河流泥沙10組分界粒徑述評(píng)

董耀華

（長江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

1 研究背景

錢寧等［1］對(duì)泥沙的定義是“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)后沉積下來的固體顆粒碎屑”，如果附加上水流作用、沖積河流（如長江中下游干流河道）和天然泥沙3個(gè)限制條件，即可定義出本文所指的河流泥沙。無論是泥沙顆粒的物理、化學(xué)性質(zhì)，還是其沉降、起動(dòng)特性，粒徑（即泥沙顆粒的大?。┦呛恿髂嗌匙钪匾暮饬繀?shù)和研究指標(biāo)。借助S.A.Schumm［2］提出的地貌臨界條件的定義——當(dāng)超過某一界限時(shí)，地貌現(xiàn)象將出現(xiàn)巨大的質(zhì)的變化，類似地也可定義泥沙的分界粒徑——泥沙的某種特性在分界粒徑上下表現(xiàn)出巨大的質(zhì)的變化。分界粒徑及分界閾值不僅適用于表征泥沙顆粒特性（如均勻沙），也適用于表征泥沙群體特性（如非均勻沙）。

對(duì)于河流泥沙分界粒徑及其分界閾值的存在例證與研究意義，本文總結(jié)概括為如下幾個(gè)方面：

（1）泥沙運(yùn)動(dòng)基本特性。泥沙沉速與粒徑關(guān)系由細(xì)沙的2次方“間斷”至粗沙的0.5次方關(guān)系；河流泥沙中粗沙以推移運(yùn)動(dòng)為主，運(yùn)動(dòng)能量主要由水流中“大漩渦”（能量?。┨峁?，細(xì)沙以懸移運(yùn)動(dòng)為主，運(yùn)動(dòng)能量主要由“小漩渦”（能量大）提供［3］；泥沙分選、揀選、聚凝、絮凝、分散、團(tuán)聚、觸變等現(xiàn)象或作用使得泥沙粒徑常呈現(xiàn)雙峰、階梯和間斷等不連續(xù)分布形態(tài)。

（2）河流泥沙運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。黃河中游游蕩型河道缺少黏粒，錢塘江河口河岸與河床主要由分選優(yōu)良的細(xì)粉沙組成；高含沙水流運(yùn)動(dòng)存在2種極端模式——以細(xì)粉沙及黏土等細(xì)顆粒為主的均質(zhì)漿液運(yùn)動(dòng)和以細(xì)沙以上粗顆粒為主的二相挾沙水流運(yùn)動(dòng)。

（3）工程泥沙及泥沙影響。水庫的尾部段、頂坡段和前坡段淤積，疏浚后航道回淤，河流彎道演變，以及沙波發(fā)展消長與床面流速存在相位差等均與挾沙水流中粗細(xì)沙含量密切相關(guān)；隨著水溫的下降，由細(xì)顆粒泥沙組成的河床阻力有可能減少，而由粗顆粒泥沙組成的河床阻力反見加大［1］。

（4）專業(yè)劃分與人文佐證。臺(tái)灣水利界專業(yè)分設(shè)“泥砂”（對(duì)應(yīng)于大陸地區(qū)河流泥沙專業(yè)）和“土砂”（對(duì)應(yīng)于大陸地區(qū)水土保持專業(yè)）強(qiáng)調(diào)了泥、土、沙之間的差異；唐代詩人杜甫詩句“泥融飛燕子，沙暖睡鴛鴦”體現(xiàn)了泥與沙的不同。

本文基于分界物理意義明確、分界閾值穩(wěn)定、僅限于河流泥沙等原則，綜合選取泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)和河床演變學(xué)中較為常見的10組分界粒徑，開展河流泥沙分界粒徑的初步研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：系統(tǒng)概述10組分界粒徑的分界理論及分界閾值，匯總給出10組分界粒徑的特性表和“譜系表”，初步分析10組分界粒徑的分界特性和分類方法，歸納提出有關(guān)河流泥沙分界粒徑的若干討論問題和深入研究課題。

2 10組分界粒徑概述

本文所選取的10組分界粒徑主要涉及泥沙分類、球體泥沙沉速、單礦質(zhì)泥沙、黏粒溶膠、泥沙絮凝、泥沙觸變、淤積初始干密度①本文中的干密度在傳統(tǒng)上稱為干容重。、沙波初始形態(tài)、推移質(zhì)懸移質(zhì)、床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)等沖積河流泥沙分界特性。下面主要從分界理論及分界閾值等方面，對(duì)這10組分界粒徑分別進(jìn)行概述。

2.1 泥沙分類分界粒徑

天然泥沙的粒徑分布分散且范圍極廣，因此泥沙的分類一般采用幾何尺度。例如：國際土壤學(xué)會(huì)提出的阿特堡（A.Atterberg）分類法和我國水利工程界分類標(biāo)準(zhǔn)采用比例10，而美國地球物理學(xué)會(huì)分類法和溫特沃思（C.K.Wentworth）分類法采用比例2。雖然各種分類方法有所差異，但是由此確定的漂石、卵石、礫石、沙粒、粉沙、黏粒等分類名稱非常類似，而且分界閾值也十分接近。

基于我國水利工程界分類標(biāo)準(zhǔn)，泥沙分類分界粒徑見圖1，本文選取的泥沙分類分界粒徑包括：沙粒的上界粒徑2 mm，沙粒與粉沙的分界粒徑0.05 mm，粉沙與黏粒的分界粒徑0.005 mm等。

圖1 中國水利工程界泥沙分類圖Fig.1 Sediment classification in the field of hydraulic engineering in China

2.2 球體泥沙沉速分界粒徑

球體沉速是河流泥沙的“理想”和參照沉速，斯托克斯定律（G.G.Stokes）［4］球體沉速公式為

式中：ω和D分別為球體的沉速和直徑（粒徑）；γ和γs分別為水和球體的密度；υ為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；g為重力加速度。該公式表明沉速與粒徑的平方成正比。斯托克斯定律在沙粒雷諾數(shù)＜0.4的條件下適用，在常溫下相應(yīng)的球體直徑為0.076 mm。

隨著沙粒雷諾數(shù)的加大，沉速與粒徑的關(guān)系愈

為此，本文選取球體泥沙沉速的分界粒徑為0.076 mm，亦即通過200號(hào)篩孔的圓球。

2.3 單礦質(zhì)泥沙分界粒徑

泥沙礦質(zhì)組成影響著泥沙的純度、密度、形狀和表面組織等基本性質(zhì)，L.William［5］在分析泥沙顆粒表面組織性質(zhì)時(shí)，總結(jié)認(rèn)為：＞2.0 mm的泥沙表面常有淺溝、擦痕、起脊和凹痕；＜2.0 mm的泥沙表面常有劃痕、凸線、霜蝕、侵蝕和凹窟。

北京地質(zhì)學(xué)院［6］曾對(duì)泥沙粒徑組與礦質(zhì)成分的關(guān)系進(jìn)行過研究，結(jié)論是：2.0 mm以上的顆粒常為多礦質(zhì)結(jié)構(gòu)；沙粒往往是單礦質(zhì)的，常由石英、長石、云母等主要造巖礦質(zhì)組成；粉粒往往由抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的礦質(zhì)如石英等組成；黏粒幾乎是由次生礦質(zhì)（包括次生二氧化硅、黏土礦物等）和腐殖質(zhì)組成。

本文選取單礦質(zhì)泥沙與多礦質(zhì)泥沙的分界粒徑為2.0 mm，這與沙粒的上界粒徑相吻合。

2.4 黏粒溶膠分界粒徑

一方面，巖石受風(fēng)化作用而減小體積以后，表面積迅速增加，所受到的化學(xué)作用也愈強(qiáng)烈，在粒徑減小到0.2～5.0μm以下時(shí)，礦粒直接同其接觸的液體相作用而形成膠體。溶膠以布朗運(yùn)動(dòng)為主，懸浮微粒永不停息地做無規(guī)則“簡(jiǎn)諧”運(yùn)動(dòng)。

另一方面，對(duì)于粒徑1μm以下的顆粒，泥沙顆粒表面常常吸附一薄層水膜（水膜厚度一般均在0.1μm左右），水膜不但和泥沙顆粒不可分離，而且對(duì)泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)和沉積也起了決定性的作用。這也使得河口海岸的“浮泥”運(yùn)動(dòng)與溶膠的布朗運(yùn)動(dòng)之間表現(xiàn)出本質(zhì)差異。

本文選取黏粒溶膠分界粒徑為0.001 mm（即1μm），這也可視為泥沙分類分界粒徑中的黏粒下界粒徑。

2.5 泥沙絮凝分界粒徑

絮凝現(xiàn)象的有無和強(qiáng)弱除受泥沙礦物組成以及水質(zhì)影響以外，粒徑也是一個(gè)重要因素；粒徑愈細(xì)，絮凝現(xiàn)象愈明顯。絮凝對(duì)泥沙沉速、河口和高含沙河段水沙運(yùn)動(dòng)以及管道輸沙等有非常重要的影響。

錢寧等［1－3］在總結(jié)黃河高含沙水流的物質(zhì)組成與運(yùn)動(dòng)特性時(shí)認(rèn)為：凡是能夠形成高含沙的水流，總來愈偏離斯托克斯定律，直到阻力系數(shù)與沙粒雷諾數(shù)無關(guān)（一般取臨界雷諾數(shù)Re＝103）；此時(shí)球體沉速與粒徑的平方根成正比，即有一定數(shù)量的＜0.01 mm的細(xì)顆粒作為骨架，使泥沙的沉速能夠有效減小，保證水流有一個(gè)較大的挾沙能力。而在分析管路泥沙運(yùn)動(dòng)形式及流區(qū)劃分時(shí)認(rèn)為：當(dāng)含沙量很高，特別是含有一定數(shù)量＜0.01 mm的細(xì)顆粒時(shí)，即使在靜止的條件下，固、液相也不會(huì)發(fā)生分選，實(shí)質(zhì)上屬于一相均質(zhì)漿液，可能是牛頓體，但更多的則是屬于非牛頓體。

C.Migniot［7］采用絮凝因素F反映絮凝作用的強(qiáng)弱，其定義為

式中ωF50和ωD50分別為絮團(tuán)和泥沙基本顆粒的沉速，均采用中值表示。

通過試驗(yàn)得出的絮凝因素F與基本顆粒粒徑的關(guān)系如圖2。C.Migniot分析認(rèn)為：絮凝形成絮團(tuán)，可使泥沙的沉速成千上萬倍地增大；粒徑＞0.03 mm的泥沙顆粒，其絮凝作用不明顯；當(dāng)粒徑介于0.01～0.03 mm之間時(shí)，絮凝作用有顯現(xiàn)，但十分微弱。因此取發(fā)生絮凝作用的上限粒徑為0.01 mm。綜合錢寧等人和C.Migniot的研究成果，本文選取泥沙絮凝的分界粒徑為0.01 mm。

圖2 絮凝因素與顆粒大小的關(guān)系Fig.2 Relationship between sediment flocculation and grain-size

2.6 泥沙觸變分界粒徑

絮凝的新沉積物具有高度蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，含水量很高，密度很低，類似于固體狀況。如果受到振動(dòng)、攪動(dòng)、超聲波、電流等外力作用的影響，往往會(huì)液化而變?yōu)閼腋∫夯蛉苣z，而當(dāng)這些外力作用停止后，它們又重新凝結(jié)，這種一觸即變的現(xiàn)象，稱為觸變。它是區(qū)別新淤和固結(jié)黏性土的重要指標(biāo)。

錢寧等［1］認(rèn)為：觸變性泥沙沉積物的顆粒大小、形狀、礦物成分都有一定的特點(diǎn)；泥沙顆粒形狀必須是片狀的或長條狀的，這樣才能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；同時(shí)泥沙沉積物中的水溶液也具有一定的化學(xué)成分，而且水的pH值、電解質(zhì)濃度等對(duì)于沉積物能否觸變的影響更大；觸變性泥沙沉積物的粒徑應(yīng)＜0.01 mm，其中＜0.001 mm部分必須有足夠的含量。

為此，本文選取0.01 mm為泥沙觸變的上界粒徑，該值與泥沙絮凝分界粒徑吻合；選取0.001 mm為泥沙觸變的下界粒徑，該值與黏粒溶膠分界粒徑（黏粒下界粒徑）一致。

2.7 淤積初始干密度分界粒徑

淤積初始干密度是指泥沙開始沉積、尚未受壓密實(shí)的密度，是研究水庫淤積泥沙密實(shí)過程與干密度變化［8］以及采用輸沙量法估算河道沖淤量［9］等的關(guān)鍵因子之一。

（1）對(duì)于細(xì)粉沙以下的細(xì)顆粒泥沙而言，初始干密度與薄膜水厚度和顆粒大小的比值有關(guān)，比值越大，初始干密度越小。當(dāng)粒徑＞0.05 mm以后，薄膜水所占的空間和泥沙粒徑相比已可忽略不計(jì)，初始干密度逐漸接近一定常值（約等于1.40 t／m3）。

（2）對(duì)于＞1.0 mm的粗顆粒來說，顆粒棱角的磨圓度就開始對(duì)初始干密度產(chǎn)生影響，顆粒的渾圓度越高，沉積時(shí)出現(xiàn)交錯(cuò)排列的可能性越大，沉積物的干密度也越大；泥沙粒徑＞1.0 mm以后，初始干密度因粒徑的增大而緩慢上升，逐漸接近另一定常值1.90 t／m3（圖3）。

圖3 沉積物初始干密度與粒徑的關(guān)系Fig.3 Relationship between initial dry density of sedimentation and sediment grain-size

韓其為等［8］綜合上述2種情況的初始干密度計(jì)算公式為

式中：γ′50為干密度（t／m3）；δ為薄膜水厚度（mm）；D為粒徑（mm）；D1為臨界粒徑，D1＝1.0 mm。

本文選取淤積初始干密度的2個(gè)分界粒徑為0.05 mm（第1分界粒徑）和1.0 mm（第2分界粒徑）。

2.8 沙波初始形態(tài)分界粒徑

依據(jù)筆者編譯論文“工程泥沙學(xué)概論”［10］，河流床面形態(tài)是水流與泥沙顆粒之間相互作用的結(jié)果，常見床面形態(tài)包括沙紋、沙紋沙壟、沙壟、平整河床、反沙壟以及急灘深槽。當(dāng)床沙中值粒徑 D50＜0.6 mm，隨著河流水流功率的增加，河流床面形態(tài)按上述排序出現(xiàn)；而當(dāng)床沙中值粒徑D50＞0.6 mm且河流水流功率較小但泥沙已經(jīng)起動(dòng)時(shí)，床面可直接出現(xiàn)沙壟而跳過沙紋形態(tài)。

錢寧等［1］總結(jié)認(rèn)為：對(duì)于一般明渠水流來說，超過某一粒徑的泥沙顆粒就不會(huì)形成沙紋，這一臨界粒徑為0.6～0.7 mm，也有的擴(kuò)大到0.5～0.9 mm。F.Engelund等［11］研究認(rèn)為：只有當(dāng)床面處于光滑區(qū)時(shí)（沙粒雷諾數(shù) U*D／ν＝11.6，U*為摩阻流速），才會(huì)出現(xiàn)沙紋；之后沙紋不再出現(xiàn)，由平整的床面直接過渡到沙壟。H.M.Hill等［12］采用沙粒雷諾數(shù)和gD3／ν2作為水流參數(shù)來區(qū)別床面形態(tài)（圖4），圖中的沙紋形成線和根據(jù)希爾茲的關(guān)系所得到的泥沙起動(dòng)線交在 gD3／ν2＝3 900，相應(yīng)的臨界粒徑為0.7 mm；超過這個(gè)臨界值時(shí)，平整的床面在起動(dòng)以后將直接過渡到沙壟，而不會(huì)形成沙紋。本文綜合選取沙波初始形態(tài)的分界粒徑為0.6 mm。

圖4 床面形態(tài)的判別準(zhǔn)則Fig.4 Criterion of bed-forms

2.9 推移質(zhì)懸移質(zhì)分界粒徑

在一般天然河道所常見的水流條件下，往往大于某一粒徑的泥沙主要以推移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)，小于該粒徑的泥沙則在懸移質(zhì)中較為多見。推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間雖然存在交換，同一顆泥沙在一個(gè)時(shí)段可以以推移的形式運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)時(shí)段又可以以懸移的形式運(yùn)動(dòng)；但是推移質(zhì)與懸移質(zhì)存在運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同、能量來源不同和對(duì)河床作用不同3個(gè)方面的物理本質(zhì)差別，例如運(yùn)動(dòng)相位差方面：推移質(zhì)提前、懸移質(zhì)滯后。

錢寧等［1］總結(jié)認(rèn)為：只要我們掌握了泥沙的起動(dòng)和沉降規(guī)律以及水流的紊動(dòng)性質(zhì)，便可大致判斷什么樣的泥沙在什么樣的水流條件下將以什么樣的形式運(yùn)動(dòng)，由此總結(jié)出了泥沙運(yùn)動(dòng)性質(zhì)分區(qū)圖（圖5）；其中一個(gè)重要假設(shè)是“極大部分流區(qū)內(nèi)摩阻流速是和垂向脈動(dòng)分速的均方根相當(dāng)?shù)摹薄１疚倪x取推移質(zhì)懸移質(zhì)的分界粒徑為0.2 mm（對(duì)應(yīng)于圖5中的O點(diǎn)）。

圖5 泥沙運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的分區(qū)Fig.5 Zoning of sediment transport

2.10 床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑

錢寧等［1］總結(jié)的區(qū)別床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的意義包括：在計(jì)算床沙質(zhì)及沖瀉質(zhì)的輸沙量時(shí)，需要采用不同的方法；在研究樞紐建成后下游來沙量的變化時(shí)，可以有更明確的線索；在分析河床演變過程時(shí)，處理對(duì)象可以有所側(cè)重等。目前，劃分床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)分界粒徑的方法可歸納為如下2類。

（1）固定值劃分方法。E.Partheniades［13］研究認(rèn)為，床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的運(yùn)動(dòng)從力學(xué)的觀點(diǎn)來看應(yīng)該遵循同樣的規(guī)律，可以將沖瀉質(zhì)限于＜0.06 mm的泥沙；對(duì)于這部分泥沙，床面顆粒之間的黏結(jié)力是一個(gè)重要的因素，運(yùn)動(dòng)中泥沙沉降至床面與床面靜止泥沙開始起動(dòng)的水力條件差別很大。筆者［10］以長江中游下荊江新廠至監(jiān)利河段為例，進(jìn)行過輸沙量法與地形法估算河道沖淤量的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)：選取床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑0.062 5 mm，在河道沖淤基本平衡和造床條件下，2種方法估算的河道沖淤量最為接近。

（2）變動(dòng)值劃分方法。合理的劃分方法是先找出各種不同粒徑的泥沙在造床流量下的輸沙量和有效床沙量的比值，當(dāng)這個(gè)比值超出某一極限值時(shí)屬于沖瀉質(zhì)，小于這一極限值時(shí)屬于床沙質(zhì)（圖6）。簡(jiǎn)化的方法是把床沙組成中最細(xì)的5%或10%看成是沖瀉質(zhì)，其余的看成是床沙質(zhì)。本文綜合選取床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)的分界粒徑為0.06 mm。

圖6 床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的劃分Fig.6 Division of bed-material-load and wash-load

3 10組分界粒徑初評(píng)

首先，按照“分界粒徑”、“分界閾值”、“屬性類別”和“確定性類別”等，對(duì)上述沖積河流泥沙10組分界粒徑的特性進(jìn)行了匯總（表1）；然后，依照“分界閾值”自大到小的排列順序，給出了10組分界粒徑的“譜系表”（表2）；最后，對(duì)10組分界粒徑的分界特性和分類方法進(jìn)行了初步分析與研究。

表1 河流泥沙10組分界粒徑特性統(tǒng)計(jì)Table1 Features of 10 groups of demarcating grain sizes of river sediment

表2 河流泥沙10組分界粒徑“譜系表”Table2 Pedigrees of 10 groups of demarcating grain sizes of river sediment

3.1 分界特性分析

10組分界粒徑分界閾值的上界為2.0 mm（單礦質(zhì)泥沙分界粒徑、沙粒上界粒徑）、下界為0.001 mm（黏粒溶膠分界粒徑／黏粒下界粒徑、泥沙觸變下界粒徑），覆蓋了溶膠質(zhì)、沖瀉質(zhì)、床沙質(zhì)、沙質(zhì)推移質(zhì)和沙質(zhì)床沙等沖積河流河床演變中的主要造床泥沙，10組分界粒徑的本質(zhì)“核心”是粗沙與細(xì)沙的劃分。

選取的10組分界粒徑具有較為廣泛的代表性，但是泥沙分界粒徑遠(yuǎn)不止10組，例如S.A.Schumm［2］分界粒徑指標(biāo)M—在考慮河岸抗沖性時(shí)，以0.076 mm作為劃分粗、細(xì)顆粒的臨界粒徑，但因分界物理意義不明確而未選入；又如泥沙起動(dòng)分界粒徑—不同水流和河床條件下，泥沙起動(dòng)與靜止之間理論上存在分界粒徑，但因分界閾值不穩(wěn)定且變化復(fù)雜而未選入；再如風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)分界粒徑［14］—風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中存在著最容易以躍移形式運(yùn)動(dòng)的泥沙粒徑組（0.10～0.15 mm），但因不屬于河流泥沙而未選入等。

3.2 分類方法研究

針對(duì)所選10組分界粒徑，本文提出了基于屬性和確定性的2種分界粒徑分類方法。

屬性分類方法基于分界粒徑與泥沙特性、水流特性和河床演變之間的相關(guān)關(guān)系，將10組分界粒徑劃分為3類：主要基于泥沙特性的第Ⅰ類分界粒徑，包括泥沙分類、球體泥沙沉速、單礦質(zhì)泥沙3組；依賴于泥沙與水流兩者特性的第Ⅱ類分界粒徑，包括黏粒溶膠、泥沙觸變、泥沙絮凝、淤積初始干密度4組；有賴于泥沙、水流和河床演變3者特性的第Ⅲ類分界粒徑，包括沙波初始形態(tài)、推移質(zhì)懸移質(zhì)、床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)3組（表1）。本文10組分界粒徑概述的排列順序基于屬性分類法。

確定性分類方法基于分界物理意義明確性和分界閾值確定性2個(gè)定性指標(biāo)，將10組分界粒徑也劃分為3類：分界意義明確和分界閾值確定的A類，包括泥沙分類、球體泥沙沉速2組；分界意義明確性較差或者分界閾值確定性較弱的C類，包括泥沙觸變、淤積初始干密度、推移質(zhì)懸移質(zhì)、床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)4組；介于A類與C類之間的B類，包括單礦質(zhì)泥沙、黏粒溶膠、泥沙絮凝、沙波初始形態(tài)4組（表1）。10組分界粒徑的確定性分類結(jié)果與其屬性分類結(jié)果雖然相關(guān)但并不完全對(duì)應(yīng)。

4 分界粒徑研究討論

4.1 粗沙與細(xì)沙分界粒徑

泥沙分界粒徑反映的是河流泥沙的“微觀”特性，最終會(huì)影響到河床演變的“宏觀”特性；例如：黃河下游高含沙水流“賓漢體”特性以及游蕩型河床演變中“槳河”、“揭河底”、多來多輸?shù)忍匦跃c粗細(xì)沙含量及分界粒徑密切相關(guān)。因此，泥沙分界粒徑是泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)與河床演變學(xué)之間的重要紐帶。

河流泥沙粗細(xì)沙分界粒徑的選取雖然比較困難、復(fù)雜，但是分界指標(biāo)（粒徑）單一。河道水流特性的分界指標(biāo)雖多樣但分界閾值簡(jiǎn)單、明確，例如：靜水與動(dòng)水分界的流速指標(biāo)，層流與紊流分界的雷諾數(shù)指標(biāo)，緩流與急流分界的弗勞德數(shù)指標(biāo)等。這也體現(xiàn)了河流水流與泥沙運(yùn)動(dòng)的差異性。

4.2 分界粒徑與臨界流速

有關(guān)泥沙運(yùn)動(dòng)（包括沉降、起動(dòng)、止動(dòng)、揚(yáng)動(dòng)等）的臨界閾值既可以采用一定粒徑的臨界流速（如：起動(dòng)流速）進(jìn)行描述，也可以采用一定流速的分界粒徑進(jìn)行表述，2種方法在理論上應(yīng)該是等效的，這可類比于流體運(yùn)動(dòng)描述方法的質(zhì)點(diǎn)法（“拉格朗日法”）與流場(chǎng)法（“歐拉法”）。

然而，目前泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)和河床演變學(xué)中臨界流速研究方法及成果要遠(yuǎn)多于分界粒徑。筆者初步分析認(rèn)為：分界粒徑與起動(dòng)拖曳力在表達(dá)泥沙起動(dòng)機(jī)理上更直接，且兩者屬于同一量級(jí)；粗沙和均勻沙運(yùn)動(dòng)采用臨界流速較方便，而細(xì)沙和非均勻沙運(yùn)動(dòng)采用分界粒徑也許更加實(shí)用。

4.3 泥沙沉速與起動(dòng)流速

由于泥沙沉速物理意義明確、測(cè)試容易，因此很多研究者試圖建立泥沙沉速與泥沙起動(dòng)流速之間的聯(lián)系，例如 YANG Chilh-ted（楊志達(dá)）［15］研究認(rèn)為：粗顆粒泥沙起動(dòng)流速Uc約為泥沙沉速的2倍，即

鑒于泥沙起動(dòng)流速關(guān)鍵參數(shù)“床面沙粒的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系和泥沙在自由沉降時(shí)的相應(yīng)關(guān)系有一定的相似性”［1］，這種類比在物理機(jī)理上和工程應(yīng)用上有可取之處。但是泥沙沉速主要取決于泥沙特性，基于第Ⅰ類分界粒徑；泥沙起動(dòng)依賴于泥沙與水流特性，基于第Ⅱ類分界粒徑，故兩者存在本質(zhì)上差異。

5 結(jié) 論

（1）從分界理論及分界閾值等方面，對(duì)泥沙分類、球體泥沙沉速、單礦質(zhì)泥沙、黏粒溶膠、泥沙絮凝、泥沙觸變、淤積初始干密度、沙波初始形態(tài)、推移質(zhì)懸移質(zhì)、床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)等沖積河流泥沙10組分界粒徑進(jìn)行了概述；按照“分界粒徑”、“分界閾值”、“屬性類別”和“確定性類別”等，對(duì)10組分界粒徑特性進(jìn)行了匯總；依照“分界閾值”自大到小的排列順序，給出了10組分界粒徑的“譜系表”；初步分析與研究了10組分界粒徑的分界特性和分類方法。

（2）10組分界粒徑分界閾值的上界為2.0 mm（單礦質(zhì)泥沙分界粒徑、沙粒上界粒徑）、下界為0.001 mm（黏粒溶膠分界粒徑／黏粒下界粒徑、泥沙觸變下界粒徑），覆蓋了溶膠質(zhì)、沖瀉質(zhì)、床沙質(zhì)、沙質(zhì)推移質(zhì)和沙質(zhì)床沙等主要造床泥沙，10組分界粒徑的本質(zhì)核心是粗沙與細(xì)沙的劃分。

（3）基于分界粒徑與泥沙特性、水流特性和河床演變之間關(guān)系，屬性分類方法將10組分界粒徑劃分為3類：主要基于泥沙特性的第Ⅰ類；依賴于泥沙與水流兩者特性的第Ⅱ類；有賴于泥沙、水流和河床演變3者特性的第Ⅲ類?；诜纸缥锢硪饬x明確性和分界閾值確定性2個(gè)定性指標(biāo)，確定性分類方法將10組分界粒徑也劃分為3類：分界意義明確和分界閾值確定的A類；分界意義明確性較差或者分界閾值確定性較弱的C類；介于A類與C類之間的B類。本文10組分界粒徑概述的排列順序基于屬性分類法，2種分類結(jié)果雖然相關(guān)但并不完全對(duì)應(yīng)。

（4）初步提出了粗沙與細(xì)沙分界粒徑、分界粒徑與臨界流速、泥沙沉速與起動(dòng)流速等有關(guān)沖積河流泥沙分界粒徑的若干討論問題；歸納提出了值得今后深入研究的課題有：10組分界粒徑的“精細(xì)”研究，河流粗細(xì)沙劃分與河床演變之間的響應(yīng)研究，長江中下游河道泥沙分界粒徑研究，輕質(zhì)模型沙與河流天然沙分界粒徑的相似性研究等。

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