[科普中国]-侵蚀一改造水流效应

流体的基本搬运方式

从物理学上来看，有两种最基本的物质搬运类型（或搬运方式），即悬浮载荷（悬移质）和床沙载荷（推移质），相对应的有两种搬运形式，悬浮搬运和推移搬运

1）悬浮搬运（Suspension transport）

空气或水流把细粒沉积物弥散开来（如粉砂、粘土级颗粒以及不同比例的砂级颗粒），并使其在流动的内部呈悬浮状进行搬运。最基本的驱动力就是紊流，它可以把颗粒上举起来，使之悬浮于流动内部而进行搬运。

2）推移质搬运（Traction transport）

在沉积学中称之为牵引搬运（Traction），这一术语乃是沉积物以床沙载荷（推移质）形式运移的所有作用过程的集合名词，牵引作用是颗粒惯性的产物。

主要以床沙载荷（推移质）方式进行搬运的流体称为牵引流，它们通常密度和粘度均小，与之相对应的是密度流（重力流、块状流），则是一种密度和粘度均大的，在重力作用下呈块状整体的流动，是以悬浮载荷方式进行搬运。

综上所述，在牵引流和沉积重力流中，碎屑物的搬运具有不同的方式，这是由于其形成的机理存在着明显的差异。牵引流的搬运力表现在两方面：

一是流体作用于碎屑颗粒上的推力（即牵引力），所谓推力是以它能移动沉积物颗粒大小的数值来衡量的，推力决定于流体流速，推力越大，流水能搬运的碎屑颗粒就越大；

二是载荷力（或称负荷力），负荷力则是指流水所能搬运的沉积物总负荷量的数值，其大小决定于流体流量，流量越大，负荷力越大，则流水能搬运的沉积物数量越多。牵引流搬运颗粒的动力主要是推力，搬运方式包括溶解负载、悬移负载、推移负载或床沙负载。沉积物重力流是由大小不一的碎屑物质与流体形成的高密度混合体，相对密度可达1.5～2.0，主要以悬移方式搬运。沉积重力流的驱动力主要起因于陡坡条件下重力大于剪切力时的重力加速度，所以当坡度变缓、流速降低时，会发生骤然卸载，形成各种类型的重力流沉积物。1

尤斯特龙效应（Hjulström effect）要想侵蚀比细砂更细的粘性沉积物，水流得有能够搬运卵石的速度才行。细粒沉积物抗侵蚀的这种能力称为尤斯特龙效应。

侵蚀、搬运和沉积三者之间关系用尤斯特龙图解（Hjulström's diagram）表示（右图），说明颗粒大小与水流速度有着密切的关系，二者的相互关系决定着流体对沉积物和床底的方式，即侵蚀、搬运及沉积。1

粘性底质上的流痕侵蚀－改造水流在粘性沉积物底质上所形成的各种痕迹统称为流痕（Current marks）。包括冲刷痕（Scour marks）和压刻痕（Tool marks）。水流往往带来砂级沉积物覆盖在这些痕迹之上，在粘性底质上生成的这种痕迹就称为底痕（Sole marks）。1

床沙底形与流态1）床沙底形系列

沉积物被搬运和沉积时沿底面非粘性沉积物与流体之间造成的几何形态称之为床沙形体（Bedformor Bed Configuration，简称底形）。它的大小和形状、类型，取决于流动深度、动力强度、平均流速、流动粘度、液体密度、沉积颗粒大小、沉积物密度和重力加速度。其中最重要的是流动深度、流动强度、平均流速和颗粒大小。

侵蚀－改造水流流过非粘性颗粒组成的底床时，随着流速的增加，产生从较粗沉积物中平行于水流的线性条纹直到各种底形的有规律系列。

①小型沙纹（Ripples）：这是一种小型底形，当清水以20cm/s左右的速度流动，并施剪切力于细

砂上方时，这种沙纹的波长为10～30cm，波高0.6～30cm；所有的沙纹都缓慢地向下游方向迁移。在粒度中值大于0.6mm（d50=1.25Φ）的沉积物中未发现过，主要形成于中细砂以下的粒径。

②沙浪或沙波（Sand Waves）：有两种形成方式：当流速为50cm/s时，由沙纹沉积物变来；当沉积物粒度粗于0.6mm时，由平坦床沙（Plane bed）沉积物变成。

通常沙浪有四种类型（右表）；其中A，B，C型沙浪的特点是产顺剪切波接近休止角（30°）。A型和B型沙波能在浅水流（深度0.84（接近于1）时，出现和水面波同相位的圆滑沉积物波（右图）。在这些同相位波中，沉积物顺流运移，但波形可以保持不动，也可向下游或向上游方向迁移。G．K．Gilbert称向上游方向迁移的沉积波为“逆行沙丘”（Antidunes）。

图（a）若水流越过波谷时的深度总是大于逆行沙丘脊的高度，则形成驻波型逆行沙丘。在逆行沙丘向流面上，水面上涌，但不发生破浪。

图（b）若波谷中的水深小于逆行沙丘的高度，水波破碎，向上游方向反撞；水波越过逆行沙丘破碎带时产生猛烈的湍动（据Simons，Rechardson和Nordin，Jr.，1965；Harms和Fahnestock，1965）。

2）流态或称流动体制（Flow regime）

由于在水槽实验中观察到流水与非粘性颗粒的牵引搬运负载之间存在着一定的规律，因而人们提出了流态的概念。所谓流态是指：“水流、水与沉积物的界面形状、沉积物的搬运方式、水流中能量消散过程以及水面形态和水一沉积物界面之间的相位关系总和”。通常有低流态与高流态之分，其间有一个过渡流态。

①低流态（Lower flow regime）：水和沉积物的界面处可以发育有：只有小型沙纹，沙纹与沙浪，沙浪和沙垅，或仅有沙浪。沉积物的搬运作用或能力较小，而且断续进行（右图）。搬运作用先是靠牵引毯状层在沙纹或沙浪的向流面上向上运动，然后，靠颗粒在这些底形坡陡的背流面上发生重力塌落而形成。在沙浪的波谷中，在迁移方向与主流方向相反的回流沙纹上能够发生某些反向搬运。某种程度上讲，水流能量可以被沉积物颗粒的糙度和惯性阻力所消耗，但主要还是被沙纹和沙浪的形态阻力以及水流分离部位的回流旋涡所消耗。因而，沉积物沿流动方向具有一定的分选性，留在底形上的沉积物比冲到下游去的要粗。

②过渡阶段：其特征底形是D形沙浪或沙波。沉积物趋于连续运动，但在D型沙浪的低倾角交错层内确实还有堆积；而沉积物不会沿D型沙波的背流坡坍落下来。水流中的能量被惯性阻力和运动颗粒的糙度所耗散。水流不再分离，水面：往往变平，并且与低而长的床沙形体无关。

③高流态（Upper flow regime）：水和沉积物的界面是平面或各种瞬息变化的起伏面，沉积物大量而不断地被搬运着，卵石大约以平均水流速度一半的速度向下游运移。水流中的能量被颗粒的糙度和惯性阻力，逆行沙丘波的破碎以及沉积物波形的产生与消失所耗散；水面的起伏与被隆起的沉积物底形同相位。没有顺流分选，流到下游去的沉积物和组成底床的沉积物具有同样的粒度分布（右图）。

侵蚀一改造水流有选择地搬运其底床物质。分选机理和分选程度随流速变化而变化。因此，沉积物在顺水流方向上有规律地分选开来，其最终产物按主要作用、颗粒粒度以及它们在底床物质中的丰

沉积物的选择搬运侵蚀一改造水流有选择地搬运底床上的沉积物。分选机理和分选程度随流速变化而变化。因此，沉积物在顺水流方向上有规律地分选开来。其最终产物按主要作用、颗粒粒度以及它们在底床物质中的丰度而定。1