秦 毅，李子文，劉 強(qiáng)，李 時(shí)，陳星星

(西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地)，陜西西安 710048)

黃河內(nèi)蒙段泥沙組成與力學(xué)運(yùn)動(dòng)特征

秦 毅，李子文，劉 強(qiáng)，李 時(shí)，陳星星

(西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地)，陜西西安 710048)

泥沙在水與河床演變中起到紐帶作用，因粒徑不同，其運(yùn)動(dòng)形態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及對(duì)河床的作用等不盡相同。因此，研究河床演變就不能輕視泥沙的運(yùn)動(dòng)特性，尤其是黃河內(nèi)蒙河段這種水沙異源的河道。根據(jù)實(shí)測(cè)和實(shí)際鉆探采樣資料，分析了該河段懸移質(zhì)和河床質(zhì)的泥沙組成。并以此為基礎(chǔ)，從起動(dòng)揚(yáng)動(dòng)、懸浮高度、挾沙能力等角度探討了主要粒徑泥沙在一定水流條件下的運(yùn)動(dòng)形態(tài)與規(guī)律。通過(guò)能量和功率方程求得黃河內(nèi)蒙河段的推移質(zhì)輸沙率。結(jié)果表明，內(nèi)蒙河段懸移質(zhì)基本上由粒徑小于0.080 mm的泥沙組成，而河床質(zhì)主要粒徑為0.100～0.500 mm，其中粒徑為0.100～0.250 mm的泥沙活躍于沖淤過(guò)程。推移質(zhì)輸沙率的分析表明，來(lái)自黃河內(nèi)蒙古河段上部的粗顆粒泥沙不易被水流長(zhǎng)距離挾帶，大部分淤積在三湖河口上游。

泥沙組成； 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)； 黃河內(nèi)蒙河段； 推移質(zhì)

動(dòng)床挾沙水流是一種復(fù)雜的兩相流運(yùn)動(dòng)，泥沙在水流作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，泥沙的存在又反過(guò)來(lái)通過(guò)河床演變影響水流運(yùn)動(dòng)，兩者相互制約，相互影響。在水與河床演變中起到紐帶作用的泥沙，因粒徑不同，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律、能量來(lái)源、對(duì)河床作用等都不相同。因此，研究河床演變就不能輕視泥沙的運(yùn)動(dòng)特性。

圖1 黃河內(nèi)蒙河段Fig.1 Inner-Mongolia reach of Yellow River

黃河內(nèi)蒙河段自石嘴山至河曲長(zhǎng)780 km(見(jiàn)圖1)。該河段水沙異源，其水量主要來(lái)自上游干流，天然情況下，汛期7—10月的徑流量約占全年的60%。洪水以上游干流為主，區(qū)間支流洪水量不大，歷時(shí)短且陡漲陡落。而泥沙以當(dāng)?shù)禺a(chǎn)沙為主，主要來(lái)源于當(dāng)?shù)囟嗄嗌持Я骷帮L(fēng)成沙，泥沙粒徑偏粗。烏海至三盛公河段(鄰近烏蘭布和沙漠)的風(fēng)沙活躍，是風(fēng)沙入黃的主要來(lái)源區(qū)。根據(jù)楊根生[1]的研究，每年風(fēng)沙從庫(kù)布齊沙漠進(jìn)入十大孔兌(毛不浪孔兌溝口—呼斯太河溝口)的泥沙量是0.158 9億t，這些泥沙再以洪水挾沙方式向黃河輸送0.238 1 億t,且輸送沙量隨年代遞增，同時(shí)烏蘭布和沙漠由風(fēng)沙流帶入黃河0.177 9 億t泥沙量。在這些入黃泥沙中，63%以上的泥沙粒徑大于0.1 mm。許炯心的研究[2]也表明，蘭州以上來(lái)水和十大孔兌的產(chǎn)沙是影響蘭州至頭道拐河段懸移質(zhì)沖淤的主要因素。李婷等[3-5]分析了輸沙量及懸移質(zhì)組成的沿程變化，認(rèn)為懸移質(zhì)主要由細(xì)沙組成，粒徑大于0.1 mm的粗沙較少。細(xì)沙對(duì)河床沖淤演變產(chǎn)生的作用是暫態(tài)的，推懸交換的泥沙和推移質(zhì)造成的河床沖淤相對(duì)深遠(yuǎn)[6]。然而，對(duì)黃河內(nèi)蒙河段粗沙運(yùn)動(dòng)特征的研究卻較少。因此從泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)角度研究?jī)?nèi)蒙河段泥沙級(jí)配組成，探索各組泥沙的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)于認(rèn)識(shí)寧蒙河道的沖淤變化必不可少。

1 泥沙組成

圖2 內(nèi)蒙河段泥沙顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curves of suspended sediment and bed loads in the reach from Shizuishan to Toudaoguai

從1960—1965年泥沙級(jí)配觀測(cè)資料(圖2)來(lái)看，懸移質(zhì)主要粒徑范圍為0.100～0.050 mm，河床質(zhì)主要粒徑范圍為0.050～0.500 mm，其中河段上下游河床質(zhì)主要粒徑范圍明顯不同。上游石嘴山—巴彥高勒河段，河床質(zhì)主要粒徑范圍為0.100～0.500 mm，且0.100～0.250 mm的泥沙最多，所占比例約為55%，0.100 mm以下的泥沙不到10%，盡管粒徑沿程略有調(diào)整，但河床質(zhì)粒徑級(jí)分布相差無(wú)幾；下游頭道拐站，河床質(zhì)主要粒徑范圍則為0.050～0.250 mm，其中0.100～0.250 mm的泥沙從上游的55%提高到68%，0.100 mm以下泥沙增大到29%，河床質(zhì)粒徑明顯細(xì)化。從整個(gè)河段而言，河床質(zhì)中大于0.100 mm的粗泥沙集中度高；上游均勻系數(shù)為0.58，下游為0.60，沿程集中程度增加。

若泥沙來(lái)自內(nèi)蒙河段上游，隨著上游劉家峽和龍羊峽水庫(kù)等的建成運(yùn)行，來(lái)沙中較粗的部分會(huì)被水庫(kù)攔截，水庫(kù)下游河段的泥沙組成會(huì)細(xì)化[7]。然而2012年三湖河口洪水過(guò)程中水流動(dòng)力區(qū)的泥沙實(shí)測(cè)資料(圖2)與20世紀(jì)60年代石嘴山、巴彥高勒和頭道拐的泥沙實(shí)測(cè)資料對(duì)比可見(jiàn)，內(nèi)蒙河段床沙組成基本符合以往規(guī)律。這種現(xiàn)象表明該河段泥沙主要來(lái)自河段周邊。

2 泥沙運(yùn)動(dòng)形態(tài)

2.1 泥沙起動(dòng)特征

圖3 起動(dòng)流速與揚(yáng)動(dòng)流速的關(guān)系Fig.3 Relationships between incipient velocities and stirring-up velocities

泥沙在水流中的運(yùn)動(dòng)方式有兩種：①懸移運(yùn)動(dòng)，泥沙懸浮于水中，與水流基本無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；②推移運(yùn)動(dòng)，此時(shí)泥沙的跟隨性較差，基本在河床底部跳動(dòng)、滾動(dòng)、層移。泥沙運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)何種方式與水流的挾動(dòng)流速有關(guān)，即起動(dòng)流速Vk、揚(yáng)動(dòng)流速Vs和止動(dòng)流速Vh。根據(jù)沙玉清的研究[8]，挾動(dòng)流速之間關(guān)系如圖3所示，不難發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙河道河床質(zhì)主要粒徑泥沙(0.050～0.500 mm，平均0.250 mm)處于起動(dòng)流速最低區(qū)，即最容易起動(dòng)的泥沙粒徑，但起動(dòng)流速與止動(dòng)流速很接近，一旦流速發(fā)生微小變化，這些泥沙便很容易由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)。因此河床質(zhì)主體是易沖易淤的泥沙。圖3表明在洪水期流量為2 000 m3/s左右、多年平均流速V=1.78 m/s的條件下，河床質(zhì)主體部分基本處于可揚(yáng)動(dòng)狀態(tài)。

同時(shí)從圖3可見(jiàn)，粒徑小于0.080 mm的泥沙揚(yáng)動(dòng)流速小于起動(dòng)流速，這表明泥沙一旦起動(dòng)便會(huì)進(jìn)入懸移狀態(tài)。這就是洪水過(guò)程中粒徑小于0.080 mm的泥沙占懸移質(zhì)泥沙重量百分比平均大于82%的原因，各流量下懸移質(zhì)顆分曲線見(jiàn)圖4。

圖4 2012年洪水過(guò)程中懸移質(zhì)顆粒級(jí)配曲線Fig.4 Gradation curves of suspended load during flood process in 2012

2.2 泥沙懸浮和推移

河槽沖淤變化是水流攜帶泥沙運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，一般用來(lái)判斷河床發(fā)生沖淤的指標(biāo)是水流的挾沙能力，因此水流挾沙能力的大小反映了大量泥沙運(yùn)動(dòng)的趨向性。實(shí)測(cè)資料表明，沖積河流的水流飽和挾沙力是多值函數(shù)，一般為雙值：河床上靜止的泥沙要起動(dòng)變成推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，就要滿足V>Vk(Vk為起動(dòng)流速)，要揚(yáng)起懸浮于水中，必須滿足V>Vs(Vs為揚(yáng)動(dòng)流速)，此時(shí)存在臨沖挾沙力；水流中運(yùn)動(dòng)的泥沙要落淤河床上，V

(1)

式中：V為平均流速(m/s)；V0為挾動(dòng)流速(m/s)。當(dāng)泥沙由靜止轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)時(shí)，V0由起動(dòng)流速Vk計(jì)算；當(dāng)泥沙揚(yáng)起懸浮在水中時(shí)，V0由揚(yáng)動(dòng)流速Vs計(jì)算；當(dāng)水流中懸浮的泥沙落淤床面，則V0由止動(dòng)流速Vh計(jì)算。γm和γs分別為渾水和泥沙的重度(N/m3)；R為水力半徑(m)；ω為沉速(m/s)。從式(1)可見(jiàn)(V-V0)與粒徑大小(反映在沉速中)均對(duì)挾沙能力有影響，相比較而言，(V-V0)對(duì)挾沙能力呈3次方的影響，作用更大。

因此，(V-V0)可以反映水流對(duì)某一粒徑級(jí)泥沙的挾帶能力。若由揚(yáng)動(dòng)流速Vs計(jì)算的(V-V0)<0，則表明水流無(wú)法使泥沙揚(yáng)起做懸移運(yùn)動(dòng)；若(V-V0)>0，則泥沙可以揚(yáng)動(dòng)懸浮，但它們的運(yùn)動(dòng)是否屬于對(duì)河床沖淤有意義的懸浮運(yùn)動(dòng)，則取決于懸浮的高度和數(shù)量。如果大量泥沙懸浮高度高，則其可以被水流帶走引起河床沖刷，可以認(rèn)為是有意義的懸??；否則，水流條件的變化會(huì)使泥沙隨時(shí)在短時(shí)間內(nèi)落回床面，懸浮意義不大而歸結(jié)為推移運(yùn)動(dòng)。因此結(jié)合(V-V0)和懸浮指標(biāo)，可以判斷一定水流條件下不同粒徑級(jí)泥沙的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

利用1976—2012年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)出三湖河口和頭道拐水文站洪水期水動(dòng)力特征的多年平均值，見(jiàn)表1。以此作為考察泥沙運(yùn)動(dòng)形態(tài)的水力條件，計(jì)算各粒徑級(jí)泥沙的(V-V0)，結(jié)果見(jiàn)表2，從而判斷各粒徑級(jí)泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

表1 三湖河口和頭道拐洪水期水動(dòng)力特征多年平均值

表2 不同流量級(jí)洪水下泥沙起動(dòng)與懸浮

從表2計(jì)算結(jié)果可以看出，在各種水流條件下，所有粒徑的泥沙均可起動(dòng)。d≤0.080 mm的泥沙一旦起動(dòng)就會(huì)懸??；d>0.500 mm的泥沙在小流量下(V-Vs)均為負(fù)值，表明此時(shí)該粒徑的泥沙不能懸移運(yùn)動(dòng)，大流量時(shí)可懸?。欢?.100～0.300 mm的泥沙可推可懸，運(yùn)動(dòng)形態(tài)還需借助懸浮指標(biāo)來(lái)判定。懸浮指標(biāo)定義為：

z=ω/(ku*)

(2)

式中：u*為摩阻流速(m/s)；k為卡門常數(shù)。懸浮指標(biāo)的大小決定了水流中泥沙在垂線分布上的均勻程度。z越小，泥沙在垂線上分布越均勻，表明泥沙懸浮高度越高。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)z<0.06時(shí)泥沙為沖瀉質(zhì)，可以全部懸浮至水面；0.103.00時(shí)，90%泥沙的懸浮高度不超過(guò)水深的10%，泥沙只能在臨河底處做推移運(yùn)動(dòng)，即為推移質(zhì)。

根據(jù)內(nèi)蒙河段水文站實(shí)測(cè)資料，計(jì)算了代表年不同粒徑的懸浮指標(biāo)，表3中展示了d=0.250 mm泥沙的懸浮指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。

由于懸浮指標(biāo)隨流量變化而隨機(jī)變化，無(wú)法直接判斷表中z與經(jīng)驗(yàn)判數(shù)的差異，因此需要進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，取顯著性水平α=0.05。檢驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表4)表明粒徑d≥0.300 mm的泥沙懸浮指標(biāo)與推懸臨界懸浮指標(biāo)無(wú)差異，d≤0.125 mm的泥沙差異顯著。這意味著d≥0.300 mm的泥沙在內(nèi)蒙河段基本做推移運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)Bagnold[10]的分析方法，采用三湖河口洪水期實(shí)測(cè)資料建立無(wú)量綱單寬輸沙率(Φ)與無(wú)量綱水流拖曳力(θ*)的關(guān)系(圖5)，可得出類似結(jié)論：洪水期粒徑d≥0.500 mm的泥沙做推移運(yùn)動(dòng)；0.100 mm≤d≤0.250 mm的泥沙是推懸交換的主體；而d≤0.075 mm的泥沙主要做懸移運(yùn)動(dòng)。

表3 巴彥高勒、三湖河口和頭道拐水文站汛期懸浮指標(biāo)(以d=0.250 mm為例，水溫19～22 ℃)

Tab.3 Suspension index of Bayangaole, Sanhuhekou and Toudaoguai gauging stations in flood season ( taked=0.250 mm for example and water temperature is between 19 and 22 ℃)

站名水情年份流量范圍/(m3·s-1)zz平均站名水情年份流量范圍/(m3·s-1)zz平均巴彥高勒豐水1981303～52902.941983181～36302.062.50三湖河口枯水1957179～15173.071956244～17262.973.02枯水198795～13503.121988106～16603.583.35頭道拐豐水1981157～51302.501983476～34601.872.59三湖河口豐水1955182～33482.171981141～54001.201983325～36802.121.831964413～45103.41枯水1957195～12804.71198726～4885.044.88

表4 懸浮指標(biāo)z≤3.00的檢驗(yàn)

圖5 Bagnold方法分析給出的三湖河口河段泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.5 Sediment movement rule in Sanhuhekou channel analyzed by Bagnold’s method

假設(shè)垂線上各水深處含沙量相等，則從表5實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也可看到粒徑為0.100～0.250 mm泥沙中78%懸浮高度小于0.53 m，隨著粒徑加大，這個(gè)比例會(huì)提高到90%以上。

以上分析結(jié)果表明，0.100～0.250 mm泥沙不易被水流挾帶懸浮，因此這些泥沙在河床質(zhì)中的比例大于55%，而在多年平均懸移質(zhì)級(jí)配中所占份量不高，與汪宏芳最新的研究結(jié)果[11]一致。應(yīng)用張洪武的公式[12]，也可得到三湖河口站粗沙粒徑為0.129 mm。寒旱所鉆孔探測(cè)成果[13]表明河心灘的泥沙組成絕大部分大于0.080 mm，也證明了水流不能將粒徑大于0.100 mm的泥沙大量揚(yáng)起沖刷帶走，而是推懸交換中被搬運(yùn)到河心灘。而粒徑小于0.080 mm的泥沙，無(wú)論從懸浮指標(biāo)還是實(shí)測(cè)結(jié)果看，基本都為懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)，屬于沖瀉質(zhì)。

表5 2012年9月大洪水過(guò)程中三湖河口斷面水流動(dòng)力區(qū)實(shí)測(cè)泥沙組成

3 粗泥沙輸移

3.1 粗泥沙懸浮高度

(3)

式中：Sv，Sva分別為水深y處和距河底以上相對(duì)水深為a/h=0.05處的體積比含沙量；h為水深，a為離開(kāi)河底的參考高度，一般取a/h=0.05。

表6 給定相對(duì)懸浮高度下各粒徑級(jí)的體積沙量比Sv/Sva

由計(jì)算結(jié)果(表6)可知，汛期多年平均條件下絕大多數(shù)(占比約為90%)粒徑為0.250 mm的泥沙懸浮高度不會(huì)超過(guò)相對(duì)水深0.1，即水深不足0.33 m范圍內(nèi)；大部分(占比約為53%)粒徑為0.100 mm的泥沙懸浮高度不超過(guò)距河底0.66 m的高度。而洪水期泥沙揚(yáng)起高度明顯增加，粒徑0.125 mm的泥沙64%以上揚(yáng)起高度超過(guò)相對(duì)水深0.2，即水深0.9 m。即使粒徑為0.250 mm、原本做推移運(yùn)動(dòng)的泥沙，也有16%超過(guò)該高度，約42%可以在相對(duì)水深0.1～0.2處(即0.45～0.90 m水深)內(nèi)懸移運(yùn)動(dòng)。以上結(jié)果說(shuō)明，0.100～0.250 mm的泥沙可在臨河底處(相對(duì)水深不超過(guò)0.2)運(yùn)動(dòng)，大洪水期更是如此。這部分泥沙是否會(huì)引起河床沖淤變化，主要取決于近底水流挾沙能力。

由實(shí)測(cè)資料和試驗(yàn)資料獲得的系數(shù)，式(1)呈現(xiàn)如下形式：

(4)

其中計(jì)算近底挾沙能力時(shí)取R=y0結(jié)果(見(jiàn)表7)表明，汛期和洪水期多年平均情況下，距河床0.1相對(duì)水深處，水流挾帶粒徑大于0.150 mm的泥沙量分別小于0.032和0.205 kg/m3。歷史上曾觀測(cè)的推移質(zhì)含沙量為0.01～0.03 kg/m3，結(jié)合兩者可得到這樣的認(rèn)識(shí)：①在大洪水條件下，粒徑為0.150 mm左右的泥沙可以懸浮使河床呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)，而中常洪水時(shí)則只能近底做推移運(yùn)動(dòng)；②由于近河底處的挾沙能力并不大，因此粒徑大于0.100 mm的泥沙很容易從懸浮狀態(tài)落回床面做推移運(yùn)動(dòng)。

表7 近河底挾沙力

3.2 粗泥沙沿程輸移

水流為維持泥沙處于推移狀態(tài)，必須要消耗一部分有效能量。將單位床面推移質(zhì)輸沙功率與水流功率中使泥沙發(fā)生推移運(yùn)動(dòng)的部分能量聯(lián)解[14]，得到推移質(zhì)單位床面輸沙強(qiáng)度和輸沙率計(jì)算式：

(5)

(6)

式中：γ為清水重度(N/m3)；Φ為推移質(zhì)強(qiáng)度(kg/sL)； tanα是摩擦系數(shù)；Fr為水流弗勞德數(shù)；θ和θc為水流強(qiáng)度參數(shù)；v為流速(m/s)；u*為摩阻流速(m/s)；τ0為水流作用于床面剪切力(N)；τc為起動(dòng)拖曳力(N)；D為推移質(zhì)中值粒徑(mm)；gb為單寬推移質(zhì)輸沙率(kg/s/m)；B為床面寬度(m)。

借助式(5)和(6)分別計(jì)算了1968年、1983年和2005年3月推移質(zhì)中值粒徑為0.200 mm的5日輸沙量分別為：巴彥高勒0.84，0.78，5.55 萬(wàn)t；三湖河口1.5，0.74，2.88 萬(wàn)t；頭道拐站2.7，1.25，3.29 萬(wàn)t?？梢?jiàn)，三湖河口的推移質(zhì)輸沙率最小，這也意味著來(lái)源于上游的推移質(zhì)不能全部通過(guò)三湖河口，將會(huì)在三湖河口上游河段發(fā)生淤積。寒旱所的鉆孔資料也表明，巴彥高勒粒徑大于0.100 mm的粗顆粒泥沙含量為73.4%，而到達(dá)頭道拐時(shí)減少為40%。2008年8月12—19日寒旱所采集了三湖河口—河口鎮(zhèn)河段部分地點(diǎn)的岸邊淤積物樣品進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)頭道拐附近河道岸邊淤積物組成主要是0.025～0.075 mm的泥沙，尤以0.050 mm的居多；而三湖河口及孔兌周圍河段粒徑大于0.100 mm的泥沙占80%以上。這些都證明了三湖河口的推移質(zhì)輸沙率小。

20世紀(jì)60年代，頭道拐站持續(xù)6年用頓式采樣器實(shí)測(cè)了推移質(zhì)輸沙率。根據(jù)此資料，推求出推移質(zhì)輸沙率與流量關(guān)系：

Gb=0.000 5Q1.455

(7)

式中：Gb為斷面推移質(zhì)輸沙率(kg/s)。從式(7)可以看出，推移質(zhì)輸沙量與流量的高次方成正比，流量的微量增加就可以使推移質(zhì)輸沙率增加較多。

4 結(jié) 語(yǔ)

黃河內(nèi)蒙河段懸移質(zhì)基本由小于0.080 mm的泥沙組成，而河床質(zhì)主要粒徑為0.100～0.500 mm，其中粒徑大于0.300 mm的泥沙基本做推移運(yùn)動(dòng)，在洪水流量大時(shí)可懸浮。粒徑為0.100～0.250 mm的泥沙易起動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍集中在水流底層，運(yùn)動(dòng)形態(tài)取決于水沙條件。流速大時(shí)這部分泥沙可以被揚(yáng)起懸浮，使河床呈現(xiàn)沖刷，但對(duì)流速變化敏感，很容易回落床面轉(zhuǎn)為推移運(yùn)動(dòng)，是活躍于沖淤過(guò)程的床沙質(zhì)主要成分，造成河道快速?zèng)_淤變形。推移質(zhì)輸沙率的分析表明，來(lái)自內(nèi)蒙古河段上游的粗顆粒泥沙不易被水流長(zhǎng)距離挾帶，大部分淤積在三湖河口上游。

另外，水文測(cè)驗(yàn)采用的一點(diǎn)法，即0.5相對(duì)水深處取沙樣進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，不易監(jiān)測(cè)到大洪水期在距河底0.2相對(duì)水深處懸移的相當(dāng)數(shù)量的粗泥沙(0.100 mm≤d<0.250 mm)，因而不易準(zhǔn)確表現(xiàn)河流的泥沙特性。

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Sediment fraction and its mechanic movement characteristics in Inner Mongolia reach of Yellow River

QIN Yi， LI Ziwen， LIU Qiang， LI Shi， CHEN Xingxing

(StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China)

The combination of water and sediment prompts the riverbed evolution. The movement forms, movement rules and the effects on riverbed having different sediment grain sizes are various. Thus, the studies of the riverbed evolution can not despise the sediment fraction and movement characteristics, particularly the studies of the Inner Mongolia reach of the Yellow River, of which water and sediment come from different areas. On the basis of the observed data from the hydrometric stations and by drilling samples, this paper shows the sediment fraction of the suspended material and bed load. Based upon these, the movement forms and rules of the main sediment fraction under certain hydrodynamic conditions are discussed, from the angles of starting velocities, suspended height and silt carrying capacity. The sediment transport rule of the bed load is found by an energy and power equation. The research results show that in the Inner Mongolia reach, the suspended material is mainly composed of the sediment whose grain size is less than 0.08 mm. And the primary partical size of the bed load is from 0.1 mm to 0.5 mm, especially the sediment with partical size between 0.1 mm and 0.25 mm is active during the erosion and deposition of riverbed. The analysis of the bed load transport rate indicates that the most of coarse particle silt, which comes from the upper reach of the Inner Mongolia reach, is too difficult to be carried downstream and will deposit on the riverbed of the upstream of Sanhuhekou.

sediment composition; sediment movement characteristics; Inner Mongolia reach; bed load

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.003

2016-08-09

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB403305)

秦 毅(1959—)， 女， 江蘇常州人， 教授， 博士， 主要從事水文水資源及河流泥沙研究。 E-mail: ccnnhysxm@126.com

TV142

A

1009-640X(2017)03-0016-09

秦毅， 李子文， 劉強(qiáng)， 等. 黃河內(nèi)蒙段泥沙組成與力學(xué)運(yùn)動(dòng)特征[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(3): 16-24. (QIN Yi, LI Ziwen, LIU Qiang, et al. Sediment fraction and its mechanic movement characteristics in Inner Mongolia reach of Yellow River[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(3): 16-24. (in Chinese))