u第一章：水流、泥沙的基本性質(zhì)第一章：水流、泥沙的基本性質(zhì)u泥沙泥沙：指所有在流體中運(yùn)動(dòng)或受水流、風(fēng)力、：指所有在流體中運(yùn)動(dòng)或受水流、風(fēng)力、波浪、冰川及重力作用移動(dòng)后沉積下來的固波浪、冰川及重力作用移動(dòng)后沉積下來的固體顆粒碎屑（錢寧、體顆粒碎屑（錢寧、1983）粒徑大小可差）粒徑大小可差數(shù)十?dāng)?shù)十~數(shù)萬倍粒徑大小一般變化在數(shù)萬倍粒徑大小一般變化在0.001~100.0mm Pm2.5 和和Pm10u本章主要內(nèi)容：河道水流基本特性、單顆粒本章主要內(nèi)容：河道水流基本特性、單顆粒泥沙特性；群體泥沙顆粒特性；泥沙沉速；泥沙特性；群體泥沙顆粒特性；泥沙沉速；含沙水體（渾水）特性含沙水體（渾水）特性u1、河道水流的二相性：液相、河道水流的二相性：液相-水（連續(xù)介質(zhì)）水（連續(xù)介質(zhì)）和固相和固相-沙（非連續(xù)介質(zhì)的顆粒群體）兩相沙（非連續(xù)介質(zhì)的顆粒群體）兩相流理論u2、河道水流的三維性：河道斷面不規(guī)則，、河道水流的三維性：河道斷面不規(guī)則，順直段很短，寬深比小，尤其是山區(qū)河流順直段很短，寬深比小，尤其是山區(qū)河流u3、河道水流的非恒定性：來水來沙隨時(shí)間、河道水流的非恒定性：來水來沙隨時(shí)間變化；河床處于不斷的變化中。

變化；河床處于不斷的變化中u4、河道水流的非均勻性：、河道水流的非均勻性：u5、不平衡輸沙；、不平衡輸沙；§1 河道水流基本特性河道水流基本特性§2 巖石巖石風(fēng)化化u一、風(fēng)化作用一、風(fēng)化作用(weathering)：：巖石和礦物在地表環(huán)境中，巖石和礦物在地表環(huán)境中，受物理、化學(xué)和生物作用，發(fā)生體積破壞和化學(xué)成分受物理、化學(xué)和生物作用，發(fā)生體積破壞和化學(xué)成分變化的過程變化的過程u1、物理風(fēng)化、物理風(fēng)化(physical weathering )：：指巖石在外力影響下，指巖石在外力影響下，機(jī)械地分裂成碎屑，只改變其大小與外形，而不改變機(jī)械地分裂成碎屑，只改變其大小與外形，而不改變成分的過程成分的過程u(1) 溫度作用（熱脹冷縮）溫度作用（熱脹冷縮） 引起巖石內(nèi)外脹縮不一致，巖石是引起巖石內(nèi)外脹縮不一致，巖石是熱不良導(dǎo)體熱不良導(dǎo)體u(2) 結(jié)冰作用結(jié)冰作用（冰劈作用）（冰劈作用）u(3) 風(fēng)和水的磨蝕作用風(fēng)和水的磨蝕作用 風(fēng)沙風(fēng)沙u磨蝕巖石，使之表面裸露，磨蝕巖石，使之表面裸露，u加速物加速物 理風(fēng)化 發(fā)生在風(fēng)化初期發(fā)生在風(fēng)化初期2. 化學(xué)風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化(chemical weathering)指指巖巖石石在在外外界界條條件件的的影影響響下下，，引引起起化化學(xué)學(xué)成成分分的的改變，產(chǎn)生新的物質(zhì)的過程。

改變，產(chǎn)生新的物質(zhì)的過程1））溶解作用溶解作用 (solution) 水是一種極性溶劑，巖石中的礦水是一種極性溶劑，巖石中的礦物都是無機(jī)鹽，物都是無機(jī)鹽， 雖然占絕大部分的硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物雖然占絕大部分的硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物溶解度很小，溶解度很小， 但很長的地質(zhì)年代中，水溶解的規(guī)模是相當(dāng)?shù)荛L的地質(zhì)年代中，水溶解的規(guī)模是相當(dāng)大的，大的， 況且地表的水常常溶有況且地表的水常常溶有CO2、、NO2以及有機(jī)酸等，以及有機(jī)酸等， 這樣大大提高了水的溶解能力這樣大大提高了水的溶解能力風(fēng)化作用風(fēng)化作用（（2）水化作用）水化作用(hydration) 指無水礦物與水結(jié)合成為指無水礦物與水結(jié)合成為含水礦物的作用含水礦物的作用 CaSO4＋＋2H2O CaSO4.2H2O2Fe2O3＋＋3H2O 2Fe2O3.nH2O 赤鐵礦赤鐵礦 褐鐵礦褐鐵礦 （３）水解（３）水解(hyrolysis)和碳酸化作用和碳酸化作用水解水解2KAlSi3O8＋＋3H2O Al2Si2O5(OH) ＋＋ 4SiO2＋＋2KOH 鉀長石鉀長石 高嶺石高嶺石碳酸化水解作用碳酸化水解作用2KAlSi3O8＋＋CO2＋＋2H2O AlSi2O5(OH)＋＋4SiO2＋＋K2CO3 CO2溶于水時(shí)，對(duì)碳酸鹽的溶解力，較純水增強(qiáng)幾十倍。

溶于水時(shí)，對(duì)碳酸鹽的溶解力，較純水增強(qiáng)幾十倍 水解和碳酸化作用的實(shí)質(zhì)，礦物中的鹽基離子被氫離水解和碳酸化作用的實(shí)質(zhì)，礦物中的鹽基離子被氫離子取代風(fēng)化作用風(fēng)化作用（（４４））氧氧化化作作用用(oxidation)：：空空氣氣中中的的氧氧在在有有水水的的條條件件下下，，氧氧化能力很強(qiáng)化能力很強(qiáng)2FeS2＋＋2H2O＋＋7O2 FeSO4＋＋2H2SO4濕濕潤潤的的條條件件下下含含鐵鐵、、硫硫的的礦礦物物（（含含變變價(jià)價(jià)元元素素））普普遍遍地地進(jìn)進(jìn)行行著著氧氧化過程深色礦物（因含二價(jià)鐵）容易風(fēng)化深色礦物（因含二價(jià)鐵）容易風(fēng)化風(fēng)化作用風(fēng)化作用3. 生物風(fēng)化生物風(fēng)化( biological weathering指指巖巖石石中中的的礦礦物物在在生生物物及及其其分分泌泌物物或或有有機(jī)機(jī)質(zhì)質(zhì)分分解解產(chǎn)產(chǎn)物物的作用下，進(jìn)行的機(jī)械性破碎和化學(xué)分解過程的作用下，進(jìn)行的機(jī)械性破碎和化學(xué)分解過程 生生物物風(fēng)風(fēng)化化的的作作用用因因素素是是生生物物及及其其代代謝謝物物發(fā)發(fā)生生的的風(fēng)風(fēng)化化是是物理和化學(xué)風(fēng)化并存物理和化學(xué)風(fēng)化并存微生物、植物根系、動(dòng)物等，在巖石風(fēng)化初期主微生物、植物根系、動(dòng)物等，在巖石風(fēng)化初期主要是低等生物如細(xì)菌要是低等生物如細(xì)菌、、真菌真菌、、 地衣等。

地衣等根劈作用根劈作用(root wedging)風(fēng)化作用階段風(fēng)化作用階段1)1)碎屑?xì)埛e：碎屑?xì)埛e：物理風(fēng)化為主，化學(xué)成分基本不變物理風(fēng)化為主，化學(xué)成分基本不變2 2）鈣質(zhì)殘積類型：）鈣質(zhì)殘積類型：因?yàn)閹r石礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的易溶性鉀、因?yàn)閹r石礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的易溶性鉀、鈉、鈣、鎂的氯化物和硫酸鹽，受流水作用逐漸淋溶流失，鈉、鈣、鎂的氯化物和硫酸鹽，受流水作用逐漸淋溶流失，而而碳酸鈣碳酸鈣相對(duì)積累相對(duì)積累3 3）硅鋁化類型）硅鋁化類型 ：巖石中的礦物受長期風(fēng)化，可溶性氯化物巖石中的礦物受長期風(fēng)化，可溶性氯化物及硫酸鹽遭到強(qiáng)烈淋失，甚至溶解度較小的碳酸鈣也被淋及硫酸鹽遭到強(qiáng)烈淋失，甚至溶解度較小的碳酸鈣也被淋溶，而溶，而鋁、鐵、硅鋁、鐵、硅等元素尚有殘留如高嶺土等元素尚有殘留如高嶺土4 4）鐵鋁化類型）鐵鋁化類型 硅酸鹽礦物全部分解，轉(zhuǎn)變?yōu)橐源紊F、鋁礦物和高嶺硅酸鹽礦物全部分解，轉(zhuǎn)變?yōu)橐源紊F、鋁礦物和高嶺石粘土礦物為主如紅土石粘土礦物為主如紅土u土土壤壤u殘殘積積層層u基基巖巖u風(fēng)風(fēng)化化殼殼u二、黃土成因二、黃土成因(research of loess genesis)及黃土演變及黃土演變u黃土（黃土（loess)為干寒氣候環(huán)境的產(chǎn)物，是一種為干寒氣候環(huán)境的產(chǎn)物，是一種“母巖母巖”而并不是真正的而并不是真正的“土壤土壤”。

u黃土物質(zhì)來源：不是主要來自于沙漠環(huán)境，而是來黃土物質(zhì)來源：不是主要來自于沙漠環(huán)境，而是來源青藏高原第四紀(jì)冰川和冰緣作用區(qū)源青藏高原第四紀(jì)冰川和冰緣作用區(qū)u 黃土成因有不同的假說黃土成因有不同的假說:u(1) 黃土風(fēng)成說黃土風(fēng)成說:是李?；舴遥ㄊ抢钕；舴遥╒on Richthofen(1882年）年））和奧勃魯契夫在）和奧勃魯契夫在19世紀(jì)末葉提出的世紀(jì)末葉提出的“低空理論低空理論”（（subaerial theory)，即，即“風(fēng)成說風(fēng)成說”，認(rèn)為黃土分，認(rèn)為黃土分布在干早沙漠區(qū)的外圍，是盛行的西北風(fēng)或北風(fēng)刮布在干早沙漠區(qū)的外圍，是盛行的西北風(fēng)或北風(fēng)刮起地面的粉塵，并將它們搬出沙漠地帶沉積下來，起地面的粉塵，并將它們搬出沙漠地帶沉積下來，天長日久形成厚層的黃土天長日久形成厚層的黃土u風(fēng)成說依據(jù)：風(fēng)成說依據(jù)：（（1）礦物成分粉粒為主符合風(fēng)力搬運(yùn)）礦物成分粉粒為主符合風(fēng)力搬運(yùn)特點(diǎn)；（特點(diǎn)；（2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：土質(zhì)疏松，大孔隙，濕陷性）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：土質(zhì)疏松，大孔隙，濕陷性u二、黃土成因二、黃土成因u(2)殘積說殘積說：認(rèn)為黃土是在干燥氣候條件下，由：認(rèn)為黃土是在干燥氣候條件下，由下伏基巖經(jīng)風(fēng)化殘積作用形成的，黃土的許多下伏基巖經(jīng)風(fēng)化殘積作用形成的，黃土的許多性質(zhì)與風(fēng)化殼的黃土化作用有關(guān)。

性質(zhì)與風(fēng)化殼的黃土化作用有關(guān)u(3)黃土多成因說黃土多成因說:認(rèn)為黃土是由多種地質(zhì)作用，認(rèn)為黃土是由多種地質(zhì)作用，如沖積作用、洪積作用、坡積作用、風(fēng)積作用如沖積作用、洪積作用、坡積作用、風(fēng)積作用和冰川作用等，在相似的氣候條件下逐漸堆積和冰川作用等，在相似的氣候條件下逐漸堆積而成的，其物質(zhì)來源主要是區(qū)內(nèi)或鄰近地區(qū)的而成的，其物質(zhì)來源主要是區(qū)內(nèi)或鄰近地區(qū)的早期堆積物和基巖風(fēng)化碎屑物早期堆積物和基巖風(fēng)化碎屑物u(4)洪積說洪積說：： 李明光多次赴黃土高原、青藏高原、李明光多次赴黃土高原、青藏高原、西北等地考察認(rèn)為歐亞板塊和印度板塊相碰西北等地考察認(rèn)為歐亞板塊和印度板塊相碰撞，釋放出巨大能量，產(chǎn)生多次災(zāi)變性洪水，撞，釋放出巨大能量，產(chǎn)生多次災(zāi)變性洪水，洪水從西北向東南方向漫滋，帶來大量黃土物洪水從西北向東南方向漫滋，帶來大量黃土物質(zhì)，形成巨厚的黃土沉積并抬升，由于氣候干質(zhì)，形成巨厚的黃土沉積并抬升，由于氣候干燥黃土得以保存燥黃土得以保存黃土特性黃土特性：u（（1）礦物成分：主要以石英、長石等穩(wěn)定礦）礦物成分：主要以石英、長石等穩(wěn)定礦物，粒度組分以粉粒為主同層位的黃土連物，粒度組分以粉粒為主同層位的黃土連續(xù)分布在不同高度的坡地、高原、平川等地續(xù)分布在不同高度的坡地、高原、平川等地貌單元上，符合風(fēng)力搬運(yùn)特點(diǎn)。

貌單元上，符合風(fēng)力搬運(yùn)特點(diǎn)u（（2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：土質(zhì)疏松、多大孔隙、具濕）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：土質(zhì)疏松、多大孔隙、具濕陷等特性多為塊狀結(jié)構(gòu)，無節(jié)理陷等特性多為塊狀結(jié)構(gòu)，無節(jié)理三、土壤三、土壤u土壤是以風(fēng)化產(chǎn)物和松散堆積物為母質(zhì)，土壤是以風(fēng)化產(chǎn)物和松散堆積物為母質(zhì)，經(jīng)生物和化學(xué)作用為主的成土改造作用，經(jīng)生物和化學(xué)作用為主的成土改造作用，具有植物生長所需的有機(jī)質(zhì)（腐殖層）和具有植物生長所需的有機(jī)質(zhì)（腐殖層）和無機(jī)質(zhì)（無機(jī)質(zhì)（N、、P、、K）、微量元素和水分與）、微量元素和水分與孔隙土壤呈灰色、灰黑色，厚度孔隙土壤呈灰色、灰黑色，厚度0.5m～～2.5mu（一）、土壤的結(jié)構(gòu)：（一）、土壤的結(jié)構(gòu)：u土壤剖面成層：表層為腐殖層土壤剖面成層：表層為腐殖層A層，團(tuán)粒，層，團(tuán)粒，孔隙；中間是淋溶層孔隙；中間是淋溶層B層，礦物、有機(jī)層，礦物、有機(jī)質(zhì)淋溶；底層是沉淀層質(zhì)淋溶；底層是沉淀層C層u（二）、土壤的可蝕性或抗侵蝕性（二）、土壤的可蝕性或抗侵蝕性u(píng) 國外：土壤的可蝕性分為可分離性（國外：土壤的可蝕性分為可分離性（detachability)和可和可搬運(yùn)性（搬運(yùn)性（transportability)u 國內(nèi)常用抗侵蝕性：分為抗沖性和抗蝕性。

土壤的抗蝕國內(nèi)常用抗侵蝕性：分為抗沖性和抗蝕性土壤的抗蝕性系指土壤風(fēng)、水對(duì)土壤的機(jī)械破壞抗蝕性抵抗水對(duì)土性系指土壤風(fēng)、水對(duì)土壤的機(jī)械破壞抗蝕性抵抗水對(duì)土粒的分散和徑流懸浮的能力土壤的抗蝕性常用分散率，粒的分散和徑流懸浮的能力土壤的抗蝕性常用分散率，侵蝕率和分散系數(shù)表示侵蝕率和分散系數(shù)表示u 土壤的抗蝕能力和土壤機(jī)械組成、化學(xué)特性、土壤被復(fù)土壤的抗蝕能力和土壤機(jī)械組成、化學(xué)特性、土壤被復(fù)等有關(guān)，經(jīng)研究其與土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系極為密切土壤結(jié)構(gòu)等有關(guān)，經(jīng)研究其與土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系極為密切土壤結(jié)構(gòu)性愈好，則不是被水浸泡潰解，并能堅(jiān)強(qiáng)地抵抗雨滴的打性愈好，則不是被水浸泡潰解，并能堅(jiān)強(qiáng)地抵抗雨滴的打擊和徑流的沖刷這是因?yàn)橥寥澜Y(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)是它的擊和徑流的沖刷這是因?yàn)橥寥澜Y(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)是它的穩(wěn)固性，即不易分裂為小團(tuán)聚體和機(jī)械元素的能力不穩(wěn)穩(wěn)固性，即不易分裂為小團(tuán)聚體和機(jī)械元素的能力不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其浸入水中或遭受雨打水沖時(shí)，很快就分裂定的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其浸入水中或遭受雨打水沖時(shí)，很快就分裂為各自分開的顆粒，而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在水的作用下比較耐為各自分開的顆粒，而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在水的作用下比較耐久，完全不被破壞或者僅部分地分裂成為小的團(tuán)聚體。

久，完全不被破壞或者僅部分地分裂成為小的團(tuán)聚體（三）（三） 氣候與土壤氣候與土壤（主要決定著成土過程中水熱條（主要決定著成土過程中水熱條件）件）水熱水熱 ：： 一方面一方面影響母質(zhì)風(fēng)化過程速度及物質(zhì)的淋溶；影響母質(zhì)風(fēng)化過程速度及物質(zhì)的淋溶； 另另 一一 方方 面面 控控 制制 了了 植植 物物 和和 微微 生生 物物 的的 生生 長長 決決 定了有機(jī)質(zhì)的積累和分解定了有機(jī)質(zhì)的積累和分解氣候?qū)ν寥佬再|(zhì)的影響氣候?qū)ν寥佬再|(zhì)的影響(1)對(duì)土壤礦物的風(fēng)化及其組成的影響對(duì)土壤礦物的風(fēng)化及其組成的影響(2)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量和腐殖質(zhì)組成的影響對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量和腐殖質(zhì)組成的影響(3)對(duì)土壤膠體性質(zhì)的影響對(duì)土壤膠體性質(zhì)的影響(4)強(qiáng)烈地影響土壤風(fēng)化和淋溶度強(qiáng)烈地影響土壤風(fēng)化和淋溶度 不同氣候下土壤的形成分析不同氣候下土壤的形成分析南南 方方 濕濕 熱熱 風(fēng)風(fēng) 化化 強(qiáng)強(qiáng) 烈烈 鹽鹽 基基 淋淋 失失 多多 土土 壤壤 pH低低 原原生生礦礦物物少少，，且且粘粘土土礦礦物物以以Ki值值較較低低 的高嶺石為主的高嶺石為主南方濕熱南方濕熱 生物生長旺盛生物生長旺盛 微生物活動(dòng)強(qiáng)烈微生物活動(dòng)強(qiáng)烈 有機(jī)質(zhì)積累少有機(jī)質(zhì)積累少H/F（胡敏酸與富里酸之比）（胡敏酸與富里酸之比）<0.5 東東北北地地區(qū)區(qū)冷冷濕濕 風(fēng)風(fēng)化化不不強(qiáng)強(qiáng) 鹽鹽基基淋淋失失少少（（鹽鹽基基飽飽和和）） pH高高 東東北北地地區(qū)區(qū)冷冷濕濕 有有機(jī)機(jī)質(zhì)質(zhì)分分解解慢慢，，積積累累多多，，但但品品質(zhì)質(zhì)較較差差，，C/N 高高 H/F低低 u（四）土壤類型：決定于氣候和植被（四）土壤類型：決定于氣候和植被五：泥沙資源五：泥沙資源u傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是認(rèn)為泥沙是有害的；傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是認(rèn)為泥沙是有害的；u泥沙遷移造就了廣袤富庶的大平原。

長江泥沙遷移造就了廣袤富庶的大平原長江三角洲、珠江三角洲；三角洲、珠江三角洲；u河道有序采砂；河道有序采砂；采砂量多大合適？采砂量多大合適？u三峽引航道年淤積砂量三峽引航道年淤積砂量200萬～萬～1000萬方，萬方，如何利用該泥沙資源；如何利用該泥沙資源；u高含沙水流輸送、流化床充分燃燒；高含沙水流輸送、流化床充分燃燒；u黃河下游泥沙淤背工程；黃河下游泥沙淤背工程；u黃河口泥沙淤積使海上采油變?yōu)殛懮祥_采黃河口泥沙淤積使海上采油變?yōu)殛懮祥_采§3 顆粒的個(gè)體特性顆粒的個(gè)體特性u(píng)一、泥沙顆粒的大小一、泥沙顆粒的大小——粒徑粒徑u1 1、等容粒徑（、等容粒徑（nominal diameter)nominal diameter)：體積相當(dāng)?shù)那蝮w：體積相當(dāng)?shù)那蝮w直徑適用于卵石以上的較大顆粒適用于卵石以上的較大顆粒u2 2、平均粒徑：、平均粒徑：粗顆粒粗顆粒u3 3、篩分粒徑、篩分粒徑(seive diameter)(seive diameter)：停留在：停留在D1D1，通過，通過D2D2的平均粒徑的平均粒徑相當(dāng)于等容粒徑相當(dāng)于等容粒徑適用于礫石、沙粒適用于礫石、沙粒u4 4、沉降粒徑、沉降粒徑(fall diameter )(fall diameter )：粒徑小于：粒徑小于0.1mm0.1mm。

<0.1mm<0.1mm的細(xì)沙的細(xì)沙適用于粉沙、粘土適用于粉沙、粘土.u如：如：比重計(jì)法、粒徑計(jì)法、吸管法比重計(jì)法、粒徑計(jì)法、吸管法等u泥沙顆粒分類：方法很多，結(jié)果有差別泥沙顆粒分類：方法很多，結(jié)果有差別u粒徑小于粒徑小于0.1mm0.1mm顆粒的分析方法比較復(fù)雜，顆粒的分析方法比較復(fù)雜，原因有（原因有（1 1）細(xì)小顆粒由于鹽類及水化膜中）細(xì)小顆粒由于鹽類及水化膜中離子作用常常粘聚在一起，形成集合體，離子作用常常粘聚在一起，形成集合體，使粒徑增大，細(xì)粒減少；（使粒徑增大，細(xì)粒減少；（2 2）不能直接分）不能直接分出所要區(qū)分的粒組，必須經(jīng)過簡單換算出所要區(qū)分的粒組，必須經(jīng)過簡單換算u D D＝＝2 2－－φ φ 或或 u美國地球物理學(xué)會(huì)美國地球物理學(xué)會(huì) 中國中國 水文水文 u漂石漂石 boulders ≥ 256mm ≥ 200mmu卵石卵石 cobbles 64~256mm 20~200mmu礫石礫石 gravel 2~64mm 2~20mmu粗沙粗沙 coarse sand 0.5~2.0mm u中沙中沙 medium sand 0.25~0.5mm 0.05~2.0mmu細(xì)沙細(xì)沙 fine sand 0.062~0.25mmu粉沙粉沙 silt 0.004~0.062mm 0.005~0.05mmu粘土粘土 clay ≤ 0.004mm ≤0.005mm二、顆粒形狀u（（1）圓度）圓度(roundess) 。

顆顆粒棱和角的尖銳粒棱和角的尖銳程度圓度相等程度圓度相等的顆粒，形狀可的顆粒，形狀可能不同圓度相等，形狀圓度相等，形狀不同u（（2 2）表面結(jié)構(gòu)：）表面結(jié)構(gòu)：顯微鏡下觀測(cè)的顆顯微鏡下觀測(cè)的顆粒表面細(xì)微形狀粒表面細(xì)微形狀u（（3 3））球度球度（（sphericity)wadellsphericity)wadell于于19321932年年定義：與顆粒同體積的球體直徑和顆粒外定義：與顆粒同體積的球體直徑和顆粒外接球直徑之比接球直徑之比ФФ=1/a*(6V/3.14)=1/a*(6V/3.14)0.3330.333u(4)(4)形狀形狀可用形狀系數(shù)可用形狀系數(shù)SF(shape factor)SF(shape factor)表示表示u泥沙顆粒形狀最初取決于巖石母質(zhì)和風(fēng)化泥沙顆粒形狀最初取決于巖石母質(zhì)和風(fēng)化作用，隨后在輸運(yùn)過程中受物理、化學(xué)和作用，隨后在輸運(yùn)過程中受物理、化學(xué)和生物作用不斷改變形狀，一般是其圓度增生物作用不斷改變形狀，一般是其圓度增加的過程加的過程u（（5 5））卵石磨損卵石磨損卵石在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常與河卵石在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常與河床發(fā)生磨檫使卵石的體積、重量和粒徑沿床發(fā)生磨檫使卵石的體積、重量和粒徑沿程減小。

程減小u（（6 6））某種粒徑的某種粒徑的“短缺短缺”現(xiàn)象現(xiàn)象如瑞士萊茵河河床質(zhì)中，有萊茵河河床質(zhì)中，有5 5～～100mm100mm的礫卵石，的礫卵石，也有也有1mm1mm的細(xì)沙，但很少存在的細(xì)沙，但很少存在1 1～～5mm5mm的顆的顆粒一種解釋認(rèn)為是巖石崩解作用產(chǎn)生的粒一種解釋認(rèn)為是巖石崩解作用產(chǎn)生的某一粒徑短缺；另一種認(rèn)為風(fēng)化形成后，某一粒徑短缺；另一種認(rèn)為風(fēng)化形成后，在輸運(yùn)過程中細(xì)化了在輸運(yùn)過程中細(xì)化了u贛江下游河床質(zhì)鉆孔資料分析結(jié)果：贛江下游河床質(zhì)鉆孔資料分析結(jié)果：10-20mm粒組缺乏粒組缺乏 u四、比表面積四、比表面積u1.11.1?（（1 1）定義）定義————泥沙顆粒的表面積與其體積之比泥沙顆粒的表面積與其體積之比?（（2 2）比表面積的意義）比表面積的意義?顆粒越小，比表面積越大；顆粒越小，比表面積越大；?反映泥沙顆粒的物化作用與重力作用的相對(duì)大小，其值反映泥沙顆粒的物化作用與重力作用的相對(duì)大小，其值 越大，物化越大，物化作用就越大作用就越大u §2-3 泥沙的幾何特性泥沙的幾何特性三、顆粒的密度、容重、比重三、顆粒的密度、容重、比重u容重：與泥沙的礦物組成決定。

一般分為膠體分容重：與泥沙的礦物組成決定一般分為膠體分散礦物、輕礦物和重礦物散礦物、輕礦物和重礦物 §4 §4 泥沙顆粒群體特性泥沙顆粒群體特性u(píng)泥沙顆粒群體特性（泥沙顆粒群體特性（bulk properties of sediment):包括粒徑分布（包括粒徑分布（size distribution) 、干容重、干容重(specific weight)、水下休止角、水下休止角(angle of repose)、床面上的顆粒排列床面上的顆粒排列 u一、一、粒徑分布及級(jí)配曲線粒徑分布及級(jí)配曲線u（（1 1）泥沙顆粒的粒徑尺度：自然界中泥沙的）泥沙顆粒的粒徑尺度：自然界中泥沙的粒徑變化很大，從粒徑變化很大，從1m1m的漂石，到的漂石，到0.001mm0.001mm的粘的粘粒KrumbeinKrumbein提出提出ΦΦ值分級(jí)尺度取以值分級(jí)尺度取以2 2為底為底的對(duì)數(shù)并乘以（的對(duì)數(shù)并乘以（-1-1）u（（2）泥沙顆粒的粒徑分布：粒徑頻率直）泥沙顆粒的粒徑分布：粒徑頻率直方圖和粒徑頻率累積曲線方圖和粒徑頻率累積曲線u粒徑頻率直方圖粒徑頻率直方圖u粒徑頻率累積曲線粒徑頻率累積曲線uxexeua、、b組成較均勻，變化范圍窄，組成較均勻，變化范圍窄，但但a 較粗，較粗，b較細(xì)。

較細(xì)u§2-3 泥沙的幾何特性泥沙的幾何特性u(píng)c組成不均勻，變化范圍組成不均勻，變化范圍大，各組粒經(jīng)含量接近大，各組粒經(jīng)含量接近ud組成很均勻，組成很均勻，變化范圍小變化范圍小二、粒徑分布特征值u(1)(1)代表粒徑代表粒徑：平均粒徑（：平均粒徑（mean mean diamnter): ddiamnter): dm m（算術(shù)平均），（算術(shù)平均），d dmg mg （幾何平均），（幾何平均），u中值粒徑中值粒徑:d:d5050(median(median sizesize））u（（2 2）均方差）均方差σ和和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg gu揀選系數(shù)揀選系數(shù)φφu（（3 3）偏度：偏離對(duì)數(shù)正態(tài)分布的）偏度：偏離對(duì)數(shù)正態(tài)分布的程度u（（4 4）峰度：粒徑頻率分布的集中）峰度：粒徑頻率分布的集中或尖銳程度或尖銳程度 ?三、泥沙集合體的命名三、泥沙集合體的命名對(duì)于粒徑組成分不同的混合體，采用沉積巖石中的對(duì)于粒徑組成分不同的混合體，采用沉積巖石中的命名方法，即二元命名和三元命名命名方法，即二元命名和三元命名國際制國際制(ISSS)土壤質(zhì)地分類三角圖土壤質(zhì)地分類三角圖四、泥沙淤積物干容重四、泥沙淤積物干容重u（（1）泥沙淤積物干容重（）泥沙淤積物干容重（specific weight)u單位體積的淤積物沙樣干燥后的重量單位體積的淤積物沙樣干燥后的重量,也稱干密度。

由于也稱干密度由于泥沙顆粒存在孔隙，干容重一般小于個(gè)體顆粒的容重泥沙顆粒存在孔隙，干容重一般小于個(gè)體顆粒的容重在分析河床沖淤變化時(shí)，泥沙沖淤的重量必須通過泥沙在分析河床沖淤變化時(shí)，泥沙沖淤的重量必須通過泥沙的干容重?fù)Q算為泥沙沖淤體積的干容重?fù)Q算為泥沙沖淤體積u量綱：量綱：N/m3 ，，tf/m3，，kgf/m3；；u影響干容重的主要因素有粒徑組成，淤積歷時(shí)，埋藏的深影響干容重的主要因素有粒徑組成，淤積歷時(shí)，埋藏的深度和環(huán)境等度和環(huán)境等u（（2）干容重計(jì)算方法）干容重計(jì)算方法u（（3 3）泥沙粒徑對(duì)干容重的影響；）泥沙粒徑對(duì)干容重的影響；u（（4 4）干容重與淤積深度和淤積歷時(shí)關(guān)系；）干容重與淤積深度和淤積歷時(shí)關(guān)系；泥沙的水下休止角泥沙的水下休止角u在靜水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以堆積成一在靜水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以堆積成一定角度的穩(wěn)定傾斜面而不致塌落，此傾斜面與水平面定角度的穩(wěn)定傾斜面而不致塌落，此傾斜面與水平面的角度為泥沙的水下休止角的角度為泥沙的水下休止角（angle of reposeangle of repose)u泥沙的水下休止角與粒徑、狀、和表面光滑度、不均泥沙的水下休止角與粒徑、狀、和表面光滑度、不均勻系數(shù)均有關(guān)系。

勻系數(shù)均有關(guān)系五：常用模型沙的特性五：常用模型沙的特性u(píng)（（1）常用模型沙及其特性指標(biāo)：顆粒容重（干容）常用模型沙及其特性指標(biāo)：顆粒容重（干容重）、粒徑、起動(dòng)流速、沉速、水下休止角等重）、粒徑、起動(dòng)流速、沉速、水下休止角等u（（2）模型沙的選擇：是泥沙模型試驗(yàn)研究中的關(guān)鍵技）模型沙的選擇：是泥沙模型試驗(yàn)研究中的關(guān)鍵技術(shù)如起動(dòng)流速比尺大、糙率比尺小的，可選擇容重術(shù)如起動(dòng)流速比尺大、糙率比尺小的，可選擇容重小的輕質(zhì)沙如木屑另外能大量制備、通用性強(qiáng)小的輕質(zhì)沙如木屑另外能大量制備、通用性強(qiáng)u（（3）顆粒容重可調(diào)整的模型沙顆粒容重可調(diào)整的模型沙BZY材料顆粒、容重材料顆粒、容重可以調(diào)整可以調(diào)整u (4)模型沙的水下休止角模型沙的水下休止角u張幸農(nóng)，唐存本，新型張幸農(nóng)，唐存本，新型BZY模型沙的研及其特性試驗(yàn)研究制，模型沙的研及其特性試驗(yàn)研究制，泥沙研究，泥沙研究，1995（（1）株洲精煤水下休止角株洲精煤水下休止角中值粒徑（mm)0.020.070.4干沙休止角（°）493745水下休止角（°）383238u 擬焦沙是由清華大學(xué)黃河研究中心同黃河水?dāng)M焦沙是由清華大學(xué)黃河研究中心同黃河水利科學(xué)研究院聯(lián)合研發(fā)的一種新型模型沙材料利科學(xué)研究院聯(lián)合研發(fā)的一種新型模型沙材料,它是根據(jù)模型設(shè)計(jì)對(duì)容重及級(jí)配等方面的要求它是根據(jù)模型設(shè)計(jì)對(duì)容重及級(jí)配等方面的要求,采用容重小且熱解效應(yīng)強(qiáng)的焦煤為原料采用容重小且熱解效應(yīng)強(qiáng)的焦煤為原料,首先通首先通過水選降低原料灰分過水選降低原料灰分,然后脫水并粉碎成顆粒狀然后脫水并粉碎成顆粒狀,采取特殊工藝將煤粒部分脫去有機(jī)物及揮發(fā)分采取特殊工藝將煤粒部分脫去有機(jī)物及揮發(fā)分,經(jīng)過脫硫、脫氮和脫灰等工序改變其化學(xué)鍵經(jīng)過脫硫、脫氮和脫灰等工序改變其化學(xué)鍵,進(jìn)一步分選而成的。

擬焦沙物理、化學(xué)性能比進(jìn)一步分選而成的擬焦沙物理、化學(xué)性能比較穩(wěn)定較穩(wěn)定,容重為容重為1. 70~1. 90 t/m3u 任艷粉，姚棣，李遠(yuǎn)發(fā)等，擬焦沙阻力特性及水流任艷粉，姚棣，李遠(yuǎn)發(fā)等，擬焦沙阻力特性及水流挾沙能力試驗(yàn)研究，人民黃河，挾沙能力試驗(yàn)研究，人民黃河，2009（（11））六、細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性六、細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性u(píng)泥沙顆粒越細(xì)，顆粒比表面積越大泥沙顆粒越細(xì)，顆粒比表面積越大u1、雙電層及吸附水、雙電層及吸附水u2、雙電層中電位：膠粒表面與液體界面上的電位、雙電層中電位：膠粒表面與液體界面上的電位為熱力學(xué)電位為熱力學(xué)電位ΨΨ0 0；擴(kuò)散層表面與自由溶液之間的；擴(kuò)散層表面與自由溶液之間的電位差，稱為電動(dòng)電位電位差，稱為電動(dòng)電位ζζ影響電動(dòng)電位及擴(kuò)散影響電動(dòng)電位及擴(kuò)散層厚度的因素層厚度的因素:礦物成分，電解質(zhì)濃度，溶液的礦物成分，電解質(zhì)濃度，溶液的PH值等③③、、ζζ電位的大小電位的大小( (雙電層的厚度雙電層的厚度) )與離子的濃度與離子的濃度和價(jià)數(shù)的關(guān)系和價(jià)數(shù)的關(guān)系 電解質(zhì)濃度越大或離子價(jià)數(shù)越高，擴(kuò)散層越薄，電解質(zhì)濃度越大或離子價(jià)數(shù)越高，擴(kuò)散層越薄， ζζ電勢(shì)越小，雙電層的厚度越薄。

電勢(shì)越小，雙電層的厚度越薄u7 7③③、、ζζ電位的大小電位的大小( (雙電層的厚度雙電層的厚度) )與離子的濃度與離子的濃度和價(jià)數(shù)的關(guān)系和價(jià)數(shù)的關(guān)系 電解質(zhì)濃度越小或離子價(jià)數(shù)越低，擴(kuò)散層越厚，電解質(zhì)濃度越小或離子價(jià)數(shù)越低，擴(kuò)散層越厚， ζζ電勢(shì)越大，雙電層的厚度越厚電勢(shì)越大，雙電層的厚度越厚 u7 7u3、絮凝與分散、絮凝與分散(DLVO理論）理論）u泥沙顆粒越細(xì)，重力作用越弱，顆粒之間的相互作用則泥沙顆粒越細(xì)，重力作用越弱，顆粒之間的相互作用則俞來俞重要，存在于顆粒之間的吸附水膜促使它們連接俞來俞重要，存在于顆粒之間的吸附水膜促使它們連接起來，同時(shí)也有排斥作用相鄰顆粒在一定條件下結(jié)合起來，同時(shí)也有排斥作用相鄰顆粒在一定條件下結(jié)合成集合體的作用為成集合體的作用為“凝聚作用凝聚作用”，擴(kuò)散層很薄，凝聚作，擴(kuò)散層很薄，凝聚作用強(qiáng)，反之如果擴(kuò)散層很厚，排斥力大于吸附力，顆粒用強(qiáng)，反之如果擴(kuò)散層很厚，排斥力大于吸附力，顆粒重新分離為重新分離為“分散作用分散作用”§5 §5 泥沙顆粒的沉速泥沙顆粒的沉速u一、泥沙顆粒沉降一、泥沙顆粒沉降u沉速概念：沉速概念：單顆粒單顆粒泥沙在無邊界影響靜止清泥沙在無邊界影響靜止清水中均勻沉降的速度水中均勻沉降的速度ω（（fall velocity)，由于，由于粒徑越粗，沉速越大，也稱水力粗度。

粒徑越粗，沉速越大，也稱水力粗度u沉降過程分析：沉降過程分析：u實(shí)測(cè)資料表明，泥沙沉降的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與顆粒實(shí)測(cè)資料表明，泥沙沉降的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與顆粒雷諾數(shù)雷諾數(shù) 有關(guān)u過渡區(qū)過渡區(qū)u層流時(shí)層流時(shí)u紊流紊流u二、球體顆粒沉降二、球體顆粒沉降u1)從繞流分析從繞流分析u阻力阻力FD：：u阻力系數(shù)：阻力系數(shù)：CD（量綱（量綱分析）分析）uempricalu2)力學(xué)分析力學(xué)分析 u層流時(shí)，層流時(shí)，STOKES 公式公式u過渡區(qū)過渡區(qū)u紊流紊流oseenoseenu三、天然沙沉降三、天然沙沉降u代表性公式代表性公式u（（1）張瑞瑾公式思路）張瑞瑾公式思路:從泥沙沉降的過渡區(qū)力從泥沙沉降的過渡區(qū)力學(xué)分析u（（2）竇國仁公式思路：從泥沙沉降的過渡區(qū)）竇國仁公式思路：從泥沙沉降的過渡區(qū)繞流分離區(qū)分析繞流分離區(qū)分析u相對(duì)而言相對(duì)而言, ,單顆泥沙在靜水中的沉降特單顆泥沙在靜水中的沉降特性已基本明確性已基本明確, ,而群體顆粒的沉降規(guī)律相而群體顆粒的沉降規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜當(dāng)復(fù)雜, ,對(duì)其沉降規(guī)律還認(rèn)識(shí)不透對(duì)其沉降規(guī)律還認(rèn)識(shí)不透u四、影響沉速的主要因素四、影響沉速的主要因素u（一）顆粒形狀的影響，繞流阻力修正系數(shù)（一）顆粒形狀的影響，繞流阻力修正系數(shù)Ku（二）含沙濃度的影響（二）含沙濃度的影響u1、、非均勻粗顆粒泥沙的群體沉速非均勻粗顆粒泥沙的群體沉速u2、、粘性細(xì)顆粒泥沙的群體沉速粘性細(xì)顆粒泥沙的群體沉速u當(dāng)顆粒濃度較低時(shí)，絮團(tuán)之間不搭接，單個(gè)絮當(dāng)顆粒濃度較低時(shí)，絮團(tuán)之間不搭接，單個(gè)絮團(tuán)的沉速大于細(xì)顆粒個(gè)體沉速，濃度增加，絮團(tuán)的沉速大于細(xì)顆粒個(gè)體沉速，濃度增加，絮團(tuán)搭接聯(lián)成絮網(wǎng)，沉速大幅度下降，整體緩慢團(tuán)搭接聯(lián)成絮網(wǎng)，沉速大幅度下降，整體緩慢下沉。

下沉u（三）含鹽度影響（三）含鹽度影響u一方面增加水的容重和粘性，減小顆粒沉速，一方面增加水的容重和粘性，減小顆粒沉速，另一方面使細(xì)顆粒絮凝成團(tuán)，增大沉速試驗(yàn)另一方面使細(xì)顆粒絮凝成團(tuán)，增大沉速試驗(yàn)表明鹽度在表明鹽度在0~4.0‰，沉速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值沉速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值u（四）水流紊動(dòng)（四）水流紊動(dòng)u單粒受紊動(dòng)影響小，但絮團(tuán)受的影響大影響單粒受紊動(dòng)影響小，但絮團(tuán)受的影響大影響（（1）增加顆粒碰撞，增強(qiáng)絮凝，（）增加顆粒碰撞，增強(qiáng)絮凝，（2）局部剪）局部剪切力加大，引起絮凝的破碎提出切力加大，引起絮凝的破碎提出“動(dòng)水沉速動(dòng)水沉速”§6 §6 含沙水體（渾水）性質(zhì)含沙水體（渾水）性質(zhì)u一渾水的容重、含沙量一渾水的容重、含沙量u混合比含沙量、體積比含沙量，重量比含沙量，混合比含沙量、體積比含沙量，重量比含沙量，u二、含沙水流的流型二、含沙水流的流型?表觀粘度；Toms降阻效應(yīng)推移質(zhì)與懸移質(zhì) 床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)u推移質(zhì)（推移質(zhì)（bed load) 在床面附近以滾動(dòng)、滑動(dòng)在床面附近以滾動(dòng)、滑動(dòng)或跳躍方式運(yùn)動(dòng)的泥沙也稱：或跳躍方式運(yùn)動(dòng)的泥沙也稱：“底沙底沙”u懸移質(zhì)（懸移質(zhì)（suspend load)懸浮在水流中隨水流一懸浮在水流中隨水流一起運(yùn)動(dòng)的泥沙。

也稱：起運(yùn)動(dòng)的泥沙也稱：“懸沙懸沙”u床沙（床沙（bed material):靜止在床面上的泥沙靜止在床面上的泥沙u推移質(zhì)與懸移質(zhì)的區(qū)別推移質(zhì)與懸移質(zhì)的區(qū)別：：u（（1）運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同：輸沙率與水流的切力關(guān)）運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同：輸沙率與水流的切力關(guān)系不同，輸沙量不同如宜昌卵石推移質(zhì)系不同，輸沙量不同如宜昌卵石推移質(zhì)76萬萬噸，沙質(zhì)推移質(zhì)噸，沙質(zhì)推移質(zhì)878萬噸，懸沙輸沙萬噸，懸沙輸沙5億噸u（（2）能量來源不同：推移質(zhì)消耗水流的時(shí)均）能量來源不同：推移質(zhì)消耗水流的時(shí)均勢(shì)能，增大阻力；懸沙來自紊動(dòng)動(dòng)能對(duì)阻力勢(shì)能，增大阻力；懸沙來自紊動(dòng)動(dòng)能對(duì)阻力是間接的是間接的u（（3）對(duì)河床作用不同懸沙通過容重增大靜）對(duì)河床作用不同懸沙通過容重增大靜水壓力；推移質(zhì)通過顆粒間離散力與河床作用水壓力；推移質(zhì)通過顆粒間離散力與河床作用床床沙沙質(zhì)質(zhì)和和沖沖瀉瀉質(zhì)質(zhì)床床沙沙質(zhì)質(zhì)和和沖沖瀉瀉質(zhì)質(zhì)u床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)：床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)：按造床作用按造床作用u床沙質(zhì)床沙質(zhì)(bed material load):懸沙中較粗的部分懸沙中較粗的部分在床沙中大量存在，即參與造床的泥沙在床沙中大量存在，即參與造床的泥沙u沖瀉質(zhì)（沖瀉質(zhì)（wash load)u床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的劃分方法床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的劃分方法:u對(duì)床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)認(rèn)識(shí)。

分界粒徑隨水力條件對(duì)床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)認(rèn)識(shí)分界粒徑隨水力條件的變化而變化的變化而變化u（（1）懸沙級(jí)配曲線中的）懸沙級(jí)配曲線中的D5或或D10u用懸浮指標(biāo)用懸浮指標(biāo)u床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的判別：床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的判別：u（（1）取床沙級(jí)配曲線的）取床沙級(jí)配曲線的D5作為分界粒徑作為分界粒徑u（（2）以懸浮指標(biāo)）以懸浮指標(biāo)Z=ω/（（ΚuΚu* *），以），以Z=0.06Z=0.06（（0.050.05）區(qū)分床沙）區(qū)分床沙質(zhì)質(zhì)與沖瀉與沖瀉質(zhì)質(zhì)的的臨臨界粒界粒徑Z=4Z=4為為推移推移質(zhì)質(zhì)與與懸懸移移質(zhì)質(zhì)的分界粒徑的分界粒徑u主要參考文獻(xiàn)：主要參考文獻(xiàn)：u1、侯輝昌：河流動(dòng)力學(xué)基本問題，水利電力出版、侯輝昌：河流動(dòng)力學(xué)基本問題，水利電力出版社，社，1982u2、倪晉仁，王光謙，固液兩相流研究的兩種基本、倪晉仁，王光謙，固液兩相流研究的兩種基本方法之比較，泥沙研究，方法之比較，泥沙研究，1992（（3）u3、藏啟運(yùn)等，黃河三角洲近岸泥沙，北京，海洋、藏啟運(yùn)等，黃河三角洲近岸泥沙，北京，海洋出版社，出版社，1996u4、費(fèi)祥俊，高含沙水流的顆粒組成及流動(dòng)特性，、費(fèi)祥俊，高含沙水流的顆粒組成及流動(dòng)特性，1983,2nd ISRS。

u5、、Bagnold,R.A.,Auto-suspension of transported sediment;turbidity currents,Proc.of royal society,seriese A,vol 265,1332. uu結(jié)束語結(jié)束語若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正，謝謝！若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正，謝謝！。