含沙量在过水断面中沿竖向和横向的分布,受水流情况及泥沙颗粒组成等因素影响,常不均匀。天然河流中水体含沙量通常不等于水流挟沙能力,但具有向水流挟沙能力逼近的趋势。当含沙量小于水流挟沙能力时,通过冲刷河床中较细泥沙,使含沙量不断提高,逐渐接近水流挟沙能力;当含沙量大于水流挟沙能力时,水体中较粗泥沙淤积,使含沙量不断降低,直至逼近水流挟沙能力;当含沙量等于水流挟沙能力时,悬沙(悬移质)中粗沙落淤、河床中的细沙冲起,床沙(河床质)与悬沙不断交换,河床处于净冲淤量为零的动平衡状态中。
计算水流挟沙能力的公式很多,一般分为半理论公式和经验公式两大类。半理论公式的方法是基于一定的物理模式,导出水流挟沙能力公式的结构形式,再用处于平衡状态下的水力泥沙因子的实测资料确定公式中的待定系数。经验公式主要是利用影响水流挟沙能力的最重要因子或几个主要因子,直接点绘处于接近平衡时的实测含沙量与单因子及组合因子的关系,从而获得经验关系式。具有一定理论基础且应用价值较高的代表性水流挟沙能力公式有:①张瑞瑾公式。从挟沙水流的能量平衡原理出发,结合大量实测资料得到:
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式中S*为水流挟沙能力;U为断面平均流速;R为水力半径(宽浅河道可用平均水深代替);g为重力加速度;ω为平均沉速;K和m分别为水流挟沙能力系数和指数。②M.A.韦利卡诺夫[注]利用从重力理论观点、R.A.拜格诺[注]从水流功率理论观点等分别推导了结构形式与张瑞瑾公式类似的水流挟沙能力公式。当张瑞瑾公式中取m=1,K=0.345/C2、K=157.6/C2时(C为谢才系数),公式分别称为韦利卡诺夫公式、拜格诺公式。③高含沙公式。考虑到高含沙水流黏性以及泥沙颗粒表面的薄膜水对泥沙沉降速度的影响,韩其为建立了高、低浓度含沙水流统一的水流挟沙能力公式:
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式中S为上游来流含沙量;k=7.0;m=0.92;为颗粒表面薄膜水对泥沙沉速的影响,一般取0.5;对于河道k0一般取0.01~0.02,且含沙量越高的河流取值越大;对于水库k0一般取0.03,且入库水流含沙量很高的水库取值可达0.4。