[科普中国]-泥沙运动学

泥沙在重力、水流、风、冰川等作用下产生的运动。地表泥沙位移的结果形成各种地貌形态，其性质与搬运介质的动力条件和泥沙的本身特性有关。泥沙运动学是研究泥沙颗粒在河道水流作用下 运动规律的科学。1

研究意义河流泥沙的输移对人类有弊也有利。 泥沙可能淤塞航道; 或使河床逐渐淤高而危及堤防， 一旦漫溢则淤埋大片良田， 如中国的黄泛区; 泥沙积于水库则减损工程效益和寿命; 堵塞引水口门和引水渠道; 磨损水力机械，以及影响工农业和生活用水的水质等。这些是其有害的一面。 而泥沙在某些水域的落淤， 可增加土地面积， 供人类开发利用， 如大片富饶的冲积平原， 便是泥沙淤积对人类的一大贡献; 淤积的泥沙也可开采作为建筑材料。 这些是它有利的一面。1

研究内容泥沙运动学是以水力学和流体力学理论为基础， 侧重研究泥沙在水流作用下的运动形式、 运动的力学性质、 泥沙的输移强度和数量;以及由此引起的河床演变和对水利工程的影响。2

推移质运动的主要理论 ①1948年瑞士迈耶尔-彼得和弥勒做了大量实验工作，探讨了泥沙的比重、组成对泥沙运动的影响，终于得到一个比较完整的输沙率与粒径、容重等因素的关系式。②1966年英国R.A.巴格诺尔德认为推移质运动遵循最基本的物理规律：搬动固体颗粒在单位时间内所消耗的能量等于水流提供的功率乘以效率。③1942年美国H.A.爱因斯坦根据长期进行的水槽试验的结果，得知床面泥沙颗粒运动具有随机性质，推移质泥沙和河床泥沙之间存在不断的交换。从这些物理模型出发，运用流体力学知识进行逻辑推理，建立了以随机理论为基础的推移质公式。

悬移质运动的主要理论 ①扩散理论：湍动水流的扩散作用使各个流层之间不但有动量交换，而且同时有泥沙颗粒的交换；如果颗粒的下沉作用小于水流向上的扩散作用时，泥沙就会以悬浮的形式运动。根据这一原理，建立了泥沙的扩散方程；对方程求解，可得到悬移质含沙量的垂线分布。②重力理论：1958年苏联M.A.韦利卡诺夫根据能量平衡原理提出以下的关系式：单位体积挟沙水流中清水部分在单位时间内提供的能量等于水流为克服阻力在单位时间内损失的能量加上在单位时间内为保持泥沙悬浮所需的能量。这一关系式在实际计算中是可用的。

床面形态 推移质颗粒在河床表面运动，使床面出现不同形态。随着输沙强度的增加，床面的发育过程为：床面平整→沙纹→沙垅→过渡→平整→逆行沙垅→破碎→急滩和深潭。各种床面形态对于水流的阻力是各不相同的。所以泥沙运动学既是多相流体力学，又属于活动边界的流体力学。

历史发展在国际上， 关于泥沙运动的论著始见于19世纪50年代，在半个多世纪里， 主要是研究以推移质方式运动的粗颗粒泥沙。 到20世纪20年代随着观测技术的发展， 才开始研究悬移质运动， 至今， 人们对悬移质运动的了解程度已超过了对推移质运动的认识。在中国，对泥沙运动的认识是和防洪治河工程同时发展起来的。秦朝建造的都江堰乃是引水防沙工程的杰出代表。 从力学作用方面研究泥沙运动的规律， 是从20世纪开始的。

中国多数河流输沙量较大， 年平均输沙量超过1000万吨的河流有42条。 不少水利工程不同程度地受到了泥沙淤积的威胁。 经济建设的需要促进了泥沙问题的研究， 中国的水利工作者在野外观测和试验研究方面获得了丰富的资料和成果。

与其它学科相比， 泥沙运动作为一门独立的学科进行研究的历史还不长， 更因问题本身比较复杂， 至今除了个别问题的计算方法比较统一外， 很多问题的算式还是不统一的。

尽管如此， 通过资料分析及试验研究， 泥沙运动学在解决实际问题时仍是一种有效的手段。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学