河流泥沙理论现存问题
2023-09-03 09:03阅读：
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%。
表1
小浪底与利津站年最大含沙量(kg/m3)
|
年份
|
小浪底
|
利津
|
下降率(%)
|
年份
|
小浪底
|
利津
|
下降率(%)
|
2004
|
343
|
146
|
57.4
|
2014
|
69.4
|
19.6
|
71.8
|
2005
|
139
|
58.3
|
58.1
|
2015
|
0
|
10.4
|
#DIV/0!
|
2006
|
302
|
60.6
|
79.9
|
2016
|
0
|
4.4
|
#DIV/0!
|
2007
|
218
|
39.3
|
82.0
|
2017
|
2.7
|
3.14
|
-16.3
|
2008
|
148
|
56
|
62.2
|
2018
|
452
|
48.1
|
89.4
|
2009
|
12.1
|
15.9
|
-31.4
|
2019
|
259
|
26.3
|
89.8
|
2010
|
263
|
69.7
|
73.5
|
2020
|
280
|
24.1
|
91.4
|
2011
|
300
|
40.1
|
86.6
|
2021
|
377
|
37.9
|
89.9
|
2012
|
357
|
36.7
|
89.7
|
2022
|
357
|
39.2
|
89.0
|
2013
|
133
|
29.5
|
77.8
|
2023 |
