水文学概论：泥沙运动特征分析成果

对泥沙运动进行理论分析时，通常假定运动沙粒为球体，处于成排沙粒之上，如图9.2所示。水流经过沙粒时，沙粒迎水面压力大于背水面而产生推移力Px；沙粒在水中受到重力和浮力作用，二者的合力即有效重力，其方向与重力一致，一般简称重力W。河流底部存在流速梯度，沙粒上表面流速大，压力小；沙粒下表面流速小，压力大；因而产生向上的压力差，即为上举力Py。水向前流动时，使沙粒上表面受到摩擦阻力T，它与沙粒的运动方向相反。

图9.2　沙粒受力示意图(www.xing528.com)

在这4种力的共同作用下，河床表面的泥沙颗粒呈两种运动形态：当Py＞W时，沙粒将悬浮于水流中；当T、Px和Py对图中A点（大圆与小圆的接触部分）顺时针方向力矩大于W对A点的逆时针方向力矩时，沙粒将向前滚动。

由于Px、Py和T都与水流速度有关，因此可以就流速变化分析泥沙运动状况。流速很小时，沙粒不动。流速加大到一定程度，推移力与阻力接近，沙粒间歇性抖动。流速再加大，位置突出的沙粒开始滚动，滚动使其位置更突出，触水面积更大，沙粒就呈沿河床移动的趋势；这类滚动或移动形态的泥沙即称为“推移质”。流速继续加大，由于Py也加大，某些沙粒受上举力作用会悬浮到水流中；另一些原来拥挤于其他颗粒之间的沙粒也会脱离河床，随水流前进；但这些沙粒脱离河床后，因上下流速接近，而Py减小，迁移一段距离后在重力W作用下又重新落回河床；这类运动轨迹呈曲线的泥沙，称为“跃移质”。随着流速进一步加大，当其紊动垂直分速大于泥沙的水力粗度时，沙粒就继续抬升，在相当长时间内悬浮于水中随水流运动，这类泥沙称为“悬移质”。由于跃移质属于推移质与悬移质之间的过渡状态，有时将其合并于推移质之中。河流中的泥沙，随着粒径与流速大小不同，在某些河段悬浮在水中以悬移质状态运动的泥沙，在另一些河段又会沿河床运动成为推移质。