悬移质输沙率q s

第三章

悬移质运动研究目的：悬沙形成条件：床面附近的漩涡尺度大于泥沙粒径，且其向上分速大于泥沙沉速。河床演变、取水排沙等要求了解悬移质沿水深的分布及悬移质输沙率。第一节一、问题的提出床沙质与冲泄质1、床沙与运动沙颗粒级配分析床沙：粗沙多于细沙动沙：细沙多于粗沙分布：动沙中某些较细的泥沙在床沙中几乎没有，似乎与床面没有发生交换，为什么？2、实测输沙率与流量关系(Qs~Q)D越大(>0.03mm)，Qs~Q关系越强；D<0.01mm时，Qs~Q几乎没有关系。说明：D<0.01mm时，上游来多少沙就走多少沙，只与上游Qs有关，而与Q无关。3、床沙质与冲泄质的概念①床沙质(造床质)：较粗颗粒泥沙在搬运过程要与河床上的泥沙发生交换，认为该河段的粗沙来自上游河床，是从床沙中进入运动的泥沙；②冲泄质(非造床质)：较细颗粒泥沙在运动过程不与河床上的泥沙发生交换，可认为是从流域表面冲刷后一泻千里而来，沿程几乎不交换、沉淀。1、命名方式不同推-悬：按运动方式分床-冲：按颗粒大小和泥沙来源分2、推移质≠床沙质，悬移质≠冲泄质悬沙含有床沙质和冲泄质,只是冲泄质多,床沙质少；底沙也含有床沙质和冲泄质,只是冲泄质少,床沙质多。二、推移质-悬移质与床沙质-冲泄质命名的区别1、Partheniades：D<0.06mm为冲泄质2、床沙中最细的5%为冲泄质㈢划分床沙质-冲泄质的标准1、计算Qs时，需采用不同方法2、建坝后，下游泥沙来源明显减少3、分析河床演变时，处理对象有所侧重三、划分床沙质-冲泄质的意义第二节 含沙量沿水深分布1、含沙量2、重力作用重力作用使悬沙呈现上稀下浓的非均匀分布。3、紊动作用紊动作用使悬沙由含沙量高的下层向含沙量低的上层传送。因为：穿过水平面的浑水量平衡，而下浓上稀，向上水体挟带的泥沙>向下水体挟带的泥沙。4、紊动扩散作用同分子布朗运动引起的某物质从浓度高的地方向浓度低的地方不断迁移的分子扩散现象一样，因次称为～。5.悬移质含沙量沿水深分布紊动扩散作用使泥沙上浮重力作用使泥沙下沉分布曲线由此二者相对作用的对比关系扩散理论重力理论1、二维恒定均匀流平衡输沙微分方程平衡输沙：河床不发生冲淤，即不考虑纵向和横向，含沙量恒定单位时间单位水平面积内的泥沙下沉量：单位时间单位水平面积内的泥沙上升量：一、扩散理论2、εy~εm间的关系(εm

量扩散系数)动3、二维恒定均匀流不平衡输沙扩散方程u3、二维恒定均匀流不平衡输沙扩散方程取较长时段的平均值对流项扩散项沉降项3、二维恒定均匀流不平衡输沙扩散方程4、含沙量沿水深分布4、含沙量沿水深分布一、扩散理论5、悬浮指标z的物理意义表征重力作用与紊动作用的相对大小，反映了含沙量沿水深分布的均匀程度，z越大，分布越不均匀。当z>5后，悬沙较少，故可将z＝5作为推移质与悬移质的临界判别标准。6、对公式的检验

(1)检验结果公式结构合理、正确。一、扩散理论6、对公式的检验⑵检验结果z的理论值()与实测值z1有一定差异。z

较小时，实测值与理论值相差不大z

较大时，实测值小于理论值，且随z的增大，差距也越大。一、扩散理论Fig3-76、对公式的检验⑶z与z1差异的原因因为引入了三个假定：一、扩散理论假定一：≥D的漩涡对泥沙扩散作用不大，但可进行水流动量交换；泥沙的惯性，引起泥沙与水流不完全同步运动；可见，紊动扩散系数εy与动量扩散系数εm有差异。Vanoli认为：Fig3-8假定二：清水时：浑水时：，S＝15.8kg/m3时，一、扩散理论7、公式中存在的问题⑴y＝0时，S=∞当y=0时，已属推移质，扩散公式本身不适用。⑵y＝h时，S=0实际观测，D小V大时，水面存在泥沙运动。对数流速公式：du/dy≠0，但τ=0，则εy=εm=0•8、a的确定Sa—临底含沙量Einstein：a=2D

(床面层厚度)一、扩散理论二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)1、基本思路⑴悬浮功—泥沙比水重，为维持泥沙在水中悬浮而不下沉，需要水流对泥沙作功将其托起，这部分功称为悬浮功。⑵维利卡诺夫认为：水流的能耗消耗在两部分：①克服阻力损失②提供悬浮功E1=单位体积浑水中的清水在单位时间内提供的能量E2=单位体积浑水中的清水克服运动阻力在单位时间内消耗的能量E3=单位体积浑水中的清水为托起泥沙在单位时间内提供的悬浮功E1=

E2＋

E3二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)

2、公式推导二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)2、公式推导二式相等二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)

2、公式推导二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)3、公式验证二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)4、局限性细颗粒泥沙差异较大

悬浮功是紊动动能，而紊动动能是阻力损失的一部分，所以平衡方程中重复计算了两次。阻力损失理论上存在缺陷而实际上难以应用。第三节 悬移质输沙率㈠基本定义1、悬移质输沙率Qs*河床处于不冲不淤、水流含沙量处于饱和情况下，单位时间内通过河段下泄的悬移质泥沙量。2、悬移质单宽输沙率gs单位宽度内的悬移质输沙率。3、悬沙水流挟沙力S*(饱和含沙量、临界含沙量)河流处于不冲不淤临界状态下，单位水体所能挟带的悬移质中床沙质数量(重量)的平均值。㈠基本定义4、垂线平均含沙量Sm5、实际悬移质输沙率Qs单位时间内实际通过河段下泄的悬移质泥沙量。Qs*>Qs,河床发生冲刷Qs*=Qs,河床不冲不淤Qs*<Qs,河床发生淤积㈠基本定义6、悬沙水流挟沙力S*与垂线平均含沙量Sm的区别㈡悬移质单宽输沙率公式1、Einstein公式⑴基本思路基本定义：㈡悬移质单宽输沙率公式1、Einstein公式⑵公式推导㈡悬移质单宽输沙率公式1、Einstein公式⑵公式推导Fig3-12㈡悬移质单宽输沙率公式1、Einstein公式⑶参数Sa及a的确定泥沙分布的连续性,包括近河底区,河底是推移质运动,而悬移质运动在主流区，所以，可与推移质联系起来。㈡悬移质单宽输沙率公式1、Einstein公式⑶参数Sa及a的确定Fig

3.12㈡悬移质单宽输沙率公式2、原武汉水利电力学院公式(武水公式)⑴基本思路先经验，后理论(因次分析的π定理)。⑵挟沙力公式K、m均是Y的函数，由图3-14给出。㈡悬移质单宽输沙率公式2、原武汉水利电力学院公式(武水公式)⑶理论推导制紊作用：悬移质的存在将使水流的紊动减弱、水流阻力减小。张瑞瑾发现：挟沙水流S越大，n越小，能耗就越小。如黄河S>10kg/m3时，n<0.01.∵①水流挟沙增加粘性，对紊动不利。②近底是产生紊动漩涡的地方，但含沙量大，对涡体的形成与运动具有制约作用。制紊功：由悬移质的制紊作用产生的功。㈡悬移质单宽输沙率公式2、原武汉水利电力学院公式(武水公式)⑶理论推导㈡悬移质单宽输沙率公式2、原武汉水利电力学院公式(武水公式)⑶理论推导㈡悬移质单宽输沙率公式2、原武汉水利电力学院公式(武水公式)⑶理论推导㈡悬移质单宽输沙率公式2、原武汉水利电力学院公式(武水公式)⑶理论推导㈡悬移质单宽输沙率公式2、原武汉水利电力学院公式(武水公式)⑷

的物理意义㈡悬移质单宽输沙率公式3、Bagnold公式⑴基本思路：能量平衡观点⑵公式推导：㈡悬移质单宽输沙率公式3、Bagnold公式⑵公式推导：⑶es的大小：水流用于托浮悬沙的功很小。㈡悬移质单宽输沙率公式4、经验公式⑴范家骅⑵托马林⑶黄河干支流注意：单位制和适用范围、条件等。5、公式的选用国内：武水公式用得最普遍，其次是经验公式。第四节 含沙量沿程变化㈠问题的提出①输沙率公式计算结果为不冲不淤的输沙量，天然情况存在超饱和淤积，次饱和冲刷的情况；实际含沙量S≠临界含沙量S*

。②建坝后下泄水流为清水(S≈0)，S<<S*,下游必发生冲刷，含沙量沿程增大，到一定距离后达到饱和，所以，S的沿程变化的。③大坝上游是先淤积，最终达到平衡，S也是沿程变化的。④由此，需要获得S沿程的变化规律。㈡含沙量S沿程变化公式前提：恒定均匀流，恒定输沙。㈡含沙量S沿程变化公式㈡含沙量S沿程变化公式落距L：不考虑紊动悬浮作用情况下，泥沙随水流以速度V运动时，从水面降落到河底所经过的水平距离。第五节 总输沙率㈠基本定义1、总输沙率河床处于不冲不淤的平衡状态下,单位时间内通过河段下泄的推移质和悬移质泥沙总量(水流输沙能力、水流挟沙力)。2、床沙质总输沙率推移质输沙率＋悬移质中的床沙质输沙率。3、全沙总输沙率推移质输沙率＋悬移质输沙率（总输沙率）。例：江西章水：gb:gs=1:2长江重庆段：gb:gs=1:1660㈡床沙挟沙力计算公式1、Einstein公式㈡床沙挟沙力计算公式2、Bagnold公式㈡床沙挟沙力计算公式3、Engelund-Hansen公式㈢全沙挟沙力计算公式水库淤积时才考虑g冲=f(降雨量,降雨强度,地表坡度,土壤组成,植被…现无完整的理论计算公式。例1.长江朱沱水文站(航道里程806km)资料朱沱站多年平均径流量为2688亿m3，年平均流量为8523m3/s，洪水流量约30000

m3/s，枯水流量为2200m3/s左右。悬移质年输沙量为3.2亿吨，平均含沙量为1.16kg/m3。朱沱站来水来沙量年内分布不均匀，来水来沙主要集中在主汛期