第5章 悬移质泥沙运动

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1、§5悬移质泥沙运动河流动力学概论1第五章悬移质运动本章主要内容2悬移质泥沙悬浮机理含沙量垂线分布悬移质输沙率水流挟沙力§5-1悬移质泥沙悬浮机理一、悬移质泥沙运动的一般特点（1）河流蚀山造原的过程中，悬移质至少在数量上起着更为重要的作用。例：寸滩站年均悬沙输沙量4.6亿吨，底沙600万吨，悬沙占98.7%；嘉陵江北碚站年均悬沙量1.18亿吨，底沙5~8万吨，悬沙>99.3%（2）天然河流中床沙、推移质和悬移质泥沙中，悬移质泥沙最细，非均匀性最大。（3）与推移质泥沙运动规律不同，悬移质泥沙在水中悬浮前进，时而上浮，时而下沉，留下只有统计学机遇性质而无力

2、学必然规律的迹线。（4）推移质泥沙运动的间断性强，而悬移质泥沙运动的持续性一般是相当大的。第五章悬移质运动§5-1悬移质泥沙悬浮机理一些基本概念3.00第五章悬移质运动二、研究的目的意义引水排沙工程：需了解含沙量沿水深的分布；库区淤积及淹没：需知道悬移质输沙量；河床演变分析：需了解输沙率及含沙量沿程变化；三、泥沙悬浮的条件（1）床面附近的漩涡尺度大于泥沙粒径；（2）漩涡的向上分速大于泥沙的沉速。（3）悬移质在紊动水流中，既因承受重力作用而下沉，又因承受紊动扩散作用而上升。§5-1悬移质泥沙悬浮机理一些基本概念5四、天然河道含沙量沿水深分布现象①、一般

3、情况下，天然河道受重力作用影响，悬移质含沙量沿水深分布都是上细下粗，上稀下浓，存在着自下而上逐渐减小的含沙量梯度，含沙量沿水深分布具有不均匀性。含沙量沿水深分布图第五章悬移质运动§5-1悬移质泥沙悬浮机理一些基本概念6②、河道水流属于紊流，其各流层间存在着强烈的混掺现象，向上的涡体自然会使泥沙向上悬浮。③、但就恒定流时均情况而言，根据脉动水流的连续性，流层间混掺的上浮水体与下沉水体是相等的，为什么泥沙还会上浮呢？第五章悬移质运动§5-1悬移质泥沙悬浮机理一些基本概念3.2.0.5xe第五章悬移质运动重力作用泥沙比水重而向下沉降，使得水流含沙量在河底较

4、大，水面较小，悬沙呈现上稀下浓的非均匀分布。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大于向下水体挟带的泥沙。紊动扩散作用紊流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～。重力作用使含沙量沿水深分布趋向不均匀化；紊动作用使含沙量沿水深分布趋向均匀化。§5-1悬移质泥沙悬浮机理一些基本概念原因：3.2.0.6第五章悬移质运动紊动扩散作用使泥沙上浮，重力作用使泥沙下沉，含沙量沿水深部分由此二者相对作用的对比关系决定。重力作用占

5、优势，泥沙下沉，河床淤积；紊动扩散作用占优势，泥沙上浮，河床冲刷；二者作用相当时，河床不冲不淤,处于平衡状态.紊动扩散作用上浮的沙量和重力作用下沉的沙量在垂线上任一位置都相等，含沙量沿水深分布达到了平衡状态。悬移质上升之所以成为可能，是与含沙量具有上稀下浓的沿垂线梯度分不开的。在冲刷、淤积的过程中，沿垂线的含沙量梯度起着重要的调节作用§5-1悬移质泥沙悬浮机理一些基本概念五、泥沙扩散方程基于泥沙颗粒在紊流中随机运动来求解泥沙浓度垂向分布，称为扩散理论。这一理论的基础是液体的紊动扩散理论，它是通过把泥沙或液体微团的运动与分子热运动相比拟而得出来的，其基

6、本方法都是用梯度型扩散（如Fick扩散定律）来描述颗粒随机运动的宏观结果。第五章悬移质运动§5-1悬移质泥沙悬浮机理泥沙扩散理论菲克定律，是描述气体扩散现象的宏观规律，这是生理学家菲克（Fick）于1855年发现的。早在1855年，菲克就提出了：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量,用J表示）与该截面处的浓度梯度成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律。D称为扩散系数(m2/s)，C为扩散物质的体积浓度(原子数/m或kg/m)，dC/dx为浓度梯度，“–”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩

7、散组元由高浓度区向低浓度区扩散3.2.1.1xe第五章悬移质运动㈠理论前提属于质量守恒原理采用扩散理论推导含沙量沿水深分布的前提：二元、恒定、均匀流、平衡输沙㈡基本思路平衡输沙：重力作用的泥沙下沉量＝紊动扩散作用的泥沙上浮量§5-1悬移质泥沙悬浮机理泥沙扩散理论12重力作用与紊动扩散作用表达㈠、重力作用⒈重力作用的强弱可用悬移质的沉速代表，沉速愈大，则重力作用愈强；⒉单位时间单位水平截面在重力作用引起的下沉的泥沙量为。第五章悬移质运动§5-1悬移质泥沙悬浮机理一些基本概念(二)、紊动扩散作用紊动扩散理论可以简单概括为：如果某一物理量m在呈显紊动状态，

8、可作为连续介质看待的流体中分布不匀，具有沿任一方向n的浓度梯度，则这一物理量将通过紊动作用由高浓度区向低浓度