**章绪论
“迎之不见其首，随之不见其后。”语出《老子.第十四章》
泥沙运动涉及问题的时空尺度差异巨大，既可能是几何量级小至10-6m泥沙颗粒的运动，也可能是几何量级大至106m的河流演变过程。同时，泥沙运动的载体——水流的紊流力学研究仍然存在大量尚未很好解决的难题，当水流中携带泥沙颗粒时，由于固液两相之间存在的相互作用更为复杂，使得水沙两相流动成为自然界*为复杂的物理过程之一。总体上看，泥沙运动的理论研究仍然不够完善。张瑞瑾教授曾感叹道，“与其称泥沙研究为科学，不如称其为艺术更贴切”，表达了他对泥沙运动的复杂性及其研究方法局限性的深刻认识。本章简要回顾了泥沙运动力学这门学科的理论体系特点，对学科存在的问题作了扼要评述，对学科发展前沿作了展望，可看作是对本书所述研究动机的一个详细介绍。
1.1泥沙运动理论研究的范畴
首先简要介绍在泥沙运动力学这一学科中关于“泥沙”的定义。根据经典著作《泥沙运动力学》钱宁和万兆惠，1983，泥沙定义为“在流体中运动或受水流、风力、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒的碎屑。”泥沙的主要来源是岩石的风化作用，其形成机制主要分为机械分离作用和化学分解作用两个过程。在泥沙运动力学这个专业语境下所讨论的泥沙，其颗粒粒径大小涵盖小至微米的黏土颗粒，大至数米的漂石。由于本书仅仅关注泥沙进入河流、湖泊、海洋等水体后其运动的数学和力学描述，因此对于泥沙的来源、形成原因、泥沙物质组成的物理和化学性质不作详细讨论，对此有兴趣者可参见相关专著。
从定义看，泥沙颗粒就其运动状态而言，无非是运动输移和静止沉积两种状态。但由于水流流态的复杂性和水沙运动边界的多样性，泥沙颗粒的运动可以更为细致地划分为静止、起动、推移、悬浮四个典型状态。当然，由于水流流动的非恒定性及其边界的可动性，泥沙运动存在不同运动状态间的转换。大量的实验观察和理论研究表明，泥沙的运动具有如下特征：
1 多尺度性。这里包含两个方面的含义。首先，自然界中泥沙颗粒粒径分布范围非常宽的特征决定了泥沙运动的多尺度特征；其次，从颗粒的运动、河床上的沙波运动，河道的平面变化乃至整个河流的冲淤演变，完全是通过一个个泥沙颗粒的运动实现的，在物理机制上决定了泥沙输移在时间和空间上的多尺度特 性。
2 多态性。泥沙的运动表现为静止、起动、推移包括滚动、滑动、跳跃或层移、悬浮等运动形式，而不同运动形式的外力驱动机理、输移规律等根本不同。另外，不同的运动状态并非一成不变，而是随着驱动泥沙运动的外在因素的变化而相互转换。
3 随机性。由于驱动泥沙运动的动力及其输移过程所依赖的边界特征在时间、空间上的随机性，导致泥沙运动过程的强烈随机特性。这一点早为泥沙研究者所注意到，而且泥沙研究所遇到的巨大障碍也与泥沙运动的随机性有密切关系。
泥沙运动的多尺度性、多态性、随机性这三大主要特征是泥沙在输移过程中表现出来的根本特性，也正是由于这三种性质的耦合，导致泥沙输移成为自然界中*为复杂的物理过程之一。
泥沙研究的内容也正是围绕着泥沙运动中表现出来的各种状态及现象背后的力学机理、输移规律展开的。就传统的泥沙运动力学而言，通常包含如下六个核心内容：
1 泥沙的物理属性。主要关注泥沙的物质组成、来源、颗粒形态、粒径分布等。其中与泥沙输移动力学过程密切相关的是颗粒形态和粒径分布特征。前者影响了颗粒与水流作用时表现出来的时间弛豫特性或沉降特性，后者是导致天然河流泥沙输移过程中泥沙分选的物质基础，如库区泥沙淤积导致的河床细化、水利水电枢纽下游的河床冲刷粗化、河床保护层的形成与破坏等。
2 泥沙的沉降特性。主要关注泥沙在流体在河流动力学中通常指水，而在风沙流中通常指空气中在重力作用下的沉降速度，往往涉及颗粒形状、颗粒间相互影响、边壁影响等因素。近年来随着研究的细化，不少研究开始关注泥沙颗粒表面形成的生物膜等非物理因素造成的影响。泥沙沉降特性研究中的难点在于绕流边界层的阻力规律的复杂性，特别是颗粒Reynolds数较大、流动非层流，或绕流为层流至湍流过渡过程的阻力问题一直是泥沙研究的难题之一。
3 泥沙的起动。静止于河床表面或陆地表面的泥沙颗粒在水流和风力等外力作用下，由静止转换为运动状态的过程称为泥沙的起动①。其中至为重要的是颗粒处于将动未动的临界状态时的流体流动特征参数，如临界起动流速、临界Shields数等，是泥沙研究中的核心问题之一。其中*著名的是由Shields通过系列实验得到的Shields曲线Shields， 1936。
4 推移质泥沙的运动。粒径相对较大的泥沙颗粒，在流体达到其起动所要求的临界条件后，可能在床面附近区域以滚动、滑动、跳跃等方式运动，通常称为推移运动，而以这种方式运动的泥沙颗粒称为推移质Einstein， 1950。推移质泥沙运动研究的难点是如下两个原因造成的。首先，推移质也往往称为接触质，即在输移过程中会经历较长时间与床面接触的运动泥沙，而河床附近是明渠湍流紊动策源地，强烈的水流紊动和存在的拟序结构会对在河床附近运动的泥沙产生重要的影响，但目前对拟序结构与泥沙输移的相互作用机制的认识还不够深刻。其次，尽管推移质颗粒在床面附近受到强烈的湍流作用，但毕竟其粒径相对较大，其运动轨迹又具有一定的有序性，而这种有序性与湍流紊动带来的随机性的耦合机制和效应仍然是一个在探索中的难题。
5 悬移质泥沙的运动。对于那些颗粒相对较小，在流体作用下能够在水体范围内随水流悬浮运动的泥沙称为悬移质。传统上认为泥沙的悬浮是流体的紊动扩散与重力共同作用的结果Rouse， 1937; Ni and Wang， 1991。对于大多数冲积河流而言，所输移泥沙中悬移质往往占主导地位，因而也是造成河床冲淤及河流演变的主要物质基础和动力来源，因此在泥沙研究历史上占有重要的地位。悬移质泥沙输移的研究在诸多方面尚存在不少疑点Chen et al.， 2013，仍是目前泥沙研究的核心和热点之一，研究的关注点主要包括悬移质泥沙的悬浮机理问题、水流的挟沙力问题、非均匀悬移质泥沙的不平衡输沙问题、推移质-悬移质交换问题 等。
6 挟沙水流的速度分布。挟沙水流是典型的边界层流动，质量、动量、能量的分布与传递受到边界的强烈影响，而其中流速的分布是研究边界层流动的核心问题Cao et al.， 1995。与一般流体与固定边界构成的边界层流动不同的是，首先，挟沙水流边界层是在泥沙构成的可动河床边界上形成的，流体与边界间存在质量、动量及能量的交换；其次，构成挟沙水流的水和固体泥沙颗粒在自然状态下都是不可压缩的，但它们构成的浑水，由于泥沙浓度随上游来流含沙量及河床冲淤的变化而变化，其密度是变化的，从而在数学上表现为一种特殊的可压缩流体，导致了挟沙水流边界层流动的特殊性。
此外，泥沙运动力学还包括泥沙对紊流的调制作用turbulence modulation， Best et al.， 1997; Cao et al.， 2003、动床阻力、高含沙水流与泥石流、流域泥沙侵蚀及输移等诸多方面，但就泥沙运动力学的核心问题而言，主要研究范畴还是限于以上六个基本层面，其他问题可以看作是由它们派生而来。
1.2泥沙运动理论研究的特点
20世纪50年代，武汉水利电力学院创建了河流力学及治河工程专业，撰写了专业教材《河流动力学》张瑞瑾等，1961，形成了完整和系统的人才培养体系，与其他院校共同为我国培养了一批又一批的泥沙研究人才。20世纪八九十年代，钱宁和万兆惠的《泥沙运动力学》中文版和英文版专著的出版，以及国内外学者一系列泥沙研究专著和教材的问世，标志着泥沙运动力学研究形成了较为完整的学科体系，为江河治理提供了较好的理论基础。代表性的著作还包括《泥沙运动学引论》沙玉清，1965、Sediment Transport in Alluvial Streams Bogárdi， 1974、Mechanics of Sediment Transportation and Alluvial Stream Problems Garde and Ranga Raju， 1977、《泥沙运动统计理论》韩其为和何明民，1984、Hydraulics of Sediment Transport Graf， 1984、Fluvial Processes in River Engineering Chang， 1988、River Mechanics Yalin， 1992、Sediment Transport Technology: Water and Sediment Dynamics Simons and Senturk， 1992、Principles of Sediment Transport in Rivers， Estuaries and Coastal Seas van Rijn， 1993、《浆体与粒状物料输送水力学》费祥俊，1994、《黄河高含沙洪水模型的相似律》张红武等，1994、《明渠挟沙水流运动的力学和统计规律》胡春宏和惠遇甲，1995、Erosion and Sedimentation Julien， 1995、Sediment Transport: Theory and Practice Yang， 1996、Loose Boundary Hydraulics Raudkivi， 1998、《河流动力学概论》邵学军和王兴奎，2005、《风沙两相流理论及其应用》倪晋仁和李振山，2006、《流域泥沙动力学模型》王光谦和李铁键，2009、《环境泥沙的表面特性与模型》方红卫等，2009、《河流水沙生态综合管理》王兆印等，2014、《黏性泥沙淤积固结特性》谈广鸣等，2014等。另外，泥沙研究一直受到测量理论与技术落后的困扰，对关键过程的观测一直处于精度不高的状态。基于粒子图像识别理论与技术的挟沙水流观测设备的开发和应用，不仅为室内实验观测提供了良好支持，而且发现了许多泥沙输移中表现出来的细致结构与特征，为进一步理解和认识泥沙输移的本质奠定了基础，《粒子示踪测速技术原理与应用》是这方面研究的代表性工作李丹勋等，2012。
泥沙运动力学的基础研究具有如下特点：
首先，泥沙研究是从地貌学，特别是河流地貌学中分离出来的一个专门学科，其历史发展过程大致经历了地貌学中的沉积学、河流地貌学中的沉积与造床学这两个早期过程，此后逐渐演变至水力学中的一个分支，即冲积水力学fluvial hydraulics，*后随着国内外一系列经典专著、教材的发表而完全从水力学中分离出来，形成了相对完整的学科体系。由于其形成专门学科的时间尚不足百年，泥沙研究无论是在理论上还是研究方法上都或多或少地带有地貌及河流地貌学的烙印，比如大量依赖定性描述、类比分析和回归分析等地貌学中常用的方法，同时也大量借鉴了水力学、流体力学中的理论和方法。在此发展过程中极具代表性的工作有谢鉴衡，1981；钱宁和万兆惠，1983：Shields临界起动条件、Meyer-Peter和Müller推移质输沙率公式Meyer-Peter and Müller， 1948、Rouse悬移质浓度垂线分布公式Rouse， 1937、Einstein推移质输沙公式Einstein， 1950、Engelund-White-王士强动床阻力公式Wang and White， 1993等。伴随着这些奠基性的理论工作，此后大量的研究逐渐开始将力学分析引入泥沙研究，从而开始了泥沙研究理论化的进程。
其次，必须注意到，由于泥沙运动力学是从关心宏观大尺度变化的地貌学、河流地貌学发展而来的，因此，泥沙研究在理论基础、研究方法、研究途径、关注问题的核心，乃至研究者所持的态度等，无不带有这些学科的鲜明特色
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