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河流泥沙
鎖定
- 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
河流泥沙基本介紹
中國黃河是世界著名的多沙河流,《漢書·溝洫志》記:“河水重濁,號為一石水而六鬥泥”,表明中國古時對黃河泥沙已有定量的認識。
河流泥沙泥沙特性
有泥沙顆粒的特性和泥沙羣體的特性兩種。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,其數值隨泥沙的巖性不同而異,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/秒錶示。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。
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。
河流泥沙羣體特性
羣體特性,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,呈羣體形式存在。這種泥沙羣體主要的統計特性有:
①粒徑分佈,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座標50%相應的粒徑,在全部沙羣中,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羣體的粒徑能較小受極端值(最大及最小粒徑)的影響。
④泥沙羣體的幹容重和孔隙率,幹容重指單位體積泥沙羣體內乾燥泥沙的重量,以噸/米3計。孔隙率指單位體積泥沙羣體內空隙所佔的體積。
⑤均勻沙的羣體沉速,當大小相同的沙粒羣體的含沙量大於 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羣體沉速。
河流泥沙泥沙分類
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,在歐洲廣泛應用;温特沃思分類,1947年美國地球物理學會制訂的新分類標準與温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,不參與河牀泥沙的交換,稱沖瀉質或非造牀質;其餘較粗顆粒則參與河牀泥沙的交換和衝淤變化,稱為牀沙質或造牀質。推移質一般僅佔懸移質泥沙的5~10%,在山區河流,有時可佔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)。
河流泥沙含沙量和輸沙量
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。 輸移泥沙的時空分佈 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,最大含沙量稱沙峯。沙峯不一定與洪峯同時出現,一年中首場大洪水的沙峯常比洪峯出現早,以後則可能同時出現,也可能沙峯滯後於洪峯(圖2)
含沙量沿水深的分佈,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,沿水深的分佈則較均勻。含沙量沿水深基本呈某種指數曲線分佈,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佈隨斷面上水流情況不同而異。如水流在斷面上的分佈比較均勻,含沙量的橫向分佈較均勻。如水流情況較複雜,則含沙量的橫向分佈往往很不均勻。含沙量沿河長的分佈,一般從上游向下遊遞減,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,下游河牀開闊,大量泥沙落淤,含沙量才趨向減小。
河流泥沙泥沙運動基本規律
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、泥石流、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牀面上滑動、滾動或短時間躍離然後又落回牀面的泥沙顆粒;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牀沙之間不斷存在着交換。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。
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河流泥沙河流泥沙運動特徵
河流泥沙起動流速
河流泥沙沙波運動
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。波峯以後,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,以緩慢速度向下遊移動。這一推移過程也是推移質向下遊輸沙的過程,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牀的頻率,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,對於瞭解河道水流阻力和水頭損失是十分重要的。
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河流泥沙懸移質泥沙的分佈
懸移質泥沙的含沙量,在垂線方向上的分佈是不均勻的,斷面上的分佈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。
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河流泥沙水流挾沙能力
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,則河牀發生淤積;相反,則河牀發生沖刷。如二者相等,就説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,推移質的數量一般佔的比重不大,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、泥沙和河牀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。
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河流泥沙水利水電工程中的泥沙問題
(1)泥沙在水庫中沉積會侵佔水庫的調節庫容,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游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,降低河道宣泄洪水的能力,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。
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河流泥沙河流泥沙問題的研究方法
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