河流动力学起源于地貌学，后演变成水力学分支，最终发展成为一门独立学科【1】，其理论可分为河流演变理论和泥沙理论两大部分。河流演变是地质演变和泥沙运动共同作用的结果，因地质演变速度缓慢，河流演变主要取决于泥沙运动，所以，河流动力学的理论核心是泥沙理论。

现代意义的泥沙运动力学的研究始于1879年，其时Du Boys首次提出推移质输沙率公式。1950年H.A.Einstein提出了第一个泥沙运动力学的理论体系，从而开创了至今还在继续的百家争鸣的时代【2、3】。

1、学术分4派、中外各不同

由于泥沙运动现象复杂，河道的演变过程涉及到的变量多，可以应用的力学和数学定律条件不够，100多年来水利界始终认为：泥沙问题无法用牛顿力学解决，在河建立流泥沙动力学理论的时候集体放弃了牛顿力学。参见图1。

图1西昌学院课件截图

自现代意义的泥沙运动力学形成以来，在没有统一理论指导，学者通过水槽试验、量纲分析等多种方法，选取了切应力，流速、功率等表达“水流强度”，并作为泥沙理论研究的基点，形成了动力派、运动派、能量派3大学派，在欧美等西方国家流行【4】。中国学者独辟蹊径，以挟沙能力为核心创立了新的学派，可叫中国派或挟沙能力派。

1.1、动力派

动力派的学者认为是力的作用决定泥沙运动状态，提出拖曳力、上举力或二者的合力决定泥沙运动。最终以水流剪切力（τ=γhJ）作为基点分析河床冲淤，建立起第一套泥沙理论体系，在欧美国家得到广泛认可，已经沿用70余年。

动力派认为，河床有一个临界剪切力τ₀，当τ＞τ₀时，河床冲刷，τ＜τ₀河床淤积，τ=τ₀时，河床不冲不淤。

按照公式τ=γhJ分析，一旦河床进入冲刷状态，水深h增大，τ进一步增大，τ与τ₀的差值更大，冲刷速度更快，河床将进入一直冲刷的恶性循环之中，显然不符合实际。

从本质上看，τ=γhJ这个公式实质是把水体当成了整体，也就是当成固体看待，没有反应水流的基本属性，理论的基点错误。虽然形成了体系，但不科学，当然不会成熟。

1.2、运动派

运动学派主张以水流流速作为水流强度分析研究。但描述水流流速的变量有断面平均流速、单宽流速、垂线平均流速、底速等。人们根据水槽输沙试验分析得出，近底流速与推移质输沙率的相关性最好。但由于近底流速难以测量，且各学者对流速施测点距床面的定义不一致，此观点未能被广泛应用。尽管不断有人研究，一直没形成体系。

1.3、能量派

能量学派的学者认为运动的本质是能量的传递、流动，因此从能量平衡的角度出发探索泥沙运动的基本规律。他们用剪切功率（φ=γhJV）作为基点分析河床冲淤，也得出许多经验公式。

从φ=γhJV=τV这一基点看，能量派实质是在动力派的基础上进行了改良，没有纠正动力派在分析河床冲淤时存在的恶性循环这一问题，差别在于能量派加了流速这一项，考虑了水流运动，反应出水流的流体性质，要比动力派更贴合实际。

宏观物质的运动取决于力，力的作用决定泥沙运动状态，物质在运动状态改变中进行能量传递。从能量平衡的角度分析问题是先看泥沙运动的结果，是看现象，不是看泥沙运动原因、内在机理，这种研究是本末倒置，也不能走出困境。

1.4、中国派（挟沙能力派）

上世纪50年代，受前苏联泥沙理论影响，我国泥沙界提出水流具有“挟沙能力”这一概念，依此建立一套泥沙理论，成为第4派。

挟沙能力这个概念提出不久，钱宁就发现了问题，并进行修正【5】；后来更多的泥沙专家对挟沙能力给出不同解释，导致各家教材对这一概念的定义不一、五花八门【6】。最后，韩其为推出挟沙能力具有多值性，因无法使用，几乎没人认可。【7】

清华大学的黄万里教授说：“决定河槽冲淤大小的决不是所谓挟沙能力或最大浓度Smax，由给定的流速V所制定的；”【8】

伟人告诉我们：“脱离实际的理论是空洞的理论。空洞的理论是没有用的，不正确的，应该抛弃的。”【9】中国派的挟沙能力是依据水流具有饱和含沙量（最大浓度）抽象出来的挟沙能力。

表1是近20年小浪底与利津站最大含沙量统计表，从含沙含沙量上看，不论小浪底下泄泥沙浓度有多大，到达利津的含沙量唯有2004年超过了100kg/m3，其它年份都在60kg/m3以下。扣除小浪底水库排沙不利的年份，利津最大含沙量与小浪底含沙量相比，其下降率都在50%以上，2018年之后，竟然都在90%左右，今年更达到了97%。

另外，小浪底水文站在洪水期测到过920kg/m3（1977年8月7日）的含沙量，支流黄甫川、窟野河、无定河等河流的一些水文站出现1000kg/m3以上的含沙量也屡见不鲜。1958年7月10日20时12分，温家川水文站实测含沙量1700kg/m3。【10】这些事实都说明水流没有饱和含沙量。挟沙能力是脱离实际的理论，应该抛弃。

但现实中用挟沙能力能解释许多现象，定性分析问题时非常好用。因无可替代，才“作为一个权宜之计”使用【11】。因此，我国泥沙理论能够建立起来，并成为体系，却不能得到长足发展。

2、泥沙研究的难点

物质都是由分子和原子组成，除了重力之外，宏观世界的力除了重力场的作用之外，笼统地讲，都是分子、原子之间电磁力综合作用在一定时间内的平均结果，牛顿力学能解释电磁力作用力的平均值，却不能解释电磁力瞬时值。

河流泥沙是在液态的水体中运动，液态水中的水分子本是以微观形态存在。尽管泥沙颗粒总体上属于宏观范畴，但随着颗粒的减小，受水分子电磁力作用逐渐明显。特别是小于0.1mm泥沙运动的许多现象无法用牛顿力解释，所以各个学派在建立河流泥沙理论时集体放弃了牛顿力学。

抛弃了牛顿力学，又找不到统一的科学理论，各学派只能在不同路径不断地苦苦探索。

3、什么是科学理论

“真正的理论在世界上只有一种，就是从客观实际抽出来又在客观实际中得到了证明的理论”【9】。伟人这一段话告诉我们3个道理：

1）科学理论具有排他性；科学的理论只有一种，没有第二种。

2）科学的理论必须经过抽象；没有经过抽象的理论不可能成为科学理论。

3）科学的理论需要实践检验；抽象出来的理论不一定科学，还需要在实践中检验，去伪存真。

据此可见：4大学派中的西方3大派的基点都没有脱离实际，但缺乏抽象，不能成为科学理论。中国的挟沙能力派虽然经过抽象，但脱离了实际，也不能成为科学理论。

4、如何建立科学的泥沙理论

牛顿力学是无数实践检验的科学理论，是宏观力学基础，早已形成了体系。河流演变是宏观运动，泥沙运动总体上也是宏观运动，所以，泥沙理论研究还是要回到牛顿力学的这一科学体系中来。

作者：陈  勇

2023年9月3日星期日

参考资料：

1、钟德钰《泥沙运动力学研究进展和前沿》《水利水电研究进展》2015年9月

2、黄才安《论泥沙运动理论的流派及相互关系》

3、周志德《20世纪的泥沙运动力学》《水力学报》2002年11期

4、阎树欣《长江上游大比降卵砾石河段水流强度指标研究》《山东建筑大学学报》2013年12月

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

6、牛长喜《河道冲淤研究中挟沙能力理论应用的分析》网文2008年3月

7、韩其为《挟沙能力多值性及黄河下游多来多排特性分析》《人民黄河》2009年第3期

8、黄万里《沙流连续方程意义的简释》《黄万里文集》P1~10

9、毛泽东《整顿党的作风》1942年2月1日在中共中央党校开学典礼上的演说。

10、《2000年黄河泥沙公报》

11、郭庆超《天然河道水流挟沙能力研究》《泥沙研究》2006年10期