5.8: Транспорт рідинних відкладень

Вступ

Цей розділ являє собою короткий звіт про характер транспортування осаду в річках.

Реголіт отримують шляхом вивітрювання корінних порід на континентах, а потім транспортується подалі від місця виробництва як осад (транспортується реголіт), як у твердому, так і в розчиненому вигляді. Океани можна розглядати як сховище для цього осаду, хоча багато зберігається в осадових басейнів на континентах і переробляється в нову континентальну породу за часовими масштабами, що може становити велику частку геологічного часу.

Річки на сьогоднішній день є найважливішими носіями осаду на континентах, хоча льодовики були ще важливішими в певні часи та місця. Тож хоча суть річок полягає в тому, що вони є потоками води, однією з їх найвидатніших характеристик є те, що вони також є транспортерами осаду. Я думаю, що справедливо сказати, що більшість цікавого про річки певним чином пов'язані з природою, що транспортує осад річок, прямо чи опосередковано. Транспортування річних відкладень є важливою сферою в декількох різних дисциплін: флювіальної інженерії, геоморфології та седиментології.

Велика проблема в отриманні вдячності за транспортування осаду в річках полягає в тому, що, як правило, важко спостерігати транспортування осаду в реальних річках, якщо вони не дуже мілкі і не несуть багато осаду. Хорошим способом обійти цю складність, частково, є будівництво штучної річки на задньому дворі і спостерігати зблизька, як річка транспортує свій осад.

Неважко побудувати спрощену невелику річку, яка відтворює багато найважливіших аспектів транспортування річних відкладень. Прибийте разом великий дерев'яний швелер, відкритий вгорі і з прямокутним перетином (рис. 5-30). Законопатьте шви та стики, щоб вони не протікали нестерпно. (Всі такі канали іноді трохи просочуються, навіть у найвигадливіших лабораторіях.) Канал найкраще може бути близько метра в ширину і кілька десятків метрів в довжину, але я розумію, що це велике замовлення для будівництва заднього двору; ви могли б піти все в порядку з каналом не більше десяти до двадцяти сантиметрів завширшки і п'ять-десять метрів завдовжки.

Малюнок 5-30. Експериментальний канал для моделювання транспортування стоків і відкладень у річках.

На його нижчому кінці канал повинен переходити у великий відкритий резервуар. Встановіть насос і деякі трубопроводи, щоб взяти воду з нижчого резервуара і рециркулювати її до верхнього кінця каналу. (Це, безумовно, найдорожча і, для більшості людей, найскладніша частина.) Клапан в зворотній трубі дозволяє регулювати злив води. Ви можете встановити весь канал на гніздо поблизу верхнього кінця, так що ви можете легко змінити нахил каналу, але це насправді не потрібно. Також непогано було б зробити хоча б одну боковину каналу зі скла або прозорого пластику, для хорошого огляду транспорту осадів. По крайней мере, встановіть кілька невеликих підповерхневих ілюмінаторів в стінках каналу. Покладіть товстий шар піску на підлогу каналу. Середній розмір цього піску може бути тонким як 0,1 мм або грубим, як 1 мм, але щоб побачити найширший діапазон явищ і особливостей використовують пісок із середнім розміром трохи менше 0,5 мм.

поріг руху

Тепер ви готові зробити деякі експерименти (flumologists— вчені та інженери, які працюють з каналами такого роду ви тільки що побудували у вашому задньому дворі, які називаються flumes— називають їх працює) у вашому каналі. Для кожного пробігу заповніть резервуар і канал водою, щоб встановити глибину потоку, увімкніть насос і відрегулюйте клапан для певного скидання води і, отже, (з огляду на глибину потоку) певну середню швидкість потоку. Влаштуйте кожен прогін, щоб глибина потоку була такою великою, наскільки дозволить канавка, в ідеалі хоча б велика частка метра.

Перше, що вам слід зробити, це вивчити початок руху осаду. (По-перше, було б добре згладити піщану грядку, щоб вона була плоскою. Це неважко зробити, якщо ви використовуєте підводне скребкове лезо, прикріплене до пристрою, який ковзає по верхніх краях стінок каналу.) Зрозуміло, що якщо потік занадто повільний, він не змістить жодного осаду. У міру того, як ви поступово збільшуєте швидкість потоку, однак, в якийсь момент деякі частинки осаду починають рухатися. Ця точка називається порогом руху. Це може здивувати вас, коли ви виявите, наскільки важко визначити або визначити поріг, оскільки є слабкий рух або незначний рух у широкому діапазоні сильних потоків. Проблема порога руху відображає два питання, які давно визнані важливими в транспорті річних відкладень:

• Наскільки сильний потік потрібен, щоб ініціювати транспортування даного осаду?
• Наскільки грубий осад може переміщатися заданим потоком?

Друге питання пов'язане з тим, що називається компетенцією річки. Просто щоб дати вам деяке відчуття сили потоку, необхідної для переміщення піску у вашому каналі, вам доведеться виробляти швидкість струму близько 0,2 м/с, щоб досягти порогових умов - залежно від розміру піску, звичайно, і від глибини води також.

Тепер зробіть деякі прогони зі швидкостями потоку більше порогового значення, щоб вивчити режими руху частинок. Сукупність частинок осаду, які транспортуються потоком в даний момент часу, називається осадовим навантаженням, або просто вантажем. Навантаження додатково можна поділити трьома різними способами: на основі

• його фізична природа;
• його наявність або відсутність в ліжку; і
• як він подорожує.

Виходячи зі своєї фізичної природи, осадове навантаження річок умовно поділяють на тверді частинки і розчинене навантаження. Чи дивує вас, що в цілому розчинене навантаження такого ж порядку, як і навантаження на тверді частки? Майте на увазі, що концентрація розчиненого навантаження не сильно залежить від розряду, тому існує багато розчиненого навантаження навіть у періоди низького розряду. Насправді, як правило, існує зворотна кореляція між скидом і розчиненим навантаженням, з тієї зрозумілої причини, що в періоди високого скиду більша частина води в річці стікала з поверхні, не витрачаючи тривалий час в контакті з реголітом і породою, де, за різноманітністю вивітрювання процеси, про які ви дізналися в розділі 2, розчинені речовини розчиненого навантаження походять з.

Навантаження також можна розділити на навантаження ліжко-матеріалу, яка є тією частиною навантаження, розміри якої представлені в ліжку в незначних відсотках, і навантаження на прання, яка є тією частиною навантаження, розміри якої відсутні в ліжко в помітних відсотках. Промивна навантаження, яка завжди є найтоншою фракцією вантажу (переважно глиною або найтоншим розміром мулу), здійснюється через довгий відрізок річки без будь-якого обміну осадом між шаром і потоком. Звичайно, у вашому каналі на задньому дворі немає ніякого навантаження для миття, якщо ви не вирішите скинути в якійсь воді, що містить суспензію тонкої глини.

У реальних річках значна частина найтоншої частки вантажу має таку малу швидкість осідання, що вона подорожує на великі відстані, перш ніж осідати на русло, і навіть коли вона досягає русла, вона має тенденцію негайно пересушити. Так найтонші фракції осаду представлені майже зовсім не в пластовому матеріалі в руслі річки. Тільки на надберегових ділянках під час повеней, де швидкості води невеликі, відкладається промивна навантаження. Навіть там зберігання має тенденцію бути тимчасовим, оскільки зрушення русла річки має тенденцію в кінцевому підсумку повторно розмивати дрібний осад, який раніше відкладався на заплаві.

Нарешті, навантаження можна розділити на навантаження ліжка, яке рухається в безпосередньому контакті з ліжком або так близько до ліжка, щоб не бути суттєво вплинутим на турбулентність рідини, і підвішене навантаження, яке підтримується тимчасово підвіска над станиною під дією рухаються вгору турбулентних вихрових (рис. 3-31). Я сподіваюся, що з цих визначень зрозуміло, що навантаження ліжка - це завжди навантаження на матеріал ліжка, а підвішене навантаження, ймовірно, буде частково завантаженням матеріалу ліжка та частково навантаженням на прання, хоча в окремих випадках це може бути все навантаження на прання або все навантаження на матеріал ліжка.

Малюнок 5-31. Завантаження ліжка та підвішене навантаження.

Це може здатися заплутаним, але це має сенс. Малюнок 5-32 може допомогти, а може і не допомогти.

Рух навантаження ліжка іноді називають тягою. Рух ліжко-вантажу може бути шляхом прокатки, ковзання, або стрибкового (рис. 5-33). Це нелегко спостерігати рух навантаження ліжка в деталі, але, якщо ви хороший фотограф і ви зробили високошвидкісний крупним планом фільм навантаження ліжка, ви бачите, що частинки, як правило, приймають випадкові екскурсії вниз за течією, прокатки або стрибати або бульдозуючи нерегулярно з короткими зупинками вздовж шлях, а потім приїхати відпочити на деякий час, перш ніж знову переїхати. Після того, як зерно витісняється з місця спокою, воно сприйнятливе до подальшого руху потоком, поки воно, нарешті, не знайде досить захищене положення серед частинок ложа, на сприятливих ділянках, які називаються «кишенями», а потім він не зміщується знову, поки на нього не впливає особливо придонний вихровий або до одного або більше частинок ложа, що вкривають його, самі приводяться в рух.

Малюнок 5-32. Взаємозв'язки між навантаженням на ліжко-матеріал, навантаженням на прання, навантаженням ліжка та підвішеним навантаженням.

Якщо ви гострий спостерігач, ви помітите, що набір частинок, які утворюють навантаження, час від часу змінюється, тому що частинки постійно приходять у спокій і знову приводяться в рух. Крім того, існує проблема в розрізненні навантаження на ліжко та підвішеного навантаження: наскільки зерно може рухатися вгору в потік і все ще вважатися навантаженням на ліжко? Стандартним критерієм є те, чи суттєво впливає турбулентність рідини на час та відстань, що беруть участь у екскурсії. Хоча різниця між навантаженням ліжка та підвісним навантаженням є зручною, немає різкого розриву між навантаженням ліжка та підвішеним навантаженням. Також дана частинка може бути частиною навантаження шару в один момент і частиною підвішеного навантаження в інший момент, в залежності від часової історії сил і рухів рідини, яким вона піддається. (І звичайно, в інший час одна і та ж частка може взагалі не рухатися.) Тому в будь-який момент часу спостерігається помітне перекриття розподілу розмірів навантаження ліжка та підвішеного навантаження, хоча очевидно, що підвішене навантаження, як правило, завжди тонше в середньому, ніж навантаження на ліжко.

Малюнок 5-33. Режими руху ліжко-вантажу.

Частинки, що рухаються як навантаження на ліжко, сприйнятливі до перенесення в суспензію, коли максимальні вертикальні коливання турбулентної швидкості більші за величиною, ніж швидкості осідання частинок. Якщо умови потоку та швидкості осідання частинок виконують цю умову, то деякі з рухомих частинок навантаження ліжка іноді виявляються вловленими у сильному вихровому стані, що рухається вгору, і частинка переноситься на деяку відстань над шаром. На частку впливає ряд вихрових, коли вона рухається вниз за течією; залежно від рухів окремих вихрових частинок може підніматися лише на невелику відстань від ліжка і подорожувати лише на невелику відстань нижче за течією, перш ніж вона осіде назад до ліжка, або вона може піднятися високо над ліжком, навіть майже до водної поверхні, і подорожувати далеко вниз за течією. Очевидно, що чим менша швидкість осідання і чим сильніша турбулентність, тим більше середня висота над шаром і тим більша відстань руху частинки вниз за течією.

Частинки осаду насправді не підвішені над ліжком, так як картина підвішується на цвяху в стіні: вони завжди осідають назад до ліжка і з часом повернуться на ліжко. Тільки частинки колоїдного розміру, набагато тонше мікрометра, можуть бути по-справжньому підвішені. Такі частинки мають таку малу масу, що броунівські рухи, викликані випадковими зіткненнями молекул проти частинки, утримують частинку в постійній суспензії.

Коли потік відносно слабкий та/або осад відносно грубий, концентрація зваженого осаду швидко падає вгору, а верхня частина потоку може взагалі не мати суспензійного осаду (рис. 5-34А). Однак, коли потік відносно сильний і/або осад відносно дрібний, зважений осад присутній на всій глибині потоку, а концентрація зваженого осаду падає лише трохи вгору (рис. 3-34B).

Малюнок 5-34. Вертикальні профілі концентрації суспензірованого осаду в річці.

Класифікація річок за осадовим навантаженням

Вам має здатися природним, що деякі річки, особливо ті, чиї осадові джерела складаються в основному з крупнозернистого піску і гравію, несуть в основному пластове навантаження. Такі річки називаються, зрозуміло, бортовими річками. З іншого боку, джерелами осаду деяких річок є переважно глина, мул та дрібний пісок. Осадове навантаження таких річок - це переважно підвішена навантаження. Такі річки називаються підвішено-навантажувальними річками. Нарешті, у великій кількості річок важливе як навантаження на русло, так і підвішене навантаження; такі річки називаються річками зі змішаним навантаженням. Майте на увазі, що ця класифікація дуже пухка, як тому, що існує безперервна градація в природі навантаження осаду від річки до річки, а також тому, що дана річка несе своє навантаження різними способами, залежно від її скидання в даний час.

Ви також можете класифікувати річки за домінуючим розміром частинок руслового матеріалу, на гравійні річки, річки з піщаним руслом та (набагато рідше, ніж перші два) грязьові річки. (Звичайно, серед цих трьох видів є градації.) У більшості річок з піщаним руслом більша частина відкладень лож-матеріалу в середньому відбувається у вигляді підвішеного навантаження. У гравійних річках, з іншого боку, велика частина скидання осаду припадає на транспортування з ліжковим навантаженням.

Швидкість транспортування осадів

Швидкість, з якою осад переміщується повз поперечного перерізу потоку, називається або швидкістю транспортування осаду, або скиданням осаду. Це пов'язано з навантаженням на осад, але воно різне, тільки тому, що різні фракції осадового навантаження транспортуються з різною швидкістю. Він може вимірюватися в масі за одиницю часу, або у вазі за одиницю часу, або в обсязі за одиницю часу. Протягом багатьох десятиліть інженери гідравліки шукали формули для прогнозування скиду осаду, пов'язаного з деяким поєднанням умов потоку та характеристик осаду в деякій зоні річки. Таких формул багато, але жодна з них не працює на вдячність добре.

ДОДАТКОВА ТЕМА: ФОРМУЛИ СКИДАННЯ ОСАДУ

Щоб вивести формулу скидання осаду, ви намагаєтеся подумати про фізику транспорту осаду таким чином, що дозволяє розробити вигляд якогось раціонального рівняння для транспортних швидкостей, яке містить в собі один або кілька «регульованих параметрів», значення яких присвоюються аналізом вибраних наборів даних вже під рукою. Сумно, що фізика переносу осаду настільки складна, що неможливо розробити рівняння з перших принципів фізики, яке не містить таких регульованих параметрів. Майже без перебільшення сказати, що в гідротехнічній літературі є десятки формул скидання осаду. Фізична основа цих формул широко коливається, і жодна з них не робить дійсно хорошої роботи.

Ось тільки найголіший початок при отриманні формули скидання осаду. Ваш здоровий глузд говорить вам, що чим сильніше потік, тим більша швидкість транспортування осаду. І важливим фактом спостереження першого порядку є те, що швидкість транспортування осаду є дуже круто зростаючою функцією сили потоку. Подумайте про найпростіший спосіб втілення цих важливих фактів у формулі швидкості транспортування осаду на одиницю ширини потоку, зазвичай написаної\(q_s\). Мабуть, найпростіший підхід до кількісної оцінки\(q_s\) - написати такий вираз, як

\[q_{S}=A \tau_{\mathrm{o}}^{n} \label{8.6}\]

де\(A\) - коефіцієнт і\(n\) є показником, значно більшим за одиницю. Ще краще,\(\tau_o\) може бути замінений на\(\tau_o\) -\(\tau_c\), де\(\tau_c\) знаходиться граничне граничне напруження зсуву для руху осаду. Проблема з Equation\ ref {8.6} полягає в тому, що вона не має міцної основи в реальній фізиці транспорту. Справжня ситуація повинна бути набагато складнішою, ніж Equation\ ref {8.6}. Але з використанням даних спостережень\(A\) і\(n\) скоригованих за допомогою даних спостережень, Equation\ ref {8.6} може служити для дуже грубих оцінок\(q_s\).

Вимірювання швидкості транспортування осаду - це, як відомо, складне завдання. Швидкість транспортування підвішеного навантаження зазвичай вимірюється шляхом захоплення невеликих зразків прохідного потоку з його підвішеним осадом у серії маленьких пляшок для улову, розташованих вертикально по всій глибині річки, разом з вимірюваннями місцевої швидкості потоку вздовж цієї вертикалі. Навантаження на ліжко виміряти складніше. Зазвичай навантаження на ліжко вимірюють за допомогою пристроїв, званих пастками для навантаження ліжка або пробовідбірниками з навантаженням ліжка. Подумайте з точки зору тих совок, встановлених на стовпі, які використовуються для підмітання сміття з вимощених поверхонь, але з сіткою в задній частині каструлі, щоб вода пропускала. Вони бувають всіх розмірів і геометрії, але їх мета полягає в тому, щоб зловити все навантаження ліжка, яке приходить на пастку з upstream— не ловити занадто багато або занадто мало. На жаль, існує багато практичних проблем, пов'язаних з пастками для ліжка.

Конфігурація ліжка

Тепер вам потрібно зробити серію прогонів у вашому каналі, щоб вивчити конфігурацію ліжка. Під терміном конфігурація ліжка я маю на увазі загальну геометрію ліжка, яка існує на станині каналу в даний час у відповідь на потік. Якщо у вас не було досвіду роботи з конфігураціями ліжок, ви можете подумати: «Яка велика справа? Чи не буде осад просто рухатися по площинній транспортній поверхні?» Але виявляється, що ви б так само часто помилялися про це, ніж правильно. Якщо конфігурація ліжка не плоска, вона складається з окремих топографічних елементів, які називаються формами ліжок.

Зробіть серію пробігів з дещо збільшенням середньої швидкості потоку вище порогових умов. У кожному прогоні нехай потік взаємодіє з ліжком досить довго, щоб конфігурація ліжка була статистично стійкою або незмінною. Після цього деталі конфігурації ліжка постійно змінюються, але середні характеристики залишаються колишніми. Час, необхідний для того, щоб потік і ліжко прийшли в новий стан рівноваги, може становити лише кілька хвилин до тих пір, поки кілька днів, залежно від швидкості транспортування осаду, розміру форм шару, які розвиваються, і ступеня модифікації форм ліжок, які залишилися від попередніх бігти.

При низьких швидкостях потоку русло покривається брижами: маленькі гребені піску з їх гребенями та жолобами, орієнтованими переважно поперечно для потоку, але досить нерегулярними деталями, з ніжними поверхнями вище за течією та, як правило, кутом спокою вниз за течією (рис. 5-35А). Їх проміжки складають 10-20 см, а висота - кілька сантиметрів. Вони рухаються повільно вниз за течією, на порядки повільніше, ніж швидкість потоку, шляхом ерозії піску з їхніх сторін вище за течією та осадження на їх нижчих сторонам. За винятком найвищих швидкостей, ви повинні уважно спостерігати за ними, щоб побачити, як вони рухаються. Брижі на реальних річкових руслах виглядають майже так само, як ті, які ви можете виробляти у вашому задньому дворі каналу.

Малюнок 5-35. Послідовність конфігурацій пласта у відкритому каналі протікає над шаром піску в кілька десятих міліметра в діаметрі.

При швидкості потоку, що становить помірну частку метра в секунду, брижі замінюються більшими формами ліжок, які називаються дюнами (рис. 5-35B). Дюни досить схожі на брижі за геометрією і рухом, але їх як мінімум на порядок більше. Перехід від брижі до дюн завершений у вузькому діапазоні лише кілька сантиметрів на секунду за швидкістю потоку. Дюни у великих річках можуть досягати воістину гігантських розмірів: висоти понад десять метрів, а відстані в багато сотень метрів. На такі великі дюни накладаються один або кілька порядків менших дюн, аж до невеликої брижі.

Коли ви збільшуєте швидкість потоку далі, дюни стають нижчими і більш округлими, протягом досить широкого інтервалу швидкості потоку, поки, нарешті, вони повністю не зникнуть, поступаючись місцем плоской поверхні шару, над якою транспортується рясне підвішене навантаження, а також навантаження на ліжко (рис. 5-35С). Судячи з зовнішнього вигляду грядки після того, як потік різко доведений до зупинки, транспортна поверхня разюче плоска: рельєф не більше декількох діаметрів зерен. Але спостерігати за режимом транспортування зерна над площинним ліжком важко, оскільки ложе затьмарюється рясним навантаженням і підвішеним навантаженням.

Коли ви ще більше збільшуєте швидкість потоку, на поверхні води з'являються приглушені стоячі хвилі, і результуюча картина більшої та нижчої швидкості приліжкового потоку призводить до того, що ліжко формується відповідно у ланцюг хвиль, які перебувають у фазі з поверхневими хвилями води. За певних умов ці сполучені пластові хвилі і поверхневі хвилі збільшуються у висоту і стають нестійкими: вони повільно рухаються вгору за течією і в той же час ростуть у висоту, поки не стануть настільки крутими, що різко ламаються, викидаючи багато осаду в суспензію (рис. 5-35Д). Потім ліжко та поверхня води повертаються до площинного або майже площинного стану, після чого хвилі знову будуються, і цикл повторюється. Через їх рух вгору за течією ці форми називаються антидюнами. Антидюни важливі для дрібних швидкоплинних річок, але не в глибоких річках. Відмінне місце для спостереження за невеликими антідюнами в дії знаходиться на пляжі, де невеликий струмок, що тече швидко і неглибоко, проходить через піщаний пляж, щоб дістатися до моря.

Детальніше про флювіальну гідравліку

Повернувшись у розділ 4, я відклав обговорення наступного важливого питання: Що визначає конкретне поєднання глибини потоку та швидкості потоку, пов'язаного з заданим скидом води? Я можу забрати це знову, тепер, коли я сказав деякі речі про конфігурації ліжок.

Сила, яку течія чинить на руслі річки, буває двох видів: тертя шкіри та опір форми:

• Тертя шкіри (термін, запозичений з аеродинаміки крил літака) - місцева сила тертя, що чиниться на локально гладкі ділянки русла річки.
• Форма опору - це сила, яку потік чинить на неплощинну частину русла річки, як пульсація або дюна, надаючи більший тиск рідини на вищій стороні форми, ніж на стороні нижче за течією.

Просто подумайте про експеримент з басейном з підносом або каструлею для піци, описаний у розділі 1. Практично у всіх річкових течіях форма перетягування набагато більше, ніж тертя шкіри.

Легко зрозуміти, що конкретне поєднання глибини і швидкості для даного скиду в річці опосередковано природою опору потоку: чим більший опір потоку при інших рівних умовах, тим глибше і повільніше потік. І, як ви можете легко уявити, враховуючи міцність брижів і дюн на руслі річки, опір потоку переважає перетягування форми, коли на руслі річки є форми русла. Так що найважливішим фактором при визначенні поєднання глибини і швидкості є характер конфігурації ліжка.

Цей вплив конфігурації ліжка на опір потоку має важливий і сприятливий наслідок для поведінки річок під час повеней. Оскільки розряд і, отже, швидкість потоку збільшується під час повені, конфігурація шару - це брижі, а потім міцні дюни, тому глибина потоку відносно глибока, а швидкість потоку відносно низька. Однак, коли швидкість збільшується, врешті-решт дюни вимиваються до плоского русла, і оскільки розряд продовжує збільшуватися, глибина потоку тоді відносно низька, а швидкість відносно висока. (Слово відносно в останніх двох реченнях передбачає порівняння з тим же розрядом, але різної конфігурації ліжка.) Найвища стадія під час повені, коли ліжко плоске, як правило, навіть більше, ніж те, що було під час переходу від дюн до плоского ліжка, але важливо те, що етап набагато менше, ніж це було б, якби цього ефекту конфігурації ліжка не існувало - як у корінній породі річковий, наприклад.

Вихід осаду

Мені потрібно ввести ще одну річ про осад у річках. Ви повинні розрізняти скидання осаду та те, що називається виходом осаду річки. Вихід осаду - це скид осаду, поділений на загальну площу дренажу річки вище за течією поперечного перерізу, при якому вимірюється або оцінюється викид осаду. Вихід осаду вимірює норму, на одиницю площі, при якій осад видаляється з вододілу. Це важливо в дослідженнях довгострокової еволюції ландшафтів, осушених річками.