9.7.3: Транспортування та замулювання тонкого осаду
- Page ID
- 1194
Для грубого осаду навантаження шару, а також транспортування підвішеного вантажу визначається значною мірою гідродинамічними умовами та властивостями осаду в точці розгляду. Це може бути змодельовано за допомогою формули транспортування осаду (наприклад, за формулою Байкера або Бейлара, подібно до того, що ми робили в попередньому розділі), або за допомогою внутрішньохвильової моделі, яка описує процес суспензії під час хвильового циклу (гл. 6). У випадку дрібного осаду транспортування суспензійного осаду залежить не тільки від місцевої миттєвої швидкості потоку, але й від умов потоку вище та в минулому. Тому нам потрібно включити «ефект пам'яті», який змушує концентрацію осаду в певний момент реагувати на умови у всіх точках, через які пройшов зважений осад у минулому (Сект. 6.8.1). Важливими стають часові шкали ерозії та осідання, характеристика, яка обумовлює істотну різницю в динаміці припливів дрібного осаду (мулу) порівняно з більш грубим осадом (піском). Для піску цей часовий масштаб на порядок менший, ніж період припливу (так що ми можемо припустити миттєву реакцію), тоді як для дрібного осаду часові шкали мають аналогічний порядок. Для дрібного осаду позначимо цей часовий масштаб як\(T_{sed}\). Якщо припустити, що за умови постійної швидкості потоку через деякий час досягається рівноважна концентрація, то\(c_{eq}\)\(T_{sed}\) це часова шкала, за якою підвішена концентрація\(c\) наближається до рівноважної концентрації. У формульній формі:
\[\dfrac{Dc}{Dt} = \dfrac{1}{T_{sed}} (c_{eq} - c)\]
Зверніть увагу, що це ідентично Eq. 6.8.1.2. В принципі, слід розрізняти терміни релаксації\(T_{sed}\) для ерозії та осідання відповідно\(T_{Er}\) і\(T_{Se}\). Рівноважну концентрацію ceq можна визначити експериментальним шляхом; часто виявляється, що
\[c_{eq} \approx \beta |u|^{n - 1}\label{eq9.7.3.2}\]
в якому\(n = 3\) до 5 (в залежності від виду осаду) і\(\beta\) постійної. Зверніть увагу на схожість між Eq. 9.7.2.1 та екв. \(\ref{eq9.7.3.2}\). (Теоретичний) приклад рішення цього рівняння наведено на рис.9.32. Сигнал швидкості\(u(t) = \cos (\omega t) + 1/4 \cos (2 \omega t - \varphi_{M4-2} = 3\pi /2)\) обраний таким чином, щоб швидкості затоплення за величиною дорівнювали швидкостям відливів. Отже, не буде відбуватися транспортування залишкового навантаження грубого матеріалу. Для рівноважної концентрації, Eq. \(\ref{eq9.7.3.2}\)був використаний з\(n = 5\), в результаті чого\(c_{eq} \propto u^4\). У разі миттєвої реакції осаду (грубіший матеріал) концентрація дорівнювала б рівноважній концентрації, а чистий транспорт зваженого осаду дорівнював би нулю. У разі більш тонкого осаду осаду потрібен час, щоб відреагувати і буде слідувати червоною пунктирною лінією. Це обчислюється з Eq. \(\ref{eq9.7.3.1}\)використовуючи\(T_{sed} /T_{M2} = 0.2\). Видно, що зараз концентрація, як правило, вище в період повені, ніж у період відливів. В результаті потік осаду\(uc\) під час паводку на 31% більше, ніж при відливах, що ведуть до чистого спрямованого на сушу потоку дрібного осаду.
Асиметрія концентрації випливає з асиметрії в періоди слабкої води. У схематизованій ситуації рис. 9.32 тривалість сильної слабини води (HW-Slack, переворот потоку від повені до відливу) більше, ніж тривалість низької провисання води (LW-Slack, розворот потоку від відливу до повені). Отже, сильне осідання відбувається навколо HW-Slack; у початковій фазі відливів лише мало матеріалу знаходиться в суспензії. Пізніше в період відливів більш дрібний осад призупиняється. Навколо LW-провисання частина цього осаду осідає, але не так сильно через коротку провисання тривалості води. При збільшенні сили струму паводку відразу транспортується відносно велика кількість підвішеного матеріалу. Згодом підвішена концентрація зростає ще більше. Зрозуміло, що в середньому за повінь концентрація зваженого осаду, отже, більша, ніж при відливах. Тому протягом усього припливного періоду ми спостерігаємо чистий транспорт, спрямований на сушу.
На практиці обидва види приливної асиметрії можуть бути присутніми одночасно (рис.9.33). Короткий HW-Slack і чистий транспорт штрафів, спрямований в бік, можна спостерігати на рис.9.33. Тривалість провисання перед відливом (\(T_{\text{1,slack}}\)) і flood (\(T_{\text{2,slack}}\)) визначається швидкістю потоку (\(u_{\text{crit,flood}}\),\(u_{\text{crit,ebb}}\)); для менших величин швидкості відбувається осідання. Оскільки\(T_{\text{1,slack}} > T_{\text{2,slack}}\), швидше за все, трапиться імпорт штрафів. Для більш грубого осаду (піску) тривалість провисання води не грає важливої ролі через короткий термін осідання. Взагалі кажучи, ми можемо заявити, що у нас є чистий потік транспорту для\(u_{\text{max,flood}} > u_{\text{max,ebb}}\), і чистий відлив транспорту в зворотному випадку. У цьому прикладі максимальна швидкість відливу більша за максимальну швидкість затоплення. Значить, можна очікувати експорту грубого осаду.
У секті. 5.7.4 ми обговорили «асиметрію горизонтального припливу пиляного зуба». Ми дійшли висновку, що для короткого басейну з неглибокими каналами та невеликими квартирами, що пропонують зберігання, тривалість провисання HW - довша, ніж тривалість LW-слабини. З іншого боку, в басейні з великими сховищами, що пропонують приливні квартири та глибокі канали, тривалість провисання HW коротша, ніж тривалість LW-слабини. Це говорить про те, що імпорт дрібної фракції є характерною властивістю приливного басейну з неглибокими каналами і обмеженими приливними складськими квартирами. Аналогічним чином можна очікувати, що басейни з глибокими каналами та великими міжприливними сховищами, швидше за все, будуть експортувати штрафи. Однак останнє часто не відповідає дійсності через протидіючий ефект, який особливо важливий при наявності великих міжприливних квартир.
Цей протидіючий ефект пов'язаний з відмінностями осідання на HW і на LW. Час релаксації для осідання\(T_{Se}\) є серед інших факторів, що залежать від глибини води, а саме\(T_{Se} \approx h/w_S\). Отже, кількість осідання на HW може сильно відрізнятися від кількості осідання при LW. Це особливо стосується випадків, коли волога поверхня басейну набагато більша при HW, ніж на LW (велике міжприливне сховище), що означає в середньому меншу глибину води на HW, ніж на LW. Результатом є більша осадження при HW, ніж при LW, зменшуючи концентрацію і потік осаду в період відливів.
Мабуть, велика плоска площа, що пропонує зберігання, має два протилежних впливу на чистий транспорт дрібного осаду: з одного боку велика призма зберігання викликає коротку тривалість провисання в проточному каналі при HW-Slack; з іншого боку, в цей короткий період може статися сильне осідання через невелику глибину води. Якщо останній ефект домінує, це призводить до чистого імпорту штрафів, навіть у випадку великих складських площ. Це може бути однією з причин того, що багато приливних басейнів є ділянками осадження дрібних відкладень (мулу).
Крім того, хвиля перемішування і штормові сплески можуть викликати сильну ерозію і вивезення дрібного осаду. Можна очікувати, що хвилі дуже ефективно перемішують осад і тим більше для менших глибин води. Це збільшує концентрацію тонкого осаду в початковій фазі відливу, посилюючи ебб-транспорт