水流沿河床流动时,床面上的泥沙颗粒受到水流剪切力和上举力的作用。当水流作用力大于泥沙颗粒阻抗运动的力(主要是有效重量,对细颗粒泥沙还有颗粒间的黏结力)时,泥沙颗粒将从静止状态转入运动状态,称为泥沙起动。泥沙起动时的水流条件称为泥沙起动条件,以水流剪切力、垂线平均流速或水流功率来表示,分别称为起动剪切力、起动流速和起动水流功率,可根据理论公式或经验关系确定。
根据输送的泥沙颗粒大小,推移质可分为沙质推移质和卵砾石推移质。前者多出现在冲积河流中,后者多出现在山区河道中。
泥沙颗粒的运动方式与水流强弱、颗粒大小和形状及其在床面所处的相对位置有关,可分成3类:①接触质。泥沙颗粒沿床面滑动或滚动,在运动过程中经常与床面保持接触。②跃移质。泥沙颗粒短时间跃离床面,随水流前进一段距离后又落回床面。③层移质。水流强度较大时,床面泥沙颗粒成层移动。推移质运动过程中常形成起伏不平的波动,并在水流作用下向下游缓慢移动。推移质运动速度比河底附近水流速度小。接触质和跃移质在进入运动后有一个增速过程,因而增加水流的能量损失;层移质因颗粒间的碰撞,摩擦阻力大,也要有较大的能坡才能维持运动。因此,推移质运动直接消耗水流的能量。推移质与床面泥沙(简称床沙)之间经常产生交换,当交换处于平衡状态时,河床保持相对稳定,否则,河床将发生相应的冲淤变化。当存在悬移质时,推移质与悬移质之间也经常发生交换。
泥沙运动达到一定强度后,床面会出现波浪起伏的形态,并随水流缓慢移动,称为沙波。在不同水流条件和床沙组成情况下,沙波具有不同的形态和尺度。迎水坡长而平,背水坡短而陡,尺寸较小(波高0.5~2.0厘米,波长1~15厘米)且与水深无关的称为沙纹;形状与沙纹相似,但尺寸较大,且与水深有关的称为沙垄;两坡对称,犹如水面波浪的称为沙浪;沙浪运动方向与水流向相反的称为逆行沙浪(见图)。沙波形成条件、尺度和运动速度,可由理论或经验关系确定。
单位时间内通过河流任意断面的推移质质量称为推移质输沙率。推移质输沙率可由现场测量和室内试验给出,也可根据理论、半理论,或经验公式计算给出。在19世纪,法国P.迪布瓦[注]建立了基于床面剪应力的推移质输沙率公式。之后,许多科学家相继对推移质输沙率进行过研究,并提出了很多计算公式。这些公式基本上可以归纳为以下4类:①以大量试验资料为基础的经验公式,代表公式是梅耶-彼得(Meyer-Peter)公式。②以物理概念和力学分析为基础的半理论公式,代表公式有拜格诺(Bagnold)公式。③基于概率论并结合力学理论的公式,代表公式有爱因斯坦(Einstein)公式和韩其为公式。④从爱因斯坦和拜格诺的理论出发,采用量纲分析和实测资料率定建立的公式,代表公式有恩格隆(Engelund)公式、亚林(Yalin)公式和阿克斯-怀特(Ackers-White)公式等。
一般情况下,推移质比悬移质数量少。平原地区大、中河流中,推移质仅为悬移质的10%~15%。推移质运动与河流阻力及河床演变的关系甚为密切。推移质泥沙直接参与造床作用,因此对河道演变等产生影响。