第七章-dayin

第七章第七章 侵蚀 搬运和沉积过程侵蚀 搬运和沉积过程 Processes of Erosion Transport and Deposition 河流的携带物质由三部分组成 推移质 悬移质 包括冲泻质 和溶解质 已经在第五 章中介绍过了 本章将讨论通过河流作用的沉积物的大规模搬运 在此我们将详细论述沉 积物的实际搬运过程特别是推移质的搬运过程 水流通过侵蚀 搬运 沉积等与河流边界 相互作用使得河流形态发生变化 在本章你将学习到 基岩河槽的侵蚀过程 冲积河槽的河岸侵蚀过程 沉积颗粒的挟带 沉积物在河流中的搬运 沉积物是怎么 在哪儿以及为什么沉积 1 水流功率的概念水流功率的概念 沉积物的夹带 搬运以及沉积都涉及力的相互作用 做功做功 work 源于一个力作用于一 个物体 工作量被定义为物体在力的作用下产生的位移 做功包括流水通过河流和沉积物 的侵蚀和搬运 能量能量 energy 是做功的大小或能力 和它们具有相同的单位 焦耳 J 功功 率率 power 是定义做功的速率 快慢 用瓦特 W 或焦耳每秒来量度 功率的概念可以 通过考虑运输两个点之间的一块碎石来说明 这可能是由一个大的力短时间完成 高功率 或在一个较小的力在长时间完成 低功率 虽然每一种情况都做了同样的功 但是以不同 的速率进行 河流功率河流功率 Stream power 是指河流每单位长度的功率大小指河流每单位长度的功率大小 通常用 W m 水流功率来衡 量水流的搬运能力 这是给定的某河段单位时间最大的沉积物搬运量 有效河流功率与河 流水面比降 S 和流量 Q 有关 它也受万有引力常数 g 和流体的质量密度 一吨 每立方米 用希腊字母 表示 的影响 这些可以组成下面的方程 其中河流功率 用大写的希腊字母欧米伽来表示 gQS 河流功率往往被定义为某特定意义的水流功率 或者每单位河床面积的河流功率 我每单位河床面积的河流功率 我 们经常使用的是单位河流功率 们经常使用的是单位河流功率 特定特定 单位河流功率单位河流功率 specific stream power 是通过每单位 长度的河流功率比上该段河流的宽度来计算的 W 其中 w 代表河流的宽度 这对于比较不同地区的河流功率是十分有用的 或者同一条河流 的不同分支 它减小了大小河流的规模效应 英国河流的特定水流功率范围是从东南部低 地地区 10w m 以下到高降雨量的高海拔陡峭的高山地区的 1000W M 一个河流功率方程 的应用范例如表 7 1 所示 单位河流功率还可以与河床剪应力和水流的平均速度有关 公式意为单位面 0v tw 积河床的功率等于河床的平均剪应力与平均流速的乘积 河流搬运能力是指对于给定的河河流搬运能力是指对于给定的河 流 其挟带特定尺寸沉积物的能力 会随着河床剪应力的增加而增加流 其挟带特定尺寸沉积物的能力 会随着河床剪应力的增加而增加 2 基岩河道的侵蚀过程基岩河道的侵蚀过程 基岩河道的形态主要受侵蚀过程影响基岩河道的形态主要受侵蚀过程影响 3 种显著侵蚀类型 block quarrying 是一个显著的过程 是指河床的基岩石块的移动 移除 规模可以很大 例如 庭克勒在他的报告中提到 1 2m 1 45m 0 11m 和 1 0m 0 5m 0 05m 的砂岩块在水流深度低于 0 4m 的时候可以从河床上被移除 在岩块被挟带走之前 一般会有一定的准备过程使其变得松散 其中 陆上风化作用 Subaerial weathering 和其他一些弱化过程 weakening processes 起着非常重要的作用 弱化 过程包括河流搬运过程中的粒子对河岸的猛击 还有一种情况 就是颗粒楔入基岩的裂隙 中 通常是一些小的泥沙颗粒进入裂缝中 从而由于流水作用而使裂缝瞬间加宽 颗粒会 牢牢地嵌入裂隙并使裂隙不会再次变窄 随着时间的进程 裂缝进一步加宽直到更大的颗 粒进入 最终也许会使岩块分开 另外 在河流速度非常大的时候 压力的突然变化会产 生冲击波 从而可以通过空化作用 cavitation 对河床造成侵蚀 磨蚀磨蚀 abrasion 是指河槽边界受到河流中携带的粒子的磨损从而发生的侵蚀 磨蚀经 常集中在基岩河床的脆弱区和表面不整齐的地方 并且磨蚀的速率很快 从而导致壶穴 potholes 的形成 一旦壶穴形成 由于水流的作用 会进一步磨蚀 当一些粗的颗粒物质 进入壶穴中 这些粒子由于水流作用会继续向下冲磨 直到河床 随着时间的变化 一些 壶穴合并 导致河床高程降低 如图 7 1 Plate 7 1Potholes near the site of a waterfall Blyde River Canyon South Africa These have a diameter of 2 3 m Photograph by Helen Houghton Carr 由于河流中细粒物质的冲蚀作用会导致 sculpted forms 的形成 包括凹槽和波纹状特 征 可以看下图 7 2 Plate 7 2Sculpted forms in the rock bed of an ephemeral channel Atlas Mountains Morocco Photograph by Mike Simms 另外 在一些大的砾石和河流中一些隆起物的顶部也会经常见到这些特征 还有 基 岩河槽边界也会受到悬浮颗粒的磨蚀作用 溶蚀溶蚀 corrosion 有可溶性岩石形成的基岩河床容易遭到溶蚀作用 特别是 joint 和层 理面 bedding plane 溶蚀特征例如 scallop 勺形凹陷 它的长度与形成流速有关 从几毫 米 速度较快 到几米 较慢 的都有 尽管现实的侵蚀过程规模较小 但是它的影响是很大的 范围从毫米到千米 影响侵 蚀速率的因素包括围观尺度的基岩结构的变化 层里面的大范围影响 结合处和断裂面以 及流域尺度的影响例如 区域地质基准面的影响 3 冲积河道的河岸侵蚀冲积河道的河岸侵蚀 在不同的河道形式的发展和演变的过程中 河岸侵蚀的过程是非常重要的 河岸侵蚀 也会导致一系列管理方面的问题 桥 建筑物和道路的破坏 大量泥沙导致下游淤积 国 土问题 河岸侵蚀过程中 还有其他的过程发生 这些过程可以归为三类 1 Pre weakening processes 干湿交替为河岸侵蚀做了准备 2 Fluvial processes 河床演变 单个颗粒和聚集体被直接挟带 3 Processes of mass failure 包括塌陷 陷落 滑动 从而使河岸物质进入河床 河岸上的侵蚀物质会分散地保留在河岸底部直到它们就地分解或者是被搬运至下游地 区 沉积物积累和迁移的速率大小对河岸侵蚀的速率起着重要的作用 沉积物积累和迁移的速率大小对河岸侵蚀的速率起着重要的作用 积累速率较大时 在一定程度上 河岸可以避免进一步被侵蚀 相反 河岸将会被侵蚀 还有一种可能 二 者的速率相当 积累和迁移的相对速率取决于有效的河流功率和下面将要讨论的有关河岸 侵蚀的条件 3 1 河岸物质与弱化过程河岸物质与弱化过程 河岸的水分含量河岸的水分含量 湿润度湿润度 是非常重要的是非常重要的 当土壤未完全饱和时 会产生基质吸力 而 且 当土壤变干时 基质吸力可以相当大 一些学者观察到 在高基质吸力时 河岸的抗 侵蚀能力也较强 但是 变干时也会由于粘土颗粒的减少导致河岸裂缝和松散物质的脱落 从而导致河岸快速后退 当遇到洪水 空气被截留和压缩时 河岸会发生崩解 slaking 从而会使河岸物质脱 落 河流量较大时 河岸土壤饱和 在这种情况下 内聚力减弱 颗粒之间的空隙水压力 起着作为润滑剂的作用 减小颗粒间的摩擦 从而也会导致河岸快速崩解 在寒冷的条件下 河岸容易侵蚀 特别是冰雪冻融循环交替时 在温带地区 零摄氏 度以下时 会有冰针生成 当冰融化时 这些晶体和河岸上的混合物质会沿着斜坡下移 并形成 沉积物褶皱 sediment drape 在寒冷地区 河流结冰 冰悬臂可引起严重的破 坏 在有永久性冻土存在的地方 由于河道中的相对较温的水的存在 热蚀龛 thermo erosion niches 插入冻结的河岸中 从而造成河岸的侵蚀 植被情况对河岸侵蚀也有一定的影响 植被可以使土壤绑定在一起 增强河岸物质的 剪切强度 不像土壤 植被的根系具有相当高的拉伸强度 意味着它们能够抵抗拉伸力 3 2 河流作用过程中的河岸侵蚀河流作用过程中的河岸侵蚀 对于任何给定的情况下 河岸的组成物质对直接挟带和崩塌起着决定性作用 尽管其 他一些因素也具有一定的影响 尽管沙粒和粗粒物质之间不存在凝聚力 但由于颗粒间的 摩擦和空间结构 packing structure 会使颗粒处保持出在原来的位置 但是 由于细沙和砂砾 的选择性挟带 从而导致整个结构的弱化 进而导致崩塌的发生 在颗粒间具有凝聚力的河岸中 颗粒趋向于以团聚体的形式分散开而不是以单个颗粒 分散 一旦物质被挟带进入主流 聚集体和土壤团粒很容易被解体 3 3 河岸崩塌机制河岸崩塌机制 Bank failure mechanisms 当河岸组成物质不稳定 坍倒或滑落至河岸底部时 往往发生河岸的坍塌 不同物质 组成的河岸有不同的崩塌机制 当然河岸的高度 倾角 水分含量和植被情况也是很重要 的 河岸崩塌机制和第四章讲过的块体运动的有些相似 河岸的稳定性是由自身重量沿坡 面的分量和下滑时的阻力大小来决定的 粘性物质组成的河岸中 断裂沿着一个断层面 failure plane 发生 断层面可以是平面的 也可以是弯曲的 最常见的一类如下图 a 河岸低 较陡 由粘性物质组成 典型的断层面是平面的 垂直的 与河岸平行 图 7 3 b 河岸倾角不太陡 段层面通常是弯曲的 发生在河岸下部 粘性河岸在洪水过后最容易 发生坍塌 非粘性河岸趋向于沿着浅层滑动面浅层滑动面 shallow slip surface 发生河岸崩坍 图 c 混 合型河岸 通常是细粒粘性沉积物覆在非粘性颗粒之上 如图 7 4 下部非粘性颗粒的下切 侵蚀导致上覆粘性物质的不稳定 这样可以引起不同类型的河岸不稳定性 包括悬臂淘空 cantilever failure 如图 7 1d 4 沉积物挟带与搬运沉积物挟带与搬运 4 1 颗粒挟带过程颗粒挟带过程 对于给定的颗粒 其能否被搬运取决于驱动力和阻力的大小 如下图 驱动力是由拉力和浮力二者综合总用的结果 水流流过颗粒时会使颗粒运动速度加快 流速的加快会使颗粒上面的压力减小 下面 压力不变 上下表面的压力差导浮力的产生浮力的产生 理论上 当浮力超过地心引力时 颗粒就会 被抬离河床 然而 实际上其他粒子的存在会使情况变得相当复杂 沉积物的搬运如推移质通常是砾石尺寸或者更大 尽管粗沙粒部分或者全部是推移质 组分 较细的推移质颗粒由于太粗而不能以悬浮的形式搬运 而是以跃移跃移 salta tion 的形式 搬运 更大的一些颗粒 不能被抬起 就沿着河床滚动 由于河床剪切应力的变化 这种 运动是偶发的 除此之外 颗粒往往落后于其他颗粒或河床上的障碍物之后 颗粒较小的 物质由于紊流的作用而以悬浮的形式搬运 下降的跃移颗粒也会因为紊流作用而被短暂抬 升 这是所谓的初期悬浮 4 2 沉积物搬运的颗粒筛选理论沉积物搬运的颗粒筛选理论 大量的研究集中于利用容易测量的流动参数来推导临界流和挟带阈值 entrainment thresholds 对于给定尺寸颗粒的挟带的临界条件可以根据临界平均流速临界平均流速 critical mean flow velocity 和临界河床剪切应力临界河床剪切应力 critical bed shear stress 来定义 利用平均流速是一种间接的 方法 因为河床附近实际的水力条件起着重要的作用 临界平均流速曲线如下图 Figure7 3a 是由大量的实验数据得到的 由图可以表明不 同尺寸的颗粒的沉降速度和被挟带的速度 图 7 3 a 以泥沙粒径为横坐标 平均流速为纵 坐标 示出泥沙的侵蚀 搬运 沉积与流速和粒径之间的关系 图中上方的曲线表示颗粒 被挟带的速度就是泥沙的起动流速泥沙的起动流速 其曲线呈凹形 是因粗砂沉积物的起动流速随粒径增 大而增大 而细沙 粉砂 泥质沉积物 由于受颗粒间的粘结力和近壁层流层的粘滞作用 随粒径减小起动流速反而增大的缘故 下方曲线表示沉积物的沉降速度 沉速随粒径增大 而增大 流速小于沉降速度 便发生沉积 介于起动流速和沉降速度之间 沉积物处于被搬运状态 图 b 希尔兹曲线 Shields diagram 表明了临界无量纲河床剪切应力临界无量纲河床剪切应力 critical dimensionless bed shear stress 和泥沙边界雷诺数边界雷诺数 boundary Reynolds number 的关系 纵 坐标是沿底水流临界剪应力与颗粒 D 抗冲阻力的比值 横坐标是泥沙边界雷诺数 可以用 来估算泥沙的起动流速 另一种方法更加适用于现代的泥沙运输理论 利用临界河床剪切应力临界河床剪切应力来定义给定粒子 的起动流速 以无量纲形式定义的临界河床剪切应力通常被称为希尔兹参数希尔兹参数 Shields parameter 可以如下定义 从希尔兹曲线中 曲线最低点右边渐升的粗颗粒 进入完全紊流区时 曲线趋于水平 希尔兹参数为 0 06 曲线最低点左边渐升的细颗粒泥沙 由于水分子吸力和粘结力 颗粒 越细 比表面积越大 希尔兹参数也越大 起动流速也越大 以上所述的情况并不适用于含有不同尺寸颗粒的河道 河床上颗粒的分布和不同尺寸 颗粒的混合物起着重要作用 会影响单个颗粒的挟带速率或者整体运输速率 4 3 混合河床的沉积物搬运混合河床的沉积物搬运 单个颗粒周围的其他颗粒的粒径尺寸和分布状况会对其流动性产生很大的影响 在大 多数的天然河道中 不同粒径尺寸沉积物的混合物 不规则的河床床面会使情况相当复杂 图 7 4 a 表明颗粒的排列是如何影响单个颗粒的 滚动性 决定怎样可以简单地使颗粒从 静止的位置移动起来 可以用摩擦角来定义 摩擦角大的时候 需要大的力使小的颗粒离 开河床 图 7 4 b 表明大的颗粒可以保护小的颗粒 否则也将会被水流挟带走 颗粒的分选程度能反映粒径的范围 分选程度好的沉积物粒径范围较窄 相反 粒径 范围较大 框 7 3 表明了一个河道中的粒级分配是怎样描述的 在由砾石组成的河床中 颗粒会以不同类型的堆积形式挤在一起 抵抗河床剪切应力 单个颗粒也不易被挟带走 图 7 4 c 表明粗砾石和卵石是怎样以叠瓦状结构沉积下来的 倾斜方向与河流方向一致 4 4 保护层保护层 Armour layers 在砾石质河床中 保护层的形成对泥沙的搬运速率有着重要的影响 如图 7 4 d 中 保护层形成于频繁的低流量事件期间 因为低流量时只有颗粒小的才能被挟带走 从而在 河床上留下一层粗粒沉积物 通常有一个粒子直径的厚度 这个保护层在随后的流量大的 时候会使保护在它下面的细粒物质不被挟带走 一旦河床被保护起来 需要一个更高的临 界阈值来打破它的需要 巴瑟斯特为受到保护的河槽定义了 两相河流 第一段是现存的 泥沙运输速率较小 一旦保护层形成 临界阈值被打破 第二段运输过程发生 运输速率 变大 这会导致泥沙运输随时间变化而发生复杂变化 Bathurst 1987a defined two phase flow for armoured channels During phase 1 flow an armour layer is present and rates of bedload transport are low although finer sediment can still be supplied from further upstream Once the armour layer breaks up phase 2 transport takes place with a dramatic increase in transport rates as the finer sediment becomes available 研究表明 暂时性河流不会形成保护层 因为在没有低的流量时 没有使细粒沉积物 迁移的机制 不能形成保护层 这可能意味着在暂时性河流中 泥沙的运输速率较大 相 对于潮湿的河道 4 5 同移动搬运理论同移动搬运理论 在河床的同一水平面上 粒径均一的沉积物 所有的颗粒应该是同时开始移动在同样 的水流条件下 Reid 等人 1997 但是 在混合河床上 相对粒径的大小决定了颗粒暴露 在河流中的程度 结果较大的颗粒保护较小的 从而需要较大的剪切应力来挟带颗粒 相 比之下 粗粒物质较易被挟带走当它们被细粒物质围绕时 因为大的颗粒更易受到水流的 挟带作用 中间尺寸的粒径相对来说 不会受到所谓的保护 据经验 这种尺寸的粒径接 近中值粒径 在野外数据的基础上 对于由不同粒径的混合物组成的河床 帕克等人引入了流动性 平等 equal mobility 理论 这表明不同粒径颗粒可以在相似的临界流条件下可以同时起动 在同等流动性条件下 泥沙的运输速率可以从一个单一的代表粒径来计算 例如中值粒径 D50 但是 等流动性运输理论也一直存在着争论 例如安卓和弗格森等人认为等流动性运 输主要出现在砂砾质的河槽中 帕克 安德鲁斯和马里昂等人发现在河流稳定均匀且河床 剪切应力较低时基本上表现不出来选择性的运输 在河床剪切应力高的时候 沉积物的运 输表现为等流动性 但是 阿什沃思 弗格森和维尔科克都强调 在大范围的河流调查中 发现了 砂砾运输的选择性 只有在流量很大的时候才会表现为等流动性运输 5 5 推移质搬运推移质搬运 推移质的搬运并不一定是一直在进行 并且在河流量低的情况下搬运率有可能为零 任何一个时间点 段 即使搬运正在发生 它也只可能是河床的某一部分在进行 部分原 因是由湍流脉动变化控制的河床剪切力分布不均匀所致 大的差异可以通过短期对小面积 河床的观察到 卷席状流体 sweep fluid motions 运动 即从边界层外侧区注入的高动能流 体 对推移质颗粒的搬运最为有效 低动能的流体流经某河床也会将细泥沙托起到湍流中 并保持悬浮状态 河床可搬运的沉积物可搬运的沉积物对一段给定的河段推移质的整体搬运率有很重要的影响 很多推 移质占主导的河流搬运是受限制的 这意味着一个给定的流体其搬运率可能比理论值要小 原因就是缺乏可以搬运的沉积物 这里的缺乏并不意味这个河段河床沉积物总量的缺乏 而是指相对来说达到可以被搬运的合适粒度大小的颗粒缺乏可以被搬运的合适粒度大小的颗粒缺乏 因此 在一条巨砾河床的河 流中 一个完全可以搬运五块砂砾的流体不能够搬运起一个稍大一些的砾石 无论这种砾 石是多么的丰富 基岩河床的沉积物补给是受限制的 水流的搬运能力往往超过可以被搬 运的沉积物的需求 5 1 河床底形河床底形 1 沙质河槽的底形沙质河槽的底形 在沙质的河道中 高 低水流都可以搬运沙粒 因为沙粒的被搬运的阈值比较低 结果 河床很容易受河流作用而形成周期性特征 在实验室和自然河道中 关于此已有很 深入的研究 随着河流条件的变化 河槽底形也发生了一系列变化 如图 7 5 为了解释这 一现象 在此假设河床面开始时是水平的 当有水流动时 沙粒就开始移动 直到周期性 沙纹沙纹 ripple 形成 野外和实验室研究表明 波长 间距和波纹主要依赖于颗粒尺寸 特别 是 150mm 450mm 之间的 当水流强度增大时 沙纹沙纹会让位于沙垄沙垄 dunes 沙垄在冲积河 床上常见的 连续的 沿着河床可达数百公里 沙垄的规模有大有小 随着河流深度 沙 垄的规模的变化范围从几厘米到几米 沙垄的波长也有所变化 从几十厘米到一百多米 沙纹和沙垄会随着时间向下游迁移 沙垄的迎水坡冲刷 背水坡堆积 当河流量更大时 沙垄变得不稳定或是被冲刷掉 因为水流速度太大而不能使沙丘顶点的沉积物保留 沙垄 又让位于平坦床面 但此时的平坦床面与最初时的不一样 河床上大量的推移质转化为悬 移质 这标志着向高能态流高能态流的过渡 此时弗劳德数大于 1 河流变成超临界流动状态超临界流动状态 超 高态流时河槽底形包括驻波逆行沙丘 standing wave antidunes 即沉积物移动而波浪不会发 生前后移动 这是因为上有沉积物的沉积速率与下游侵蚀速率相当 水面的起伏和床沙形 态的起伏一致 属同相位 在水流动力再增的情况下 便形成逆行沙丘逆行沙丘 水流经过沙坡的迎水坡时 好像上坡 一样 把部分泥沙就地卸下来 而越过波峰时 又有余力攫取部分泥沙 因此沙粒继续向 下游搬运 在水流动力更大时 就会形成一系列的急滩和深潭急滩和深潭 急滩有一个近乎平面的河 床 急流 水流进入下游的深潭 由于水流作用而形成更深部分 2 砂砾质和混合沙砾质河槽底形砂砾质和混合沙砾质河槽底形 砾石质河床的结构已成为近几十年的研究重点 卵石集群卵石集群 pebble clusters 在这类河 床中很常见 当单个大的颗粒作为障碍物突出在水流中时 会使一些粗粒物质运移堆积在 它上游的一侧 上游一侧物质会有叠瓦构造 增加了沉积物的稳定性 往往需要更大的浮 力和拉力才能挟带走这些颗粒组成 细粒物质则大量出现在障碍物的下游一侧 横向肋横向肋 transverse ribs 是砾石质河槽的另一种底形 它是由粗石子 鹅卵石或大卵石组成的有规 则的间隔的脊构成的 并且是横向摆在水流中 像沙质河槽底形 这些特征会影响水流阻 力和泥沙的搬运 由细沙和砾石混合物构成的河床中 颗粒组成的不同流动性会导致产生一些有趣的 效果 例如 在下游可以看到纵向沙带从一侧蜿蜒到另一层 直到砾石质河床 泥沙也可 以以一到两个颗粒直径的厚度成片状流动 最粗的沉积物积累在前面的边缘 后面渐进的 是细粒物质 推移质层推移质层在有不同尺寸颗粒物质组成的河床中是很常见的 它与沉积物的供 给率有关 当沉积物供给速率减小时 推移质层的出现就没那么频繁了 5 2 评估推移质搬运速率评估推移质搬运速率 第一种方法是利用便携式采样器或是挖掘的陷阱来收集在一段时间内的推移质 利用 采样器收集时 要在河槽的不同地点采样 并且要在同一地点不同水流条件下重复采样 目的是为了估算具有一定可信度的推移质搬运平均速率 平均速率的估算是用单位时间内 通过一个河槽横截面的泥沙的干重 单位是 kg s 这样计算的前提假设是河流比较稳定 而现实往往不是这样的 特别是山间的河流 另外 河槽的底形也会有一定的影响 在沙 垄的顶部速率达到最大 而在低谷时达到最小值 因此在定时间间隔时 应该考虑在哪些 地方取样 另外 泥沙陷阱也是一种有效的测量推移质搬运速率的方法 也就是在河槽中挖一个 沟 这样泥沙就会落入里面 沉积物的数量可以通过重复的表面测量或者是除去沉积物并 称重 现在有很多巧妙的方法来提供持续的记录 例如 压力传感器 用来监视沟中沉积 物随着时间而增加的重量 另一种方法是追踪单个颗粒的运动 前提假设是 在给定的一段河槽内 沉积物的输 入量与输出量相等 且河段内泥沙的任何变化都是由于推移质运动的变化导致的 该方法 是用示踪粒子来测量不同尺寸颗粒在给定时间段内的搬运距离 另外 由于粒子可以被磁 化 所以可以用电磁传感器来探测 放射性示踪剂也可以用 先进的技术包括 GPS 测量和 激光测高 也就是河床高程的重复测量可以被用来估计推移质在给定的时间内运动了多远 从而也就能估算速率 还有运用推移质搬运公式来计算搬运速率 大多数公式把推移质搬运速率看作河流搬 运能力的一个函数 当额外的河流动力大于临界阈值时 推移质就启动 低于次临界值时 假设没有推移质的搬运 大于时 搬运速率则随着河流动力的增大而增大 6 6 悬移质搬运悬移质搬运 6 1 过程过程 颗粒悬浮依靠紊流涡旋 而且将保持悬浮状态只要它们的自身重量受到湍流涡旋的向 上分量作用 在静止的流体中 悬浮颗粒将通过液柱下落 粒子的下降速度下降速度粒子本身密度 尺寸和形状的一个函数 同时也收输送流体的粘度和密度影响 因为下降的粒子将会置换 流体 同时它的运动会受到水流的阻力 如果深度足够大 下降的粒子将会加速直到它达 到终端速度 李雪萍讲过的 在河槽中 粒子的下降速度也会进一步受到紊流和周围其他 颗粒的影响 不同尺寸粒子之间的下降速度变化是很大的 对于颗粒较细的粒子 其下落 速度往往很小 会被搬运到很远 例如 对于直径为 0 001mm 的泥沙颗粒 其终端速度为 0 004cm s 但是对于直径为 10mm 的砂砾 终端速度会增大到 30cm s 悬浮的粒子通过平流平流 advection 和紊流扩散紊流扩散 turbulent diffusion 作用而被搬运 悬浮颗 粒在流层中随着水流被搬运 湍流扩散是指沉积物的混合物在深度剖面上的运动 在深度 剖面上 悬沙浓度最大的地方趋向于河床 尽管有单个悬浮颗粒的不停运动 但随着远离 河床 总浓度和平均粒径通常会很快减小 这是因为粒子下降速度和由于湍流涡旋的垂直 分量之间相互作用的结果 悬浮沉积物向上面低浓度区的迁移是平流和湍流扩散的综合作 用 另一个过程是指沉积物被大型涡流传送传送的过程 例如 由于沙纹和沙垄存在 会使水 流分流 从而导致沉积物悬浮于产生的涡流中 另外 河槽与漫滩流的相互作用在第六章 已讨论过 涡流会产生于剪切区 因为在河槽水流流速快和河漫滩流流速慢时会导致后者 水的转移 从图 6 10 可以看出 在漫滩区近地表水流出 还有水流回流到河槽中 当然沉 积物也会从河槽传送到河漫滩 由于水流流速的快速降低和紊流的减弱 大多数较粗的沉 积物沉积在河槽边缘附近 这就解释了为什么冲积脊和天然堤出现在河槽边缘 第 8 章 更细的悬浮沉积物 特别是冲泻质冲泻质被带到河漫滩 6 2 沉积物供给与搬运速率沉积物供给与搬运速率 主要来源有来自坡面侵蚀而被冲刷的物质和由于河岸侵蚀而脱落的细粒物质和团粒 团 聚体 细粒沉积物 泥沙 的供给是控制悬浮沉积物搬运速率的关键要素 大多数悬浮颗 粒的搬运 特别是冲泻质 受沉积物供给控制 这意味着细粒泥沙的供给对泥沙浓度的影 响比河槽的水流条件还大 泥沙的供给率在个别事件 不同事件之间 季节间 年际间都泥沙的供给率在个别事件 不同事件之间 季节间 年际间都 有很大的变化 这些变化受许多变量控制 包括一些控制性先决条件 降雨强度 水文状有很大的变化 这些变化受许多变量控制 包括一些控制性先决条件 降雨强度 水文状 况和植被状况 况和植被状况 流量大时悬浮泥沙的浓度较大 这是因为此时由于坡面侵蚀和河岸侵蚀而 产生大量的泥沙 对于一个既定的横截面 悬浮质泥沙浓度和水流流量之间的关系悬浮质泥沙浓度和水流流量之间的关系并不简单 可以看一 下图 7 7 a 这是通过广泛散布的点来说明英格兰 德文郡 克里迪河中悬浮泥沙浓度与 流量之间的关系 我们看一下图 7 7 b 中水文曲线 在 1974 年 1 月时 前两次暴雨事件的 流量峰值相似 第三次流量峰值较高 但是三次暴雨事件中 悬浮泥沙量依次减少 这是 疲惫效应疲惫效应 exhaustion effect 的一个例子 这是由于连续事件紧接着发生和可搬运沉积物 耗尽的产生的 存储的作用在这里很重要 因为大量被冲进河槽中的泥沙将会从坡面上脱 落 7 沉积沉积 当水流动力减小时 泥沙颗粒就会发生沉积 尽管该过程本身发生在一个非常小的规 模里 涉及到单个颗粒 但可以在很宽范围的空间尺度观察到从最小的河床形态到大型的 河漫滩和三角洲等沉积形式 沉积形式的形成和发展可以比做蚁冢的形成 蚁冢的形成是 一个个蚂蚁每次搬运少许土而慢慢形成的 虽然这个过程发生在一个小的规模 但是由此 产生的特点远远大于单个蚂蚁和形成蚁冢的土壤团粒 泥沙沉积的临界值与粒子的沉降速度有关 当粒子沉降速度支配湍流扩散时 就发生 悬浮泥沙的沉积 因为粒子的沉降速度与粒子本身尺寸大小粒子本身尺寸大小有关 最粗的泥沙最先沉积 从而导致泥沙的分选 在水平和垂直方向上 沉积物从粗到细发生沉积物的分选 当然 粒子的沉降速度也会受到流体的粘滞性和密度流体的粘滞性和密度的影响 这些都会受到悬浮泥沙的浓度变化 的影响 另外 更细的一些粒子会以团粒的形式被搬运 形成的沉积物称为絮状沉淀 团 粒的沉降速度远远比形成它的单个粒子的沉降速度大 对于推移质搬运 河床附近的水流条件比较重要 当河床剪切应力低于临界剪切应力 时 推移质就会发生沉积 例如 在一些公认的模式中 从上游到下游 颗粒尺寸逐渐减 小 7 1 沉积物沉积的地点沉积物沉积的地点 导致泥沙沉积的情况包括 导致泥沙沉积的情况包括 1 流量的减小流量的减小 由于蒸发 渗漏以及人工改道 引流会使河流流量减小 水流动力减 小 能量降低 不再有足够的能力来搬运其原来所搬运的泥沙时 就发生泥沙的沉积 2 河床坡度降低河床坡度降低 引起河流的平均流速和功率减小 3 横截面积增加横截面积增加 横截面积增大导致水流分歧 变得不那么集中 由于水流与河槽更多的 接触从而使流动阻力增大 特别是当漫滩流发生时 横截面积会增大很多 4 边界阻力加大边界阻力加大 边界阻力的增加与植被状况和粗河床泥沙有关 当漫滩流发生时 由 于漫滩表面粗糙度的增加 流速降低 从而会导致悬浮泥沙的沉积 5 流动分离流动分离 会导致河流中的沉积物分离 6 障碍物存在障碍物存在 沉积物经常聚集在障碍物后面 这些障碍物包括有巨石 露头 基岩岛屿 碎木片和人造的一些结构如桥墩 堤坝和一些水流控制结构 沉积物供给变化的变化也是非常重要的 例如 当冲刷区的物质沉积在下游时 沉积物由 于受水流汇集作用也趋向于在下游累积 7 2 沉积环境沉积环境 虽然泥沙沉积也的确会发生在河流系统的形成和传输区域 但主要还是发生在沉积区 域 在沉积区 坡度和水流动力都较小 大规模的沉积会形成一些典型性的沉积地貌 包 括河漫滩 冲积扇和三角洲 在河槽中 河滩河滩 bar 代表规模较小的沉积特征 它们通常出 现在河流弯曲的内侧 沿着河槽的边缘 或者是支流汇聚的地方 网状河道的特点就是有 很多中型的河滩 河漫滩 floodplain 河漫滩接近冲积河流的河槽 它由河槽和漫滩两部分沉积物的混合 物形成 粗粒的河床沉积物 较细的悬移物质 他的形成和演化将在第八章中具体阐述 它的形成因素包括泥沙的供给 数量和直径 河槽能量环境和流域背景 泥沙在河漫滩上 迁移时会沉积在河流弯曲的内侧 与由于漫滩流作用而沉积的细粒沉积物相比较而言 来 自河槽的沉积物颗粒较粗 冲积扇 alluvial fans 往往发生在河流由高流域流向宽阔的平原地区 如图 从上到下 由于坡度的减小 水流平均速度减小 从横截面来看 形成了圆锥形的沉 积特征 大多数冲积扇半径小于 8km 但是在有些情况下 半径可以超过 100km 大量的冲 积扇在山前横向发展 合并 从而会形成围裙状的沉积物称为山麓冲积平原 bajada 冲积 扇经常发生在干旱的山区 大量的沉积物供给与极大地河流流量和频繁的块体运动相关 尽管只有在特大洪水事件中部分冲积扇表面会比较活跃 但在冲积扇表面上的一些网状河 道中也可以发现频繁的变化 从纵剖面来看 最上面坡度比较陡 沿着它的长向下 坡度 逐渐变小 同时 颗粒的尺寸也在变小 切口和冲积扇顶上的沟槽与沉积物供给的减少和 或坡度的增加有关 引起这些变化的原因有构造活动 气候变化 区域或地方的基准面降 低或人类活动 在不考虑外变化时 地形的逐渐降低也会导致泥沙供给的减少 在湿润地区发现的冲积扇规模较大 坡度较缓 干旱地区的规模较小 坡度较陡 例如 戈西河在喜马拉雅山脉前形成的大规模的冲积扇 它覆盖了 15000km2的面积 从戈西河延 伸到宽阔的印度河冲积平原 它的坡度很小 三角洲 deltas 形成在河流注入静止水体的地 它们从海岸线向外延伸 海岸线一般在 河流注入湖泊 内陆海或海洋的地方 在沿海地区 三角洲形成在泥沙供给大于海洋侵蚀 速率的地方 尽管沉积物会由于海岸沉积作用过程发生重新分布 另外 河床演变的影响 往往会主宰湖泊三角洲的情况 8 本章小结本章小结 河流和泥沙搬运的过程中会做功 做功的快慢成为河流功率 河流功率由河槽坡度和 水流流量控制的 基岩河槽的侵蚀包括 block quarrying 磨损 abrasion 和腐蚀 corrosion 三种过程 河岸侵蚀可以为河流提供很多泥沙 另外河岸侵蚀的过程中还包括预弱化 河床演变和块 体运动这些过程 河流能否携带一个静止的颗粒取决于河流的驱动力和源于颗粒本身而形成的阻力 相 邻颗粒间的相互影响也很重要包括粒子间的摩擦 庇护作用 sheltering packing 保护 作用 armouring 推移质搬运速率推移质搬运速率受泥沙颗粒本身特征和河床剪切应力分布的影响 并且随着时间和空 间会有很大的变化 因此 推移质的搬运速率很难测定或者是精确预测 悬浮泥沙的速率悬浮泥沙的速率主要受细粒泥沙的供给影响 受包括气候等在内的许多因素控制 悬 浮泥沙通过平流和湍流过程搬运 而另一个相关过程 传送 通过大规模的涡流而把悬浮 泥沙挟带走 当河床的剪切应力低于临界剪切应力时 推移质会发生沉积 当悬浮颗粒的沉降速度 主导湍流扩散的时候 就会发生沉积 一个给定颗粒的沉降速率受其本身的密度 尺寸大 小 形状还有流体密度和粘度的影响 细粒先沉积下来 导致沉积物的分选 导致泥沙沉积的各种情况 坡度和流量的减小 水流阻力的加大 河流的分歧和障碍 物的阻挡 障碍物周围的河流分歧 沉积地貌的尺寸范围小到底形 大到河漫滩 9 扩张阅读扩张阅读 空化作用 气泡的形成 长大和崩溃三个阶段 当气泡崩溃时 会瞬间产生很大的压 力 从而对河床或河岸造成侵蚀 流体力学中 雷诺数雷诺数是流体惯性力与黏性力比值的量度 它是一个无量纲量 雷诺数 较小时 黏滞力对流场的影响大于惯性力 流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减 流体流 动稳定 为层流 反之 若雷诺数较大时 惯性力对流场的影响大于黏滞力 流体流动较 不稳定 流速的微小变化容易发展 增强 形成紊乱 不规则的紊流流场 对于流过平板的边界层 实验可以确认 当流过一定长度后 层流变得不稳定形成湍流 对于不同的尺度和不同的流体 这种不稳定性都会发生 一般来说 当 这里 x 是从平板的前边缘开始的距离 流速是边界层以外的自由流场 速度 一般管道流雷诺数 2100 为层流 又可称作黏滞流动 线流 状态 大于 4000 为湍流 又可称作紊流 扰流 状态 2100 4000 为过渡流状态 层流层流 流体沿着管轴以平行方向流动