水流挟沙力的影响因素分析和优化方法

水流挟沙力是水沙运动基本理论研究中最棘手的难题之一。长期以来，国内外的研究者通过各种手段对水流挟沙力的问题进行了大量的研究，研究者透过理论分析，或者根据原型观测或试验资料，提出了很多理论公式、半经验的或经验的水流挟沙力公式。如爱因斯坦（H.A Einstein）根据泥沙运动统计理论，将悬移质与推移质及沙床组合起来考虑，建立了床沙质泥沙单宽输沙率公式；张瑞瑾等从能量平衡原理出发，按一维问题提出的半理论公式；沙玉清收集了梅叶-彼得、美国水槽试验站和其他一些学者的水槽试验资料，通过回归分析构建了挟沙力计算公式；杨志达根据单位水流功率理论及因次分析法推出了挟沙力计算公式。其中，张瑞瑾以大量实测资料和水槽中阻力损失及水流脉动速度的试验成果为基础，在制紊假说的指导下，由能量平衡理论推导的水流挟沙力公式：

式中：S*为以质量计的水流挟沙力；U为断面流速；ω为泥沙沉速；R为水力半径；g为重力加速度；k、m分别为挟沙力系数和挟沙力指数，对于不同的河道具有不同的取值，在计算时可根据实测资料确定。

由于张瑞瑾公式是基于能量平衡而推导的半经验公式，在量纲上是和谐的。

韩其为以张瑞瑾的挟沙力公式为基础，利用汉江丹江口水库、汉江中下游、黄河三门峡水库、官厅水库、长江荆江河段、黄河下游河道及渠道、克诺罗兹试验、凯林斯基细沙试验等资料，总结了张瑞瑾公式的指数和系数的取值经验，同时结合泥沙数学模型在大量工程的应用实践后认为：当含沙量小于100kg/m3时，挟沙力公式的指数m值为定值0.92，k值在0.114～0.327变化。韩其为率定的挟沙力系数和指数在工程实践中得到了广泛应用。

对于高含沙水流，由于大量泥沙颗粒的存在，水流的物理特性、运动特性以及泥沙颗粒的沉降特性等都会发生较大的变化。张瑞瑾公式没有考虑含沙量对水流挟沙力的影响，造成高含沙水流的适应较差。已有成果表明，该式适合含沙量小于50～100kg/m3时的挟沙力计算，对于高含沙水流，计算误差较大。为此，张红武从能量消耗和泥沙悬浮功之间的关系出发，考虑了泥沙对卡门常数和泥沙沉速的影响，给出了适用于不同含沙量的悬移质水流挟沙力公式：(www.xing528.com)

其中

式中：S*为水流挟沙力；γs为泥沙容重；γm为浑水容重；S为含沙量；λ为水流阻力系数；η为挟沙效率系数；U为断面水流平均流速；R为水力半径；g为重力加速度；d50为床沙中值粒径；κ为卡门常数。

虽然张红武公式的处理过程有一定的经验性，但其计算范围的包容性相对较好，且自建立以来，经过长江、黄河、辽河及Muddy等国内外河川实测资料的验证表明，该公式不但适用于一般挟沙水流，而且适用于高含沙水流。王光谦、舒安平、江恩惠、陈明、韦直林等的研究也表明现阶段以该公式的计算精度最高。