河底以上的某一位置。
含沙量在河流橫斷面上的分布隨斷面上水流情況不同而異。如水流在斷面上的分布比較均勻，含沙量的橫向分布較均勻。如水流情況較複雜，則含沙量的橫向分布往往很不均勻。含沙量沿河長的分布，一般從上游向下游遞減，也取決於流域產沙特性、河道特性和支流匯入等因素的影響程度。黃河中游流經黃土高原，沿途有高含沙量的支流匯入，因而含沙量反而沿程增加，下遊河床開闊，大量泥沙落淤，含沙量才趨向減小。
泥沙運動基本規律
包括泥沙的沉速、泥沙的起動、河流的沙波運動、河道阻力、推移質運動、懸移質運動以及水流挾沙力等。河流泥沙運動的特殊形態還有高含沙水流、土石流、異重流和波浪作用下的泥沙運動等。根據河流中泥沙運動的形式，把泥沙區分為推移質泥沙和懸移質泥沙。推移質泥沙是指在河床面上滑動、滾動或短時間躍離然後又落回床面的泥沙顆粒;懸移質泥沙是懸浮在水流中隨水流運動的泥沙顆粒。在一定水流條件下，這兩類泥沙可能同時存在，它們相互之間以及和床沙之間不斷存在著交換。沖積河流中挾沙水流的運動是一種相當複雜的現象。在運動過程中，水流和泥沙相互發生作用。一方面水流通過消耗其紊動能量挾帶和輸送泥沙;另一方面，泥沙的存在又反過來改變水流的物理性質和水流結構，從而影響水流中能量、流速和含沙濃度。特別當水流中泥沙含量較高時，不能忽視泥沙對水流結構的影響。
河流泥沙運動特徵
起動流速
泥沙從靜止到起動時的臨界流速叫起動流速。泥沙從運動到靜止時的臨界流速叫止動流速。在觀測和試驗基礎上建立的起動流速公式很多，各有其適用條件。
沙波運動
沙波又稱沙浪，是天然河流中泥沙運動的一種形式，沙波的迎水面流速較大，是沖刷區。波峰以後，流速減小，出現橫軸旋渦，部分泥沙沉積在波谷，為淤積區。沙波迎水面沖刷，背央淤積，使沙波大體上呈不變外形，以緩慢速度向下游移動。這一推移過程也是推移質向下游輸沙的過程，故推移質輸沙率和沙波現象有密切的關係。沙波是在泥沙起動後出現的。如果流速加大，泥沙運動加尉到某一程度後，沙波會自行消失。所以，沙波現象只是泥沙運動到某一階段產生的現象，而不是泥沙運動必然有的現象。沙波的出現加大了河床的頻率，影響了水流的結構，而水流結構又影響泥沙運動。這種互為因果的現象，對於了解河道水流阻力和水頭損失是十分重要的。
懸移質泥沙的分布
懸移質泥沙的含沙量，在垂線方向上的分布是不均勻的，斷面上的分布通常水面小而河底大，自水面向河底逐步增加。由於水流的脈動和紊流能量變化的影響，斷面上某一固定位置的水流含沙量也有脈動現象。因此，進行含沙量測驗時，要有足夠的取樣時間，以消除脈動影響。
水流挾沙能力
河流中懸移質泥沙，在隨水流運動的過程中，可能有細顆粒懸浮起來，也可能會有粗顆粒沉積下去。如果下沉的顆粒多於懸浮的顆粒，則河床發生淤積；相反，則河床發生沖刷。如二者相等，就說明水流含沙達到飽和，這種飽和含沙量叫做水流挾沙能力。在天然河流中，推移質的數量一般占的比重不大，並且在水文測驗與分析計算中對懸移質和推移質是分別進行的，因此通常所指的挾沙能力僅指懸移質泥沙而言。水流挾沙能力是水流、泥沙和河床條件綜合影響的結果，是一項十分複雜的課題。目前，研究這個問題大致有兩種方式：一是從能量平衡觀點建立通用公式，二是從實測資料分析建立經驗公式。
水利水電工程中的泥沙問題
(1)泥沙在水庫中沉積會侵占水庫的調節庫容，減少水庫調節能力，降低水庫的防洪能力和興利效益。水庫中泥沙的沉積還會使水庫回水上延，抬高上游地區的洪水位，增加淹沒損失和浸沒損失。(2)泥沙在水庫變動回水區淤積可能導致航深不足，發生礙航現象。(3)低水頭樞紐或已淤至平衡階段的水庫，泥沙推進至壩前，可能產生電站進水口淤堵，泥沙進入水輪機組造成磨損等問題。(4)對於具有通航建築物的水利樞紐，通航建築物上下游引航道中的泥沙淤積會引起通航的困難。(5)泥沙在引水渠系中的淤積會導致引水流量不足，供水效益降低，並耗費大量清淤的人力和物力。(6)在水庫攔蓄泥沙後，清水下泄可能造成下遊河道的沖刷下切及河道展寬，甚至引起河勢變化，影響堤防、護岸、取水建築物等工程設施的安全和效益。(7)平原河道中累積性的泥沙淤積會抬高洪水位，降低河道宣洩洪水的能力，增加洪水的災害和損失。(8)航道港口及河口的泥沙淤積，影響航運及河口演變。
河流泥沙問題的研究方法
可以概括成3個方面：①室內的水槽試驗和實物模型的試驗研究;②通過數學模型對泥沙問題進行計算和分析;③利用野外觀測資料和已建工程的原型觀測資料進行分析。目前泥沙理論還不夠成熟，通過不同途徑，對生產中的泥沙問題進行多方面的綜合研究是必要的。
