非均匀沙推移质是河道中泥沙输移的重要组成部分,直接影响河流中的水流结构、泥沙输移、河床演变等基础问题,正确认识非均匀沙推移质的运动规律是合理开发和保护河流的前提,对于促进河流动力学的发展以及满足实际工程需求都具有十分重要的意义。本文应用高速摄影技术与数字图像处理技术相结合的方法研究了非均匀沙的运动特性。主要内容有以下几点:（1）提出了利用数字图像处理与运动目标检测技术相结合的获取泥沙颗粒运动参数的方法。对比了图像差分法和光流场法两类运动目标检测算法的优缺点,并改进了图像差分法,获取了较为复杂背景中运动泥沙颗粒的运动参数;提出了利用图像处理技术测量非均匀沙相对沙暴露度的方法。（2）开展了非均匀沙运动特性水槽试验,得到了非均匀沙输移规律。颗粒的运动轨迹在水平面上表现为左右摇摆,在竖直面上表现为间歇性跳跃;在颗粒跳跃阶段,瞬时纵向速度增大,瞬时垂向速度先减小后增大;运动颗粒在与床面颗粒发生碰撞后,其瞬时运动速度急剧减小;颗粒的纵向瞬时运动速度分布形式呈现为Γ分布,垂向瞬时运动速度分布形式呈现为正态分布;同一级粒径泥沙颗粒在水中的运动速度随着水流摩阻流速的增大而增大,颗粒纵向运动平均速度与摩阻流速的比值随着Θ的增大变化并不明显;水槽中泥沙颗粒的瞬时输移量具有脉动性和周期性。（3）基于图像处理技术,得到了非均匀沙颗粒位置随机性分布规律。以不同粒径的玻璃球模拟非均匀沙,测定非均匀颗粒各级粒径的相对暴露度和相对隐蔽度,统计了各级粒径相对暴露度和相对隐蔽度的分布规律。试验结果表明,非均匀沙各级粒径的相对暴露度概率密度符合正态分布;非均匀沙中各级粒径的相对隐蔽度在取值范围内概率密度符合负偏态分布。（4）基于三维床面颗粒位置随机性,构建了非均匀沙起动流速公式。根据三维非均匀沙床面颗粒的受力情况,得到水流拖曳力作用点随相对暴露度和相对粒径的变化规律,结合三维球体模型中非均匀沙颗粒的位置关系,构建了颗粒以滚动形式起动的拖曳力力臂、上举力力臂和重力力臂与相对暴露度和相对粒径之间的关系式;基于滚动起动模型,并综合考虑水流脉动性、泥沙起动标准、非均匀沙三维相对暴露度以及相对粒径等因素,建立了非均匀沙起动流速公式,经过实测资料验证公式的计算结果与试验值基本吻合。