Перенос осадка - это движение твердых частиц ( осадка ), как правило, из-за сочетания силы тяжести, действующей на осадок, и / или движения жидкости, в которую вовлечен осадок. Перенос отложений происходит в естественных системах, где частицы представляют собой обломочные породы ( песок , гравий , валуны и т. Д.), Грязь или глина ; жидкость - воздух, вода или лед; и сила тяжести действует, чтобы перемещать частицы по наклонной поверхности, на которой они покоятся. Перенос наносов из-за движения жидкости происходит в реках , океанах , озерах ,моря и другие водоемы из-за течений и приливов . Транспорт также вызывается ледниками во время их течения и по поверхности земли под воздействием ветра . Перенос наносов только под действием силы тяжести может происходить на наклонных поверхностях в целом, включая склоны холмов , уступы , обрывы и континентальный шельф - граница континентального склона.
Отложения транспорт играет важную роль в области осадочной геологии , геоморфологии , гражданское строительство , гидротехническое и экологической инженерии (см приложения , ниже). Информация о переносе наносов чаще всего используется для определения того , произойдет ли эрозия или осаждение , масштаб этой эрозии или осаждения, а также время и расстояние, на котором они будут происходить.
Механизмы [ править ]
Эолийские [ править ]
Эоловый или эоловый (в зависимости от разбора æ ) - термин, обозначающий перенос наносов ветром . Этот процесс приводит к образованию ряби и песчаных дюн . Обычно размер транспортируемого осадка составляет мелкий песок (<1 мм) и меньше, потому что воздух представляет собой жидкость с низкой плотностью и вязкостью и поэтому не может оказывать сильного сдвигового воздействия на свой слой.
Слои образуются в результате переноса эоловых отложений в наземной приповерхностной среде. Волны [1] и дюны [2] образуются как естественная самоорганизующаяся реакция на перенос наносов.
Перенос эоловых отложений обычен на пляжах и в засушливых регионах мира, потому что именно в этих средах растительность не препятствует присутствию и движению песчаных полей.
Разносимая ветром очень мелкозернистая пыль способна проникать в верхние слои атмосферы и перемещаться по земному шару. Пыль из Сахары отложений на Канарских островах и на островах в Карибском море , [3] и пыль из пустыни Гоби были осаждены на западе Соединенных Штатов . [4] Этот осадок важен для баланса почвы и экологии нескольких островов.
Отложения мелкозернистых ледниковых отложений, выносимых ветром , называются лёссами .
Речной [ править ]
В геологии , физической географии и переносе наносов речные процессы связаны с проточной водой в естественных системах. Сюда входят реки, ручьи, перигляциальные потоки, ливневые паводки и наводнения , вызванные прорывом ледниковых озер . Осадок, перемещаемый водой, может быть больше, чем осадок, перемещаемый воздухом, потому что вода имеет более высокую плотность и вязкость . В типичных реках самые крупные наносимые наносы состоят из песка и гравия , но при больших паводках могут переноситься булыжники и даже валуны .
Перенос речных наносов может приводить к образованию ряби и дюн , к фрактальным структурам эрозии, к сложным структурам естественных речных систем и к развитию пойм .
Прибрежный [ править ]
Прибрежный перенос наносов происходит в прибрежных средах из-за движения волн и течений. В устьях рек процессы прибрежного и речного переноса наносов объединяются, образуя дельты рек .
Прибрежный перенос наносов приводит к образованию характерных прибрежных форм рельефа, таких как пляжи , барьерные острова и мысы. [5]
Ледяной [ править ]
Когда ледники движутся по своим ложам, они увлекают и перемещают материалы всех размеров. Ледники могут нести большой осадок, и районы ледникового отложения часто содержат большое количество эрратических валунов , многие из которых в нескольких метров в диаметре. Ледники также измельчают горные породы в « ледниковую муку », которая настолько тонка, что часто уносится ветрами, создавая лессовые отложения за тысячи километров. Осадки, увлекаемые ледниками, часто перемещаются приблизительно вдоль ледниковых потоков , вызывая их появление на поверхности в зоне абляции .
Hillslope [ править ]
При переносе наносов по склону вниз по склону реголита перемещаются различные процессы . Это включает:
- Ползучесть почвы
- Бросить дерево
- Перемещение почвы роющими животными
- Обвалы и оползни на склоне холма
Эти процессы обычно объединяются, чтобы дать склону холма профиль, который выглядит как решение уравнения диффузии , где коэффициент диффузии является параметром, который относится к легкости переноса наносов на конкретном склоне холма. По этой причине вершины холмов обычно имеют параболический вогнутый профиль, переходящий в выпуклый профиль вокруг долин.
Однако по мере того, как склоны холмов становятся круче, они становятся более склонными к эпизодическим оползням и другим массовым истощениям . Следовательно, процессы на склоне холма лучше описываются уравнением нелинейной диффузии, в котором классическая диффузия доминирует для пологих склонов, а скорость эрозии стремится к бесконечности, когда склон холма достигает критического угла естественного откоса . [6]
Селевой поток [ править ]
Большие массы материала перемещаются в потоках селей , гиперконцентрированных смесях ила, обломках размером до валуна и водой. Селевые потоки движутся по мере того, как гранулы стекают по крутым горным долинам и смываются. Поскольку они переносят отложения в виде гранулированной смеси, их транспортные механизмы и возможности масштабируются иначе, чем у речных систем.
Приложения [ править ]
Транспорт наносов применяется для решения многих экологических, геотехнических и геологических проблем. Поэтому измерение или количественная оценка переноса или эрозии наносов важны для прибрежного строительства . Для количественной оценки эрозии отложений было разработано несколько устройств для эрозии отложений (например, имитатор эрозии частиц (PES)). Одно такое устройство, также называемое BEAST (Benthic Environmental Assessment Sediment Tool), было откалибровано для количественной оценки скорости эрозии отложений. [7]
Движение наносов важно для обеспечения среды обитания рыб и других организмов в реках. Поэтому управляющим реками с жестким регулированием, которые часто испытывают нехватку наносов из-за плотин, часто советуют устраивать короткие паводки для обновления материала русла и восстановления водоразделов. Это также важно, например, в Большом каньоне реки Колорадо для восстановления прибрежных мест обитания, которые также использовались в качестве кемпингов.
Сброс наносов в резервуар, образованный дамбой, образует дельту водохранилища . Эта дельта заполнит бассейн, и, в конечном итоге, потребуется либо дноуглубление водохранилища, либо удаление плотины. Знания о переносе наносов можно использовать для правильного планирования продления срока службы плотины.
Геологи могут использовать обратные решения транспортных отношений, чтобы понять глубину, скорость и направление потока из осадочных пород и молодых отложений аллювиальных материалов.
Поток в водопропускных трубах, дамбах и опорах мостов может вызвать эрозию дна. Эта эрозия может нанести вред окружающей среде и обнажить или расстроить основы конструкции. Следовательно, хорошее знание механики переноса наносов в искусственной среде важно для инженеров-строителей и гидротехников.
Когда перенос взвешенных наносов увеличивается из-за деятельности человека, вызывая экологические проблемы, включая заполнение каналов, это называется заиливанием , поскольку в процессе преобладает фракция крупности.
Инициирование движения [ править ]
Этот раздел содержит инструкции, советы или практические советы . Февраль 2016 г. ) ( |
Баланс стресса [ править ]
Чтобы жидкость начала переносить осадок, который в данный момент находится в покое на поверхности, граничное (или слой) напряжение сдвига, создаваемое жидкостью, должно превышать критическое напряжение сдвига для инициирования движения зерен в слое. Этот основной критерий начала движения можно записать как:
- .
Обычно это представляет собой сравнение безразмерного напряжения сдвига ( ) и безразмерного критического напряжения сдвига ( ). Обезразмерение проводится для того, чтобы сравнить движущие силы движения частицы (напряжение сдвига) с силами сопротивления, которые сделали бы ее стационарной (плотность и размер частицы). Это безразмерное напряжение сдвига называется параметром Шилдса и определяется как: [8]
- .
И новое уравнение, которое необходимо решить, выглядит следующим образом:
- .
Приведенные здесь уравнения описывают перенос отложений для обломочных или гранулированных отложений. Они не работают для глин и илов, потому что эти типы хлопьевидных отложений не соответствуют геометрическим упрощениям в этих уравнениях, а также взаимодействуют между собой сильными электростатическими силами. Уравнения также были разработаны для речного переноса наносов частиц, переносимых потоком жидкости, например, в реке, канале или другом открытом канале.
В этом уравнении рассматривается только один размер частиц. Однако русла рек часто образованы смесью наносов разного размера. В случае частичного движения, когда перемещается только часть смеси наносов, русло реки обогащается крупным гравием, поскольку более мелкие отложения смываются. Более мелкие отложения, присутствующие под этим слоем крупного гравия, имеют меньшую возможность перемещения, и общий перенос наносов уменьшается. Это называется эффектом брони. [9] Другие формы защиты отложений или снижение скорости эрозии отложений могут быть вызваны микробными матами в условиях высокой органической нагрузки. [10]
Критическое напряжение сдвига [ править ]
Щитки диаграмма , эмпирический показано , как безразмерное критическое напряжение сдвига (т.е. безразмерного напряжения сдвига , необходимое для начала движения) является функцией определенной формы частиц числа Рейнольдса , или чисел Рейнольдса , связанной с частицей. Это позволяет нам переписать критерий инициирования движения с точки зрения необходимости только найти конкретную версию числа Рейнольдса частицы, которое мы называем .
Это уравнение затем может быть решено с помощью эмпирически полученной кривой Шилдса, чтобы найти как функцию определенной формы числа Рейнольдса частицы, называемого граничным числом Рейнольдса. Математическое решение уравнения было дано Дей . [11]
Число Рейнольдса частицы [ править ]
В общем случае число Рейнольдса частицы имеет вид:
Там , где это характерная скорость частиц, является диаметр зерна (характерный размер частиц), а кинематическая вязкость, которая определяется вязкостью динамической, , деленная на плотность жидкости, .
Удельная частица число Рейнольдса интереса называется граничное число Рейнольдса, и формируются путем замены термина скорости числа Рейнольдса частиц по сдвиговой скорости , , который представляет собой способ перезаписи напряжения сдвига в терминах скорости.
где - напряжение сдвига в пласте (описанное ниже), а - постоянная Кармана , где
- .
Таким образом, число Рейнольдса частицы определяется следующим образом:
Напряжение сдвига кровати [ править ]
Граничное число Рейнольдса можно использовать с диаграммой Шилдса для эмпирического решения уравнения
- ,
которое решает правую часть уравнения
- .
Чтобы решить левую часть, разложенную как
- ,
мы должны найти кровати касательное напряжение . Есть несколько способов решить проблему напряжения сдвига в постели. Во-первых, мы разрабатываем простейший подход, в котором предполагается, что поток является устойчивым и однородным, и используются усредненные по досягаемости глубина и наклон. Из-за сложности измерения напряжения сдвига на месте этот метод также является одним из наиболее часто используемых. Этот метод известен как произведение глубины на уклон .
Произведение «глубина-уклон» [ править ]
Для реки с примерно постоянным, однородным равновесным потоком, примерно постоянной глубины h и угла наклона θ на интересующем участке, ширина которой намного больше, чем ее глубина, сдвиговое напряжение русла определяется некоторыми соображениями количества движения, утверждающими, что сила тяжести Составляющая силы в направлении потока в точности равна силе трения. [12] Для широкого канала это дает:
Для пологих углов уклона, которые встречаются почти во всех естественных низинных ручьях, формула для малых углов показывает, что они приблизительно равны уклону , который определяется выражением . Переписываем так:
Скорость сдвига, скорость и коэффициент трения [ править ]
Для стационарного случая путем экстраполяции произведения глубина-уклон и уравнения для скорости сдвига:
- ,
Мы видим, что произведение глубина-уклон можно переписать как:
- .
связана со средней скоростью потока через обобщенный коэффициент трения Дарси-Вайсбаха , который равен коэффициенту трения Дарси-Вайсбаха, деленному на 8 (для математического удобства). [13] Подставляя этот коэффициент трения,
- .
Неустойчивый поток [ править ]
Для всех потоков, которые нельзя упростить до односкатного бесконечного канала (как в произведении глубина-уклон , выше), напряжение сдвига в русле можно найти локально, применяя уравнения Сен-Венана для неразрывности , которые учитывают ускорения в потоке. .
Пример [ править ]
Настройка [ править ]
Критерий начала движения, установленный ранее, гласит, что
- .
В этом уравнении
- , и поэтому
- .
- является функцией граничного числа Рейнольдса, определенного типа числа Рейнольдса частицы.
- .
Для конкретной частицы число Рейнольдса будет эмпрической константой, заданной кривой Шилдса или другим набором эмпирических данных (в зависимости от того, является ли размер зерна однородным).
Таким образом, окончательное уравнение, которое мы стремимся решить, выглядит следующим образом:
- .
Решение [ править ]
Мы делаем несколько предположений, чтобы предоставить пример, который позволит нам привести приведенную выше форму уравнения к решенной форме.
Во-первых, мы предполагаем, что хорошее приближение к усредненному по досягаемости сдвиговому напряжению дается произведением «глубина-уклон». Затем мы можем переписать уравнение в виде
- .
Перемещая и комбинируя термины, получаем:
где R - удельный вес осадка в погруженном состоянии.
Затем мы делаем наше второе предположение, которое заключается в том, что число Рейнольдса частицы велико. Обычно это применимо к частицам гравия или больше в потоке и означает, что критическое напряжение сдвига является постоянным. Кривая Шилдса показывает, что для слоя с однородным размером зерна
- .
Более поздние исследователи [14] показали, что это значение ближе к
для более равномерной сортировки грядок. Поэтому мы просто вставим
и вставьте оба значения в конце.
Уравнение теперь гласит:
Это окончательное выражение показывает, что произведение глубины канала и наклона равно критерию Щита, умноженному на удельный вес погруженных частиц, умноженный на диаметр частицы.
Для типичной ситуации, например, для богатых кварцем отложений в воде , удельный вес в погруженном состоянии равен 1,65.
Подключив это к приведенному выше уравнению,
- .
По критерию Щита . 0,06 * 1,65 = 0,099, что находится в пределах стандартной погрешности 0,1. Поэтому для однородной грядки
- .
В таких ситуациях произведение глубины и наклона потока должно составлять 10% диаметра среднего диаметра зерна.
Значение слоя со смешанным размером зерен составляет , что подтверждается более поздними исследованиями как более широко применимое, поскольку большинство естественных потоков имеют смешанные размеры зерен. [14] Используя это значение и изменяя D на D_50 («50» для 50-го процентиля или среднего размера зерна, как мы сейчас рассматриваем слой со смешанным размером зерна), уравнение принимает следующий вид:
Это означает, что глубина, умноженная на уклон, должна составлять около 5% от среднего диаметра зерен в случае слоя со смешанным размером зерен.
Способы увлечения [ править ]
Осадки, увлекаемые потоком, могут переноситься вдоль слоя в виде нагрузки на слой в виде скользящих и катящихся зерен или во взвешенном состоянии в виде подвешенной нагрузки, переносимой основным потоком. [12] Некоторые отложения могут также поступать с верхних участков и переноситься ниже по течению в виде промывочной загрузки .
Число Роуза [ править ]
Расположение в потоке , в котором частица захваченной определяется числом Rouse , который определяется плотность ρ s и диаметром D от осадка частиц, а плотность ρ и кинематической вязкостью ν из жидкости, определить , в какой части из потока частица осадка будет унесена. [15]
Здесь число Раус дается P . Член в числителе - это (вниз) осадок, скорость осаждения осадка w s , которая обсуждается ниже. Вверх скорость на зерно дается как произведение константы Кармана , κ = 0,4, и скорости сдвига , ¯u * .
В следующей таблице приведены приблизительные требуемые числа Рауза для транспортировки в качестве постельного белья , подвешенного белья и белья для стирки . [15] [16]
Вид транспорта | Число Розы |
---|---|
Инициирование движения | > 7,5 |
Кровать нагрузка | > 2,5, <7,5 |
Подвешенная нагрузка : 50% Подвешенная | > 1,2, <2,5 |
Подвешенная нагрузка : 100% Подвешенная | > 0,8, <1,2 |
Стирать загрузку | <0,8 |
Скорость установления [ править ]
Скорость осаждения (также называемая «скоростью падения» или « конечной скоростью ») является функцией числа Рейнольдса частицы . Как правило, для мелких частиц (ламинарное приближение) его можно рассчитать по закону Стокса . Для более крупных частиц (числа Рейнольдса турбулентных частиц) скорость падения рассчитывается по закону турбулентного сопротивления . Дитрих (1982) собрал большое количество опубликованных данных, которым он эмпирически сопоставил кривые скорости оседания. [17] Фергюсон и Черч (2006) аналитически объединили выражения для потока Стокса и закона турбулентного сопротивления в одно уравнение, которое работает для всех размеров отложений, и успешно проверили его на данных Дитриха.[18] Их уравнение
- .
В этом уравнении w s - скорость осаждения наносов, g - ускорение свободного падения, а D - средний диаметр наносов. это кинематическая вязкость от воды , которая составляет приблизительно от 1,0 × 10 -6 м 2 / с для воды при температуре 20 ° С.
и - константы, связанные с формой и гладкостью зерен.
Постоянный | Гладкие сферы | Натуральные зерна: диаметры сит | Натуральное зерно: номинальный диаметр | Предел для сверхугловых зерен |
---|---|---|---|---|
18 | 18 | 20 | 24 | |
0,4 | 1.0 | 1.1 | 1.2 |
Выражение для скорости падения может быть упрощена так , что она может быть решена только с точки зрения D . Мы используем диаметры сита для натуральных зерен , и значения, указанные выше для и . Исходя из этих параметров, скорость падения определяется выражением:
Диаграмма Хьюлстрёма-Сундборга [ править ]
В 1935 году Филип Хьюлстрем создал кривую Хьюлстрома , график, который показывает взаимосвязь между размером осадка и скоростью, необходимой для его размывания (подъема), транспортировки или осаждения. [19] График логарифмический .
Оке Сундборг позже изменил кривую Хьюлстрёма, чтобы показать отдельные кривые для порога движения, соответствующего нескольким глубинам воды, что необходимо, если для силы потока используется скорость потока, а не граничное напряжение сдвига (как на диаграмме Шилдса). [20]
В настоящее время эта кривая представляет собой не более чем историческую ценность, хотя ее простота по-прежнему привлекательна. К недостаткам этой кривой можно отнести то, что она не принимает во внимание глубину воды и, что более важно, не показывает, что осаждение вызвано замедлением скорости потока, а эрозия вызвана ускорением потока . Безразмерная диаграмма Шилдса теперь единодушно принята для инициирования движения наносов в реках.
Скорость транспортировки [ править ]
Формулы для расчета скорости переноса наносов существуют для отложений, движущихся в нескольких различных частях потока. Эти формулы часто разделены на кровать нагрузку , подвешенный груз и промывной нагрузку . Иногда их также можно разделить на загрузку постельного белья и загрузку стирки.
Постельное белье [ править ]
Нагрузка слоя перемещается путем качения, скольжения и прыжков (или скачков ) по слою и движется с небольшой долей скорости потока жидкости. Обычно считается, что нагрузка на пласт составляет 5-10% от общей нагрузки наносов в потоке, что делает ее менее важной с точки зрения баланса массы. Однако нагрузка на русло ( нагрузка на русло плюс часть подвешенной нагрузки, которая включает материал, полученный из русла) часто преобладает над нагрузкой на русло, особенно в реках с гравийным руслом. Эта нагрузка материала слоя является единственной частью нагрузки наносов, которая активно взаимодействует со слоем. Поскольку нагрузка на пласт является важным компонентом этого процесса, она играет важную роль в контроле морфологии канала.
Скорость переноса нагрузки на кровать обычно выражается как относящаяся к избыточному безразмерному напряжению сдвига, доведенному до некоторой степени. Избыточное безразмерное напряжение сдвига является безразмерной мерой напряжения сдвига в постели относительно порога движения.
- ,
Скорость переноса нагрузки на кровать также может быть задана отношением напряжения сдвига в постели к критическому напряжению сдвига, которое эквивалентно как в размерном, так и в безразмерном случаях. Это соотношение называется «стадией транспортировки» и является важным, поскольку оно показывает напряжение сдвига в слое как кратное значению критерия начала движения.
При использовании в формулах переноса наносов это соотношение обычно увеличивается до степени.
Большинство опубликованных соотношений для переноса донной нагрузки даны в виде веса сухого осадка на единицу ширины канала (« ширины »):
- .
Из-за сложности оценки скорости переноса нагрузки на слой эти уравнения обычно подходят только для ситуаций, для которых они были разработаны.
Известные формулы переноса нагрузки на кровать [ править ]
Мейер-Петер Мюллер и производные [ править ]
Транспортная формула Мейера-Петера и Мюллера, первоначально разработанная в 1948 году [21], была разработана для хорошо отсортированного мелкого гравия на стадии транспортировки около 8. [15] В формуле используется приведенное выше обезразмеривание напряжения сдвига, [15]
- ,
и обезразмеривание Ганса Эйнштейна для объемного расхода наносов на единицу ширины [15]
- .
Их формула гласит:
- . [15]
Их экспериментально определенное значение для составляет 0,047, и это третье часто используемое значение для этого (в дополнение к 0,03 Паркера и 0,06 Шилдса).
Из-за его широкого использования в течение многих лет в формулу вносились некоторые изменения, которые показывают, что коэффициент слева («8» выше) является функцией стадии транспортировки: [15] [22] [23] [24 ] ]
- [22]
- [23] [24]
Позже изменения коэффициента были обобщены как функция безразмерного напряжения сдвига: [15] [25]
- [25]
Уилкок и Кроу [ править ]
В 2003 году Питер Уилкок и Джоанна Кроу (ныне Джоанна Карран) опубликовали формулу переноса наносов, которая работает с различными размерами зерен в диапазоне песка и гравия. [26] Их формула работает с распределением поверхностных зерен по размеру, в отличие от более старых моделей, которые используют подповерхностные распределения зерен по размерам (и тем самым неявно делают вывод о сортировке поверхностных зерен ).
Их выражение сложнее, чем основные правила переноса наносов (например, правила Мейера-Петера и Мюллера), поскольку они учитывают несколько размеров зерен: это требует учета эталонных напряжений сдвига для каждого размера зерен, доли от общего количества отложений. который попадает в каждый класс размера зерна, и "функция сокрытия".
«Функция укрытия» учитывает тот факт, что, хотя мелкие зерна по своей природе более подвижны, чем крупные, на слое со смешанным размером зерна они могут быть захвачены в глубокие карманы между крупными зернами. Точно так же крупное зерно на слое мелких частиц застревает в гораздо меньшем кармане, чем если бы оно находилось на слое зерен того же размера. В реках с гравийным дном это может вызвать «равную подвижность», при которой мелкие зерна могут двигаться так же легко, как и крупные. [27] По мере того, как песок добавляется в систему, он перемещается от части «равной подвижности» функции укрытия к той, в которой размер зерна снова имеет значение. [26]
Их модель основана на стадии транспортировки или соотношении напряжения сдвига в слое и критического напряжения сдвига для инициирования движения зерна. Поскольку их формула работает с несколькими размерами зерен одновременно, они определяют критическое напряжение сдвига для каждого класса размера зерна, , чтобы быть равным «опорным напряжением сдвига», . [26]
Они выражают свои уравнения в терминах безразмерного транспортного параметра (где " " указывает на безразмерность, а " " указывает на то, что это функция размера зерна):
- скорость переноса объемной загрузки слоя размерного класса на единицу ширины канала . - это пропорция размерного класса , присутствующая на кровати.
Они пришли к двум уравнениям в зависимости от стадии транспортировки . Для :
и для :
- .
Это уравнение асимптотически достигает постоянного значения, когда становится большим.
Уилкок и Кенуорти [ править ]
В 2002 году Питер Уилкок и Кенуорти ТА, вслед за Питером Уилкоком (1998), [28] опубликовали формулу переноса нагрузки от донных отложений, которая работает только с двумя фракциями отложений, то есть фракциями песка и гравия. [29] Питер Уилкок и Кенуорти Т.А. в своей статье признали, что модель переноса нагрузки наносов разного размера, использующая только две фракции, дает практические преимущества с точки зрения как вычислительного, так и концептуального моделирования, принимая во внимание нелинейные эффекты присутствия песка в гравии. кровати по скорости переноса обеих фракций. Фактически, в формуле загрузки двухфракционного слоя появляется новый ингредиент по сравнению с ингредиентом Мейера-Петера и Мюллера, который представляет собой долю фракциина поверхности пласта, где нижний индекс обозначает фракцию песка (ов) или гравия (г). Пропорция , как функция от содержания песка , физически представляет относительное влияние механизмов, контролирующих перенос песка и гравия, связанное с переходом от гравийного слоя, поддерживаемого обломками, к гравийному слою, поддерживаемому матрицей. Более того, поскольку интервал между 0 и 1, явления, которые меняются в зависимостивключают эффекты относительного размера, приводящие к «сокрытию» мелких зерен и «обнажению» крупных зерен. Эффект «сокрытия» учитывает тот факт, что, хотя мелкие зерна по своей природе более подвижны, чем крупные, в слое со смешанным размером зерен они могут быть захвачены в глубокие карманы между крупными зернами. Точно так же крупное зерно на слое мелких частиц застрянет в гораздо меньшем кармане, чем если бы оно было на слое зерен того же размера, к которому относится формула Мейера-Петера и Мюллера. В реках с гравийным дном это может вызвать «равную подвижность», в которой мелкие зерна могут перемещаться так же легко, как и большие. [27] По мере того, как песок добавляется в систему, он уходит от «равной подвижности». часть скрывающей функции до той, в которой размер зерна снова имеет значение. [29]
Их модель основана на стадии транспортировки, т. Е. На отношении напряжения сдвига в слое к критическому напряжению сдвига для инициирования движения зерна. Поскольку их формула работает только с двумя фракциями одновременно, они определяют критическое напряжение сдвига для каждого из двух классов крупности , где представляет фракцию песка (ов) или гравия (г). Критическое напряжение сдвига, которое представляет собой зарождающееся движение для каждой из двух фракций, согласуется с установленными значениями в пределах чистых песчано-гравийных пластов и демонстрирует резкое изменение с увеличением содержания песка при переходе от пласта, опирающегося на обломки, к пласту с опорой на матрицу. . [29]
Они выражают свои уравнения в терминах безразмерного транспортного параметра (« » означает безразмерность, а «» '' означает, что это функция от размера зерна):
- скорость переноса объемной загрузки слоя размерного класса на единицу ширины канала . - это пропорция размерного класса , присутствующая на кровати.
Они пришли к двум уравнениям в зависимости от стадии транспортировки . Для :
и для :
- .
Это уравнение асимптотически достигает постоянного значения as становится большим, а символы имеют следующие значения:
Чтобы применить вышеуказанную формулировку, необходимо указать характерные размеры зерен для песчаной части и для гравийной части поверхностного слоя, фракций и песка и гравия, соответственно в поверхностном слое, удельный вес в погруженном состоянии осадок R и скорость сдвига, связанная с поверхностным трением .
Kuhnle et al. [ редактировать ]
Для случая, когда песчаная фракция переносится течением над неподвижным гравийным слоем и через него, Kuhnle et al. (2013), [30] после теоретического анализа, проведенного Pellachini (2011), [31], предоставляет новое соотношение для переноса нагрузки на пласт песчаной фракции, когда частицы гравия остаются в покое. Следует отметить, что Kuhnle et al. (2013) [30] применили формулу Уилкока и Кенуорти (2002) [29] к своим экспериментальным данным и обнаружили, что прогнозируемые уровни нагрузки на пласт песчаной фракции были примерно в 10 раз больше, чем измеренные, и приближались к 1, когда высота песка приближалась к верх гравийного слоя. [30]Они также выдвинули гипотезу о том, что несоответствие между прогнозируемыми и измеренными скоростями нагрузки песчаного пласта связано с тем, что напряжение сдвига в пласте, используемое для формулы Уилкока и Кенворти (2002) [29], было больше, чем доступное для транспортировки внутри гравийного пласта. из-за укрывающего эффекта частиц гравия. [30] Чтобы преодолеть это несоответствие, после Pellachini (2011), [31] они предположили, что изменчивость напряжения сдвига в пласте, доступного для песка, переносимого течением, будет некоторой функцией так называемой «функции геометрии шероховатости». "(RGF), [32], который представляет собой распределение отметок гравийного пласта. Следовательно, формула нагрузки песчаного пласта выглядит следующим образом: [30]
где
нижний индекс относится к фракции песка, s представляет собой отношение, где - плотность фракции песка, - RGF как функция уровня песка в гравийном слое, - напряжение сдвига в слое, доступное для транспортировки песка, и является критическим напряжением сдвига для начальное движение песчаной фракции, которое было рассчитано графически с использованием обновленного соотношения типа Шилдса Миллера и др. (1977). [33]
Подвешенная нагрузка [ править ]
Подвешенный груз переносится в нижней и средней частях потока и движется со значительной долей средней скорости потока в потоке.
Общая характеристика концентрации взвешенных отложений в потоке дается профилем Рауза. Эта характеристика работает для ситуации, в которой может быть количественно определена концентрация отложений на одной конкретной отметке над слоем . Это выражается выражением:
Здесь - высота над слоем, - концентрация взвешенных отложений на этой высоте, - глубина потока, - это число Роуза, и оно связывает вихревую вязкость для количества движения с коэффициентом диффузии вихрей для отложений, который приблизительно равен единице. [34]
Экспериментальные работы показали, что для песков и илов он составляет от 0,93 до 1,10. [35]
Профиль Рауза характеризует концентрацию осадка, поскольку число Рауза включает как турбулентное перемешивание, так и осаждение под весом частиц. Турбулентное перемешивание приводит к чистому движению частиц из областей высоких концентраций в области низких концентраций. Поскольку частицы оседают вниз, во всех случаях, когда частицы не обладают нейтральной плавучестью или достаточно легкими, чтобы этой скоростью осаждения можно было пренебречь, существует чистый отрицательный градиент концентрации по мере продвижения вверх по потоку. Таким образом, профиль Рауза дает профиль концентрации, который обеспечивает баланс между турбулентным перемешиванием (чистым направлением вверх) осадка и скоростью осаждения каждой частицы вниз.
Загрузка материала кровати [ править ]
Нагрузка материала слоя состоит из нагрузки слоя и части подвешенной нагрузки, исходящей от слоя.
Три общих отношения переноса материала слоя - это формулы «Аккерса- Уайта», [36], «Энгелунда-Хансена» и «Янга». Первый предназначен для песка и гравия размером с гранулы , а второй и третий - для песка [37], хотя позже Ян расширил свою формулу, включив в нее мелкий гравий. Все эти формулы охватывают диапазон размеров песка, а две из них предназначены исключительно для песка, заключается в том, что отложения в реках с песчаным дном обычно перемещаются одновременно как русло и взвешенная нагрузка.
Энгелунд-Хансен [ править ]
Формула нагрузки материала слоя Энгелунда и Хансена - единственная, которая не включает какое-то критическое значение для инициирования переноса наносов. Он гласит:
где - обезразмеривание Эйнштейна для объемного расхода наносов на единицу ширины, - коэффициент трения, - напряжение Шилдса. Формула Энгелунда-Хансена - одна из немногих формул переноса наносов, в которой отсутствует пороговое «критическое напряжение сдвига».
Стирка загрузки [ править ]
Промывочная нагрузка переносится внутри водяного столба как часть потока и, следовательно, движется со средней скоростью основного потока. Концентрации промывочной нагрузки в толще воды примерно одинаковы. Это описывается случаем концевого элемента, в котором число Рауза равно 0 (т.е. скорость оседания намного меньше скорости турбулентного перемешивания), что приводит к предсказанию идеально однородного вертикального профиля концентрации материала.
Общая нагрузка [ править ]
Некоторые авторы пытались определить общую нагрузку наносов, переносимых водой. [38] [39] Эти формулы разработаны в основном для песка, поскольку (в зависимости от условий потока) песок часто может переноситься как нагрузкой на дно, так и в качестве подвешенной нагрузки в одном ручье или на берегу.
Снижение нагрузки на слой наносов на водозаборных сооружениях [ править ]
Прибрежные водозаборные сооружения, используемые для водоснабжения , отвода каналов и водяного охлаждения, могут подвергаться уносу донных отложений (размером с песок). Эти унесенные отложения вызывают множество вредных эффектов, таких как уменьшение или блокирование всасывающей способности, повреждение или вибрация рабочего колеса насоса питательной воды , а также приводят к отложению отложений в нижних по потоку трубопроводах и каналах. Структуры, которые изменяют локальные вторичные токи в ближней зоне, полезны для смягчения этих эффектов и ограничения или предотвращения проникновения отложений, нагружающих слой. [40]
См. Также [ править ]
- Седиментология - изучение природных отложений и процессов, в результате которых они образуются.
- Уравнение Экснера
- Гидрология - наука о движении, распределении и качестве воды на Земле и других планетах.
- Пропускная способность
Ссылки [ править ]
- Перейти ↑ Anderson, R (1990). «Эоловые волны как примеры самоорганизации в геоморфологических системах». Обзоры наук о Земле . 29 (1–4): 77. doi : 10.1016 / 0012-8252 (0) 90029-U .
- ^ Кочурек, Гэри; Юинг, Райан С. (2005). «Самоорганизация поля эоловых дюн - значение для формирования простых и сложных моделей поля дюн». Геоморфология . 72 (1–4): 94. Bibcode : 2005Geomo..72 ... 94K . DOI : 10.1016 / j.geomorph.2005.05.005 .
- ^ Гуди, А; Миддлтон, Нью-Джерси (2001). «Сахарные пыльные бури: природа и последствия». Обзоры наук о Земле . 56 (1–4): 179. Bibcode : 2001ESRv ... 56..179G . DOI : 10.1016 / S0012-8252 (01) 00067-8 .
- ^ http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=6458
- ^ Эштон, Эндрю; Мюррей, А. Брэд; Арно, Оливье (2001). «Формирование особенностей береговой линии в результате крупномасштабных неустойчивостей, вызванных волнами под большим углом». Природа . 414 (6861): 296–300. Bibcode : 2001Natur.414..296A . DOI : 10.1038 / 35104541 . PMID 11713526 . S2CID 205023325 .
- ^ Реринг, Джошуа Дж .; Киршнер, Джеймс У .; Дитрих, Уильям Э. (1999). «Доказательства нелинейного диффузионного переноса наносов на склонах холмов и их влияние на морфологию ландшафта» . Исследование водных ресурсов . 35 (3): 853. Bibcode : 1999WRR .... 35..853R . DOI : 10.1029 / 1998WR900090 .
- ^ Грант, Дж .; Уокер, TR; Hill, PS; Линтерн, Д.Г. (2013). «ЗВЕРЬ-Портативный прибор для количественной оценки эрозии в кернах неповрежденных отложений». Методы океанографии . 5 : 39–55. DOI : 10.1016 / j.mio.2013.03.001 .
- ^ Шилдс, А. (1936) Anwendung der Ähnlichkeitsmechanik und der Turbulenzforschung auf die Geschiebebewegung; In Mitteilungen der Preussischen Versuchsanstalt für Wasserbau und Schiffbau, Heft 26 ( онлайн ; PDF; 3,8 МБ)
- ^ Шармин, Сания; Уилльгус, Гарри Р. (2006). «Взаимодействие между броней и выветриванием частиц для размывающих ландшафтов». Процессы земной поверхности и формы рельефа . 31 (10): 1195–1210. Bibcode : 2006ESPL ... 31.1195S . DOI : 10.1002 / esp.1397 .
- ^ Уокер, TR; Грант, Дж. (2009). «Количественная оценка скорости эрозии и стабильности донных отложений на участках аквакультуры мидий на острове Принца Эдуарда, Канада». Журнал морских систем . 75 (1–2): 46–55. Bibcode : 2009JMS .... 75 ... 46 Вт . DOI : 10.1016 / j.jmarsys.2008.07.009 .
- ^ Дей С. (1999) Порог отложений. Прикладное математическое моделирование , Elsevier, Vol. 23, № 5, 399-417.
- ^ а б Хьюберт Шансон (2004). Гидравлика потока в открытом канале: Введение . Баттерворт-Хайнеманн, 2-е издание, Оксфорд, Великобритания, 630 страниц. ISBN 978-0-7506-5978-9.
- ^ Уиппл, Келин (2004). «Гидравлическая шероховатость» (PDF) . 12.163: Поверхностные процессы и эволюция ландшафта . MIT OCW . Проверено 27 марта 2009 .
- ^ a b Паркер, G (1990). «Зависимость переноса грунтовых вод от поверхности гравийных рек». Журнал гидравлических исследований . 28 (4): 417–436. DOI : 10.1080 / 00221689009499058 .
- ^ a b c d e f g h Уиппл, Келин (сентябрь 2004 г.). «IV. Основы транспорта осадка» (PDF) . 12.163 / 12.463 Поверхностные процессы и эволюция ландшафта: Примечания к курсу . MIT OpenCourseWare . Проверено 11 октября 2009 .
- ^ Мур, Эндрю. «Лекция 20 - Некоторые свободные концы» (PDF) . Конспект лекции: Речной перенос наносов . Кент Стэйт . Проверено 23 декабря 2009 года .
- ^ Дитрих, WE (1982). «Скорость оседания природных частиц» (PDF) . Исследование водных ресурсов . 18 (6): 1615–1626. Bibcode : 1982WRR .... 18.1615D . DOI : 10.1029 / WR018i006p01615 .
- ^ Фергюсон, Род-Айленд; Чёрч, М. (2006). «Простое универсальное уравнение скорости оседания зерна». Журнал осадочных исследований . 74 (6): 933–937. DOI : 10.1306 / 051204740933 .
- ^ Длинный профиль - изменение процессов: видов эрозии, переноса и осаждения, видов нагрузки; кривая Хьюлстрома . coolgeography.co.uk. Последний доступ 26 декабря 2011 г.
- ^ Специальные темы: Введение в движения жидкости, перенос отложений и создаваемые током осадочные структуры; Как учил в: Fall 2006 . Массачусетский технологический институт . 2006. Последний доступ 26 декабря 2011 г.
- ^ Мейер-Питер, E; Мюллер, Р. (1948). Формулы для перевозки грунтовых грузов . Труды 2-го заседания Международной ассоциации исследований гидротехнических сооружений. С. 39–64.
- ^ a b Фернандес-Луке, Р. ван Бик, Р. (1976). «Эрозия и перенос донных отложений». Jour. Hyd. Исследования . 14 (2).
- ^ а б Ченг, Нянь-Шэн (2002). «Экспоненциальная формула для переноса загрузки». Журнал гидротехники . 128 (10): 942. DOI : 10.1061 / (ASCE) 0733-9429 (2002) 128: 10 (942) .
- ^ a b Уилсон, KC (1966). «Транспортировка постельного белья при высоком напряжении сдвига». J. Hydraul. Div . ASCE. 92 (6): 49–59.
- ^ a b Wiberg, Patricia L .; Дунган Смит, Дж. (1989). «Модель для расчета переноса донной нагрузки наносов». Журнал гидротехники . 115 : 101. DOI : 10.1061 / (ASCE) 0733-9429 (1989) 115: 1 (101) .
- ^ a b c Уилкок, Питер Р .; Кроу, Джоанна С. (2003). «Модель поверхностного переноса для осадка разного размера». Журнал гидротехники . 129 (2): 120. DOI : 10.1061 / (ASCE) 0733-9429 (2003) 129: 2 (120) .
- ^ a b Паркер, G .; Клингеман, ПК; Маклин, Д.Г. (1982). «Засыпка и распределение по размерам в руслах с мощеным гравием» . Журнал отдела гидравлики . ASCE . 108 (4): 544–571.
- ^ Уилкок, PR (1998). «Двухфракционная модель начального движения наносов в гравийных реках». Наука . 280 (5362): 410–412. Bibcode : 1998Sci ... 280..410W . DOI : 10.1126 / science.280.5362.410 . PMID 9545213 .
- ^ a b c d e Wilcock, Peter R .; Кенуорти, Т. (2002). «Двухфракционная модель для транспортировки песчано-гравийных смесей» . Водный ресурс. Res . 38 (10): 1194. Bibcode : 2002WRR .... 38.1194W . DOI : 10.1029 / 2001WR000684 .
- ^ а б в г д Кунле, РА; Wren, DG; Langendoen, EJ; Ригби, младший (2013). «Перенос песка по неподвижному гравийному основанию» . Журнал гидротехники . 139 (2): 167–176. DOI : 10.1061 / (ASCE) HY.1943-7900.0000615 .
- ^ a b Пеллачини, Коррадо (2011). Моделирование переноса мелкодисперсных отложений по неподвижному слою гравия . Тренто: Unitn-eprints.
- ^ Никора, V; Геринг, Д; МакЭван, я; Гриффитс, Г. (2001). «Пространственно усредненное течение в открытом канале над грубым дном». J. Hydraul. Англ . 127 (2): 123–133. DOI : 10.1061 / (ASCE) 0733-9429 (2001) 127: 2 (123) .
- ^ Миллер, MC; Маккейв, Индиана; Комар, П.Д. (1977). «Порог движения наносов при однонаправленных токах». Седиментология . 24 (4): 507–527. Bibcode : 1977Sedim..24..507M . DOI : 10.1111 / j.1365-3091.1977.tb00136.x .
- ↑ Харрис, Кортни К. (18 марта 2003 г.). «Лекция 9: Транспорт взвешенных отложений II» (PDF) . Процессы переноса наносов в прибрежных средах . Институт морских наук Вирджинии . Архивировано из оригинального (PDF) 28 мая 2010 года . Проверено 23 декабря 2009 года .
- ^ Мур, Эндрю. «Лекция 21 - Транспорт взвешенных отложений» (PDF) . Конспект лекции: Речной перенос наносов . Кент Стэйт . Проверено 25 декабря 2009 года .
- ^ Ackers, P .; Уайт, WR (1973). «Транспортировка наносов: новый подход и анализ» . Журнал отдела гидравлики . ASCE . 99 (11): 2041–2060.
- ^ Ариффин, Дж .; А.А. Гани; Н.А. Закайра; А. Х. Яхья (14–16 октября 2002 г.). «Оценка уравнений общей нагрузки материала пласта» (PDF) . Международная конференция по городской гидрологии 21 века . Куала-Лумпур .
- Перейти ↑ Yang, C (1979). «Уравнения мощности единичного потока для полной нагрузки». Журнал гидрологии . 40 (1-2): 123. Bibcode : 1979JHyd ... 40..123Y . DOI : 10.1016 / 0022-1694 (79) 90092-1 .
- ^ Bailard, Джеймс А. (1981). "Энергетическая модель переноса наносов полной нагрузки для плоского наклонного пляжа". Журнал геофизических исследований . 86 (C11): 10938. Bibcode : 1981JGR .... 8610938B . DOI : 10.1029 / JC086iC11p10938 .
- ^ Натато, Т .; Огден, Флорида (1998). «Борьба с наносами на водозаборах вдоль русловых рек». ASCE J. Гидротехника . 126 (6): 589–596. DOI : 10.1061 / (ASCE) 0733-9429 (1998) 124: 6 (589) .
Внешние ссылки [ править ]
- Лю З. (2001), Транспортировка наносов .
- Мур, А. Конспект лекций по флювиальному переносу наносов , штат Кент.
- Уилкок, П. Семинар по переносу отложений , 26–28 января 2004 г., Калифорнийский университет в Беркли.
- Саутхард, Дж. Б. (2007), Транспорт наносов и осадочные структуры
- Линвуд, Дж. Г. Концентрация и разгрузка взвешенных отложений в реке Западного Лондона.