水文學(xué)-7第七章河流泥沙

第七章河流泥沙

溝谷槽道中的水流所攜帶以及堆積于其中的固體顆粒稱為河流泥沙(riversediment)，簡稱泥沙(sediment)。黃土高原河流

HighconcentrationofsuspendedsedimentsinXiaoheBrook,thesmallstreamflowingintoXiaoheReservoirafterastormindicatingveryintensivesoilerosioninthecatchmentofthisreservoir(ThephotowasshotinAugust2005)(SeeFigure4forthelocationofXiaoheReservoirinGuizhouProvince)石漠化貴州的石漠化第一節(jié)河流泥沙的來源一、流域侵蝕在匯水流域內(nèi)的坡地上，因水、重力或風(fēng)等的作用，土壤或其它地表物質(zhì)破碎、遭受剝離、發(fā)生移動并進(jìn)入溝谷槽道，隨水流運(yùn)動或堆積于其中，便成為泥沙。可將流域內(nèi)發(fā)生的侵蝕分為層狀侵蝕、溝狀侵蝕、陷穴侵蝕以及滑坡等。1．層狀侵蝕(片蝕)雨滴將坡地上的土壤或其它地表物質(zhì)的顆粒濺起，落下的顆粒較前相對疏松且在坡地的下部相對為多；層狀的漫流出現(xiàn)后，可將這些松散的顆粒移動，坡地表面均勻地遭受剝夷，這就是層狀侵蝕，又稱片蝕。層狀侵蝕不易測出，也常被人們忽視，但其在整個流域坡地的表面均會發(fā)生，故為河流泥沙的重要來源之一。2.溝狀侵蝕(溝蝕)

在坡地上，漫流經(jīng)匯聚成為束狀的細(xì)溝水流；若水流紊動力足夠大，便可沖刷溝底或溝岸，這就是溝狀侵蝕，又稱溝蝕。因水流的沖刷，首先在耕作層中出現(xiàn)網(wǎng)狀細(xì)溝，深度由數(shù)厘米至數(shù)十厘米，寬約10-15cm；隨著侵蝕的持續(xù)，母質(zhì)層被切入，淺溝出現(xiàn)，深度常為0.5-1.5m，寬約為1m；隨著侵蝕的進(jìn)一步持續(xù)，切溝形成，深度至少為1m，甚至可為20m以上。3.陷穴侵蝕土層因內(nèi)部出現(xiàn)空洞失去支撐而下塌稱為陷穴侵蝕。在中國西北的黃土高原地區(qū)，陷穴侵蝕十分常見。黃土非常疏松且含有大量的可溶性碳酸鹽，土體垂直節(jié)理極為發(fā)育。雨水滲入土體中，碳酸鈣鹽即被溶解，久而久之，內(nèi)部形成空洞，上部土層失去支撐，下垮形成陷穴。4.滑坡斜坡上的土體或巖體因種種原因在重力的作用下沿一定的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生整體順坡下滑稱為滑坡。2011年1月巴西遭遇滑坡和泥石流2011年1月巴西遭遇滑坡和泥石流2011年1月巴西遭遇滑坡和泥石流二、河道沖刷河道遭受水流的沖蝕，其組成物質(zhì)的顆粒隨水運(yùn)動或堆積下來，成為泥沙。河道沖刷包括河底沖刷及河岸沖刷。1.

河底沖刷在河道中，水流下切，使底床加深，這就是為河底沖刷。河底沖刷主要出現(xiàn)在河流的上、中游。2.

河岸沖刷在河道中，水流左右擺動，沖蝕側(cè)岸，其中以沖蝕岸灘最為顯著，這就是河岸沖刷。河岸沖刷多發(fā)生在河流的中、下游，使河道的橫斷面變化。

一般來說，流域侵蝕是泥沙的最主要的來源，而河道沖刷則相對次要。第二節(jié)河流泥沙的特性常用泥沙的幾何特征、容重以及水力粗度表征其特性。

一、泥沙的粒徑和顆粒級配1.

泥沙的粒徑泥沙顆粒的形狀是多種多樣的。較粗的泥沙顆粒，經(jīng)常沿著河底運(yùn)動，相互碰撞和摩擦的機(jī)會較多，故多呈球形或橢球形。較細(xì)的泥沙顆粒，經(jīng)常懸浮于水中，相互碰撞和摩擦的機(jī)會較少；此外，其中大多數(shù)為較粗顆粒破碎后的堅(jiān)硬部分，難于磨損，故多呈極不規(guī)則的棱角形。因?yàn)橹械群洼^粗的泥沙顆粒的形狀近于球體，所以，可以近似地用球體代替泥沙顆粒的真實(shí)的形狀，即可以用相等顆粒容積球體直徑(等容粒徑)表示泥沙顆粒的直徑，有：在上式中，D：泥沙的等容粒徑(mm)；V：泥沙的體積(mm3)但實(shí)際上，常以泥沙顆粒的長軸、中軸和短軸的平均值計(jì)算泥沙的等容粒徑，即：在上式中，

D：泥沙的等容粒徑(mm)；

a：泥沙顆粒的長軸(mm)；

b：泥沙顆粒的中軸(mm)；

c：泥沙顆粒的短軸(mm)

山區(qū)河流的縱比降大，水的流速也大，水流能夠推動直徑達(dá)幾米的大石塊；平原河流的縱比降小，水流只能挾運(yùn)直徑僅為幾毫米的沙粒。一般來說，上游河段的縱比降較大，因而其中的水流挾運(yùn)的泥沙的粒徑較大；而下游河段的縱比降較小，故其中的水流挾運(yùn)的泥沙的粒徑較小。

表7-1表明在長江荊江段的上、下段的河床泥沙的粒徑便是如此。表7-1長江荊江段河床泥沙的粒徑(據(jù)胡方榮和侯宇光，1985)河段起止地點(diǎn)各粒徑(mm)組所占百分比(%)0.10-0.200.20-0.250.25-0.50上荊江枝江－藕池口50.822.721.9下荊江藕池口－城陵磯60.618.17.4紅楓湖水庫紅楓湖水庫的四條入庫河流及其流域系列1為HFsed-1和HFsed-2;系列2為HFsed-3和HFsed-4;系列3為HFsed-5和HFsed-6;系列4為HFsed-11和HFsed-122.

泥沙的顆粒級配一定數(shù)量的泥沙的粒徑很少是均勻的，它們常常包含大小不一、形狀各異的顆粒。泥沙集群中不同粒徑級別的顆粒占顆粒總數(shù)的百分比稱為泥沙的顆粒級配。以泥沙的粒徑為橫坐標(biāo)、粒徑小于此種粒徑的泥沙顆粒在全部泥沙顆粒中所占的百分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)繪制的曲線稱為泥沙顆粒分配曲線(圖7-1)。泥沙的顆粒級配反映了泥沙群體的粒徑的平均狀況，了解泥沙的顆粒級配比了解泥沙單體顆粒的粒徑更有意義，在生產(chǎn)實(shí)踐中尤為如此。二、泥沙的比重和干容重1.

泥沙的比重泥沙樣品中各個顆粒的實(shí)際重量之和與所有顆粒的實(shí)際體積之和之比，即無孔隙的單位體積的泥沙樣品的重量，稱為泥沙的比重，即：在上式中，：泥沙的比重(g/cm3)；Ws：泥沙各個顆粒的實(shí)際重量之和(g)；V：泥沙各個顆粒的實(shí)際體積之和(cm3)泥沙的比重大致為2.60-2.70g/cm3，在實(shí)際應(yīng)用中常取平均值2.65g/cm3。2.

泥沙的干容重包括孔隙的單位體積的干泥沙樣品的重量稱為干容重或容重，干容重與比重之間存在著一定的關(guān)系：在上式中，：泥沙的干容重(g/cm3)；：泥沙的比重(g/cm3)；：泥沙的孔隙比，即泥沙樣品的孔隙體積與樣品中全體顆粒體積之和之比查表可得一些粒徑的泥沙的孔隙比和干容重。三、泥沙的水力粗度泥沙在靜水中均勻沉降的速度稱為水力粗度。泥沙的比重大于水的比重，泥沙在靜水中沉降時，除了受到重力的作用之外，還受到水流的阻力作用。當(dāng)泥沙開始沉降時，所受的重力的大小大于所受的阻力的大小；隨著沉降的進(jìn)行，泥沙的沉降速度不斷增大，但其所受的阻力的大小也不斷增大；至某一時刻，泥沙所受的阻力的大小與其所受的重力的大小相等，泥沙以均勻速度沉降，這一速度便稱為泥沙的沉降速度。沉降速度的大小在一定程度上可反映泥沙的粒徑，故又稱為泥沙的水力粗度。

沙玉清根據(jù)泥沙的粗細(xì)和形狀進(jìn)行分類，并根據(jù)實(shí)測資料建立的經(jīng)驗(yàn)公式，算出其沉速，結(jié)果如表2-6，對于沉降時處在紊流區(qū)的粗顆粒來說，水流的粘性影響很小，沉速只是粒徑的函數(shù)。表2-6天然泥沙的沉速(續(xù)表)(沙玉清結(jié)果)(《泥沙手冊》p63)泥沙的水力粗度的計(jì)算公式的基本形式為：在上式中，：泥沙的水力粗度；：泥沙的比重；：水的比重；：重力加速度；：泥沙顆粒的粒徑；：阻力系數(shù)，阻力系數(shù)的取值與泥沙所在的水流的流態(tài)有關(guān)若泥沙所在的水流為層流，則有：在上式中，：運(yùn)動粘滯系數(shù)；其它各項(xiàng)的含義與上式中相同若泥沙所在的水流為紊流，則有：在上式中，各項(xiàng)的含義與上面公式中相同水利電力部(水文測驗(yàn)試行規(guī)范，1975)提出，按粒