绪论

人类为了发展生产，从很早的时候起，便不断与江河进行斗争。在长期斗争中，逐渐积累了这方面的知识，并使之系统化。首先是关于整治河道的工程技术方面的系统知识，其次是关于河道演变发展的运动规律方面的系统知识。前者属于治河工程学的范围，后者属于河流动力学的范畴。

河流是水流与河床在地球物理诸自然因素及人类活动的影响下交互作用的产物。

在水流与河床交互作用的过程中，许多情况下，泥沙运动起着纽带作用。换句话说，水流与河床的交互作用，在许多情况下，要通过泥沙运动体现出来。例如，在一种情况下，通过泥沙的淤积，使河床抬高；而在另一种情况下，通过泥沙的冲刷，使河床降低。事实上，泥沙有时可能是河床的组成部分，而有时又是河水（浑水）的组成部分；在运动过程中，从矛盾的一个方面转化到矛盾的另一方面。泥沙在水流与河床的交互关系中的这种纽带作用，使得关于泥沙运动基本规律的研究成为河流泥沙动力学的核心。河流泥沙动力学的重要性也就从而体现出来。

水是具有粘滞性的牛顿流体，一般可以作均质的连续介质考虑。河道水流的流型多属阻力平方区紊流。

河道水流中的泥沙一般为散粒群体，在运动过程中，也常被视作连续介质。但如果沙粒在水流中的含量过低，不能作散粒群体看待，只能作散粒个体看待时，自然也就失去了作为连续介质考虑的可能性。不接受紊动扩散作用的散粒个体泥沙。在紊流中的运动迹线与接受紊动扩散作用的散粒体泥沙在水流中的运动迹线完全是两回事^[1]。

水与泥沙的上述基本特性，决定了由水与泥沙结合组成的两相流，在运动过程中，既具有受力学支配的必然性，又具有受统计理论支配的随机性（或称偶然性，机遇性，或然性）。因此，在解决泥沙运动基本规律的时候，主要的理论工具是力学与统计理论。这是就主要研究对象而言的。至于有所关联的学科，那是比较多的，如：高含沙水流将涉及电化学和非牛顿液体，泥沙环境保护问题将涉及金属学，等等。

由于泥沙运动所涉及的物理量往往较多，边界条件往往复杂多变，要想利用少量的实际资料和简易的方式，构成正确表达某种泥沙运动规律的公式；或有了这样的公式，在运用中合理地规定有关的系数，比较妥善地处理边界条件，以至得到较确切的数值解，都远非易事。在这种情况下，采取的解决问题的手段，主要是在力学或统计理论的指导下，在实际资料的基础上，制成物理或数学模型，进行模拟试验，以求取得定性或定量的结果。

要使上述结果成为可靠的成果，还必须经过一次或多次反馈，得到实际资料的验证。验证是重要的步骤。它须起到“去粗取精，去伪存真；由表及里，由此及彼”的作用。

上述学习与研究河流泥沙动力学的方式和方法，对于其它力学可能同样适用。但是，本书编者感到，对于性质复杂，成熟不足的河流泥沙动力学的学习与研究来说，可能效益尤大。

包括河流泥沙动力学和河道演变学（或称河床演变学）在内的河流动力学^[2]，它的母体，在欧美为水力学，属技术科学范畴；在前苏联常归诸地球物理学，属基础科学范畴。人们一般以劳斯（H.Rouse）^[3]于1938年在第五次国际应用力学讨论会会刊发表著名的关于泥沙紊动扩散理论为河流动力学脱离母体，成为一门独立科学出生的标志。虽然事实是，在1933年，奥布莱恩（M.P.O'Brien）^[4]已发表了内容实质与劳斯名著相类似的文章；而在1931年马卡维也夫（В.М.Макавеев）已有性质相近的文章出世^[5]。综上，可以认为河流动力学以一种专门的学科问世，为时不过半个世纪。

在泥沙紊动扩散理论问世之初，很快受到广泛的注意。争论较多的问题有，在水流表层的含沙量是否为零，物质交换系数如何决定等。本书作者关于悬移沙垂线分布一文^[6]，便是在这一问题讨论高潮中发表的。那一时期有关这方面的重要文献有：莱恩（E.W.Lane）^[7]、多宾斯（W.E.Dobbins）^[8]、范诺尼（V.A.Vanoni）^[9]等的专著。

泥沙紊动扩散理论，实质上探讨的是悬移泥沙的连续律，即质量平衡问题，具体表现在二维恒定均匀流在平衡情况下悬移质含沙量沿垂线的分布。

关于泥沙能量平衡问题，在五六十年代讨论得比较热烈，主要成果如下。

50年代，维利坎诺夫（М.А.Великанов）^[10]提出重力理论以后，讨论活跃。虽然重力理论基础的坚实性不足，作为能量平衡的理论，难于成立^[11]，但关于“悬浮功”这一概念的提出，很富启发性。拜格诺（R.A.Bagnold）的“自动悬浮”的论点^[12]，以及本书作者关于“制紊假说”和悬移质水流挟沙力公式的提出^[11]，重力理论起了催生作用。

在水、沙两相流的动力或动量平衡方面，尚缺受到广泛注意的系统理论成果或基本方程。可贵的是，拜格诺通过试验证明了在高浓度悬移质含量下，有横向扩散力存在^[13]。

进入70年代以后，水沙两相流的基本方程问题逐渐为人所重视，无论国内国外，研究都较活跃^[14～17]。可以预料，在今后一二十年中，河道水沙两相流的基本理论与基本方程，必将有一个新的发展。

前面曾经提到，在水沙两相流中，水及泥沙的运动每呈两面性：力学的必然性（确定性）与统计理论的随机性。在开始研究泥沙运动状态的时候，随机性被忽略。爱因斯坦（H.A.Einstein）^[18]于1936年首先提出了这个运动特性，在泥沙起动及推移质运动过程中，强调了随机性。他在处理泥沙起动流速及推移质运动中，采取了一系列的假设（如：平床，拖曳力不起作用，沙粒运动形式限于跃移和沿垂线向上起跳，等等），令人怀疑的是，这样得到的推移质输沙率公式，是否还残存若干理论气息。但是，他发现并强调重视泥沙运动的随机性这一点，是值得称道的。我国韩其为等在理论与实践结合中发展了统计理论在泥沙运动中的应用范围，企图使之逐步成为泥沙运动各个主要方面统一的理论体系^[19]。这种作法，在学科上自然是一种促进，是应该发扬的。

我们认为，泥沙运动的必然性方面与偶然性方面的结合，是客观存在的实际过程，因而组成实用于泥沙运动各个方面的理论体系，是完全可能的。应该明确的是，向往的目标是必然性与偶然性二者的结合，而不是在致力于偶然性的探讨中，却又将必然性搁置起来。那样做的结果，可能会以另一种片面性脱离实际。