小议携沙能力

前言

在河流演变研究中，欧美等西方国家利用剪切力τ（=rhj）与河床临界剪切力τc对比进行分析。当τ＞τc时，河床冲刷。当τ＜τc时，河床淤积。当τ=τc时河床冲淤平衡。这一分析方法存在严重缺陷；

一般分析中都认为τc不变。因平峰期的比降j与小水时期相同，水深大于小水期。根据定义，此时的τ应该大于τc，河床应处于冲刷状态。随着河床冲刷，h不断增大，τ随之不断增大，河床应当一直处于冲刷下切状态。但是，实际上平峰期的河床已经开始淤积，与分析结果相反。

若考虑τc的变化，它因何而变？又怎样变化？若把这些考虑进去，问题将变得异常复杂，不便于研究分析。

为了分析问题的方便，我国采用携沙能力（挟沙能力）分析河道冲淤，克服了剪切力的弊端，在思想上是一大进步。但是，由于对挟沙能力的定义和解释不能正确表述水流携带泥沙能力，是一个科学错误，不但严重阻碍了河流泥沙理论发展，也使“携沙能力”本身成为学术上的“热点”和“难点”。

1、错误的定义

流动的河水能将河床的泥沙带走，也会将带来的泥沙淤积到河床上，不能带走，这一现象说明水流具有携带泥沙能力。

1.1、原挟沙能力定义

在高等教材中，各家对携沙能力的定义基本意义相差不大【6】，都把水流携带泥沙的能力称为“携沙能力”或“挟沙能力”，简称“挟沙力”。目前普遍认可的定义是；在一定水流和河沙组成条件下水流能够输移的最大泥沙量。可用单位时间内通过河流断面的挟沙量Qs(kg/s)表示；也可用断面平均含沙量S(kg/m³)表示。

进一步解释说：“水流挟沙能力是指在一定水流、泥沙和断面形态条件下，河床处于平衡状态时，水流所能挟带的最大含沙量，或称临界含沙量。当来流的含沙量大于临界值时，水流处于超饱和状态，河床将发生淤积。反之，当低于这个临界值时，水流处于次饱和状态，转而向河床寻求泥沙补给，造成河床冲刷。通过这种淤积或冲刷使水体中的含沙量逐渐恢复到临界值，从而达到新的不冲不淤的平衡状态。”【1】

1.2、原定义错误表现

根据原定义的解释，河床处于平衡状态时，含沙量应接近“挟沙能力”。所以，在相同的水流与河沙组成条件下，河床处于平衡状态时，含沙量应该相差不大。

齐璞老师通过大量黄河数据研究发现，同一个断面（水文站），在边界条件几乎没变、流量相近、河沙条件未见变化，河床处于“冲淤平衡”状态时，含沙量相差几倍，甚至数十倍，这种现象说明原定义有问题。进而提出；携沙能力不适合研究河流冲淤。

上世纪70年代，黄万里通过数据总结和理论分析得出结论：“决定河槽冲淤大小的绝不是所谓的携沙能力或最大浓度”【3】

上世纪50年代，钱宁发现：“在包头站，流量和含沙量间的关系在低水位时比较明确，到了洪讯期，便变得完全缺乏相关关系。而在下游陕县站，小流量时的点子也仍然相当分散”。他试图用床沙质含量取代含沙量来定义挟沙能力【2】，其解释与原定义一样。由于理论和实践都无法严格区分床沙质和冲泻质，他的定义并没有得到广泛认可，原定义沿用至今。

上述例证说明泥沙专家早已发现携沙能力存在问题，所以在讲解这个概念时一般都要说明：使用挟沙能力这个定义只是“一个权宜之计”，【1】。

1.3、原定义错误本质

基础的理论研究发现，在挟沙能力不变的情况下，前期河道中淤积泥沙以及上游来沙也能影响含沙量，携沙能力是影响河水含沙量的一个重要因素，但不是唯一因素。含沙量不能代表水流的挟沙能力，这是原定义错误的本质。

2、正确的定义

表征一个事物的能力必然是一个极值。

基础的流体力学告诉我们，在作用于泥沙颗粒流速为定值情况下，若泥沙颗粒密度相同，水流带动球形泥沙的粒径有个极值。若泥沙粒径相同，水流带动球形泥沙的密度有个极值。

除了球形之外的其它颗粒，正对流速截面面积不定，难以确定极值。所以，给携沙能力定义应该是；携沙能力是表征水流携带泥沙能力的物理量，可用水流携带密度一定的球形泥沙的最大粒径表示；单位是mm。也可以用水流携带粒径一定的球形泥沙的最大密度来表示，单位是Kg/cm3。

这2种定义的物理意义完全相同，同样具备工程意义。相对于密度而言，泥沙粒径的离散度大，易取值，一般情况下，用前一种定义研究问题会更方便。

根据球形泥沙水动力公式；

Fs=CdλSν²/2= CdλπR²ν²/2=CdπρD²ν²/8         （式1）

以及球形泥沙重力与浮力的合力公式；

f=4πR³(ρ_s-ρ)g/3 =πg (ρ₁-ρ) D³ /6                    （式2）

对于悬移质而言，必须在Fs＞fs时泥沙才可以悬动，Fs=fs时对应的泥沙粒径为极值。同样，对于推移质而言，Fs=μfs对应的泥沙粒径为极值，由此推得；

悬移质挟沙能力为；Dmax=3Cdλν²/4(ρ_s-ρ)g         （式3）

推移质挟沙能力为；Dmax=3Cdλν²/4μ(ρ_s-ρ)g       （式4）

上列各式中；Cd为阻力系数；λ为粘滞系数；S为面积；R为半径；ρ_s为泥沙密度；ρ水体密度；ν是作用于泥沙颗粒上的最大流速；μ为摩擦阻力系数，g为重力加速度。

从式3、4可以看出，携沙能力与流速的平方成正比，所以，决定携沙能力大小的关键是流速。其次是河水的粘滞系数和密度。

由于水的润滑作用，加上泥沙颗粒可在床面滚动，泥沙与河床的摩擦阻力系数小于1，可得推论；床面任何一点的推移质挟沙能力均大于悬移质的挟沙能力。

作者；陈勇

2018年9月4日星期二新浪博客公开发表

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参考文献；

1、《天然河道水流挟沙能力研究 》 泥沙研究  2006年10期  郭庆超

2、《关于“床沙质”与“冲泻质”概念的说明 》水利学报 1957年第1期 钱宁

3、《沙流连续方程意义的简释 》 1977年讲义  黄万里

4、《流体力学》张亮、李云波编著。哈尔滨工程大学出版社2001年3月

5、《水流挟沙能力双值关系研究》 水利水电技术2000年第9期  邓贤艺

6、《河道冲淤研究中挟沙能力理论应用的分析》  2008年3月  牛长喜

7、齐璞新浪博客