水文学原理：悬移质泥沙运动规律

悬移质泥沙常简称为悬沙，我国各大河流动泥沙中悬沙占主要部分。水流紊动使泥沙颗粒悬浮，重力使之下沉，两种力的作用制约了悬沙的运动。

1.悬沙描述方式

悬沙计量常用含沙量ρ、输沙率Qs和输沙量Ws来描述。含沙量ρ为单位体积浑水内所含泥沙的质量，以kg／m3计；而输沙率Qs则为单位时间内通过河流某断面的悬沙质量，以kg／s计；输沙量Ws为时段T内通过河流某断面的悬沙质量，以kg计。三者分别用式（11.5），式（11.6）和式（11.7）计算：

图11.2　沙粒受力示意图

式中：W为泥沙质量，kg；V为浑水体积，m3；Q为流量，m3／s；T为时段，s。

2.水流的挟沙能力

当水流挟带一定量的悬沙通过某河段时，既不冲刷也不淤积，则此时水流的挟沙量即为其挟沙能力。挟沙能力与悬沙粒径、平均沉降速度、断面平均流速和水力半径等因素有关。若干研究机构或个人已建立了许多经验公式，可参照具体条件使用。如我国黄河水利委员会水科学研究所依据黄河干支流实测数据提出了下述经验公式：

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式中：s为水流挟沙能力，kg／m3；v为断面的平均流速，m／s；R为水力半径，m；ω为悬沙的加权平均沉降速度，m／s。

3.悬沙的时空变化

悬移质泥沙随时间的变化及其空间分布简称悬沙时空变化。

悬沙随时间的变化以年为周期，最小含沙量通常出现在冬季，最大含沙量与输沙率发生于洪水期。初汛径流会将枯水期流域表层积累的岩土风化物带入河中，使初汛的含沙量较大。输沙量则与雨强、径流总量、以及前期流域内风化物累积量有关。如果某次洪水前风化物少，即使径流量大，含沙量也可能不大。年平均含沙量的最大值与最小值之比可达数倍乃至数十倍。年内含沙量各月变化与径流并不一定相似，而是更不均匀。我国河流的暴雨洪水集中于7—8月，输沙量多集中于这几个月。悬沙的年际变化远大于径流的年际变化，我国北方多沙河流输沙量变差系数可达年径流的1.3～3.0倍。

悬沙沿水深方向分布因重力和水流紊动作用而不均匀，一般河底大，水面小，自下而上递减，如图11.3所示。洪、枯水期有所不同，洪水期泥沙多来自坡面土壤侵蚀，颗粒较细，垂向分布较均匀；枯水期泥沙则主要来自河槽冲刷，分布则不均匀。由于紊动流速与能量不断变化，造成同一位置不同时刻含沙量不同，称之为含沙量脉动；观测时需要维持一定时间以消除脉动影响。悬沙的沿横断面的分布，一般主流以及局部冲刷位置含沙量较大，两岸较小；河底较大，水面较小；且与季节、水位涨落及泥沙来源等因素有关，如图11.4所示。悬沙沿河长的变化与河道比降、流速以及流域产沙条件的沿程变化有关，故各条河流均不同。一般而言，下游河道比降变缓，断面加宽，流速减低，于是颗粒较大的泥沙由悬移质变为推移质乃至沉积于河底。悬沙粒径自上游向下游递减，下游级配比上游均匀，但局部冲刷河段粒径粗而淤积河段较细。

图11.3　悬沙垂向分布

图11.4　断面含沙量等值线示意图