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水 利 学 报

２０２３年 ５月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ５期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０５ － ０５６３ － １３

水流挟沙力公式的理论剖析与检验

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侯 琳 ，张红武 ，赵君驰 ，李琳琪 １
（１．清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 １０００８４；２．中科院建筑设计研究院有限公司，北京 １０００８６）

摘要：为提升河流动力学学科水平，给学术研究及工程应用选取水流挟沙力公式提供依据，本文系统回顾典型水
流挟沙力公式的研究进展，针对各公式依据的原理、推导过程、技术细节、影响因子等环节进行阐释分析，指出
其亮点与不足，修正了水流挟沙力的定义。结合大量实测资料检验和公式适用性的评价，发现尽管资料率定能提
高公式精度，但对于理论有缺陷的公式却不能体现河床和水流的自动调整作用。进一步分析认为，张红武挟沙力
公式合理地将挟沙效率系数与水流阻力系数作为综合系数处理，能避免不少公式存在的水流挟沙力同水流阻力呈
ｍ
正比的理论错误，并通过挟沙系数为 ｃ（ａ ＋ ｂＳ） 的形式，体现了不同大小含沙量对挟沙效率的影响，能够保证公
ｖ
式具有普遍的适用性和高精度。
关键词：水流挟沙力；公式检验；理论剖析；含沙量；黄河；水流阻力
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ８５ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０６７７

１ 水流挟沙力公式研究回顾

水流挟沙力是反映河床处于冲淤平衡状态下水流挟带泥沙能力的综合性指标 ［１ － ２］ 。作为河流动力
学中最重要的理论问题之一，无论是做水工建筑物的规划设计，还是研究河道的冲淤演变、建立数学
模型、确定物理模型的相似比尺和解决渠道与管道的水力输送问题，抑或是确定未来黄河输沙需水量
等领域，都离不开对 水流 挟沙 力 的 正 确 认 识 与 应 用，可 以 说，水 流 挟 沙 力 是 研 究 河 床 演 变 规 律 的
钥匙。
国内外学者在推导水流挟沙力公式时，主要采用基于能耗型、输沙率型、临界流速型与经验型的
方法。随着认识的不断深入，公式研究的含沙量范围逐渐从低含沙量条件转变到高含沙量条件。我国
泥沙学科的主要奠基人张瑞瑾 ［３］ 带领武汉水利电力学院团队，分析大量天然河流、渠道及室内水槽的
实测资料，得到著名的水流挟沙力公式：
( )
Ｓ ＝ ｋ Ｖ ３ ｍ （１）

ｇＲ ω ０
为非均匀泥沙在清水时的平均沉速，ｍ?ｓ；Ｒ为水力半径，ｍ，对于天然河流，一般可以平均
式中：ω ０
水深 ｈ替代。大量资料表明，取系数 ｋ及指数 ｍ为常数时，上式不符合不同河流的实际，特别是含沙
３
量 Ｓ＞５０ｋｇ?ｍ 后，关系点据更为分散。有人便对上式进行修正，或在 ｋ，ｍ的取值上做文章，提出一
３
些经验公式。后来原作者发现，系数 ｋ及指数 ｍ也和含沙量 Ｓ相关，同时又均是 Ｖ?ｇＲ ω ０ 的函数，可
根据资料反绘出经验曲线。但这样式（ １）等号两侧都有 Ｓ，又容易产生公式存在自相关的误解。张罗
３
号 ［４］ 认为天然河流情况下即使是一个河段，Ｖ?ｇＲ ω ０ 也有很大的变化幅度，现实中很难在较大变幅的

收稿日期：２０２２ － ０８ － ２６；网络首发日期：２０２３ － ０５ － ０４
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０４２８．１６１０．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目（２０１６ＹＦＣ０４０２５００）；国家自然科学基金青年科学基金项目（５２００９１４５）
作者简介：侯琳（ １９９５ － ），博士生，主要从事治河防洪研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｈｏｕｌ２０＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：张红武（１９５８ － ），教授，博士生导师，主要从事水力学及河流动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈｈｗ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
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