侵蝕一改造水流效應

侵蝕－改造水流效應是指能夠侵蝕或改造底床物質的水流。它有4個方面的意義，分別是尤斯特龍效應、粘性底質上的流痕 、床沙底形與流態、沉積物的選擇搬運。

基本介紹

• 中文名：侵蝕一改造水流效應
• 外文名：Erosion effect
• 學科：沉積學
• 釋義：能夠侵蝕或改造底床物質的水流
• 搬運方式：懸浮搬運、推移質搬運
• 意義：尤斯特龍效應、粘性底質上的流痕

流體的基本搬運方式

從物理學上來看，有兩種最基本的物質搬運類型（或搬運方式），即懸浮載荷（懸移質）和床沙載荷（推移質），相對應的有兩種搬運形式，懸浮搬運和推移搬運

1）懸浮搬運（Suspension transport）

空氣或水流把細粒沉積物彌散開來（如粉砂、粘土級顆粒以及不同比例的砂級顆粒），並使其在流動的內部呈懸浮狀進行搬運。最基本的驅動力就是紊流，它可以把顆粒上舉起來，使之懸浮於流動內部而進行搬運。

2）推移質搬運（Traction transport）

在沉積學中稱之為牽引搬運（Traction），這一術語乃是沉積物以床沙載荷（推移質）形式運移的所有作用過程的集合名詞，牽引作用是顆粒慣性的產物。

主要以床沙載荷（推移質）方式進行搬運的流體稱為牽引流，它們通常密度和粘度均小，與之相對應的是密度流（重力流、塊狀流），則是一種密度和粘度均大的，在重力作用下呈塊狀整體的流動，是以懸浮載荷方式進行搬運。

綜上所述，在牽引流和沉積重力流中，碎屑物的搬運具有不同的方式，這是由於其形成的機理存在著明顯的差異。牽引流的搬運力表現在兩方面：

一是流體作用於碎屑顆粒上的推力（即牽引力），所謂推力是以它能移動沉積物顆粒大小的數值來衡量的，推力決定於流體流速，推力越大，流水能搬運的碎屑顆粒就越大；

二是載荷力（或稱負荷力），負荷力則是指流水所能搬運的沉積物總負荷量的數值，其大小決定於流體流量，流量越大，負荷力越大，則流水能搬運的沉積物數量越多。牽引流搬運顆粒的動力主要是推力，搬運方式包括溶解負載、懸移負載、推移負載或床沙負載。沉積物重力流是由大小不一的碎屑物質與流體形成的高密度混合體，相對密度可達1.5～2.0，主要以懸移方式搬運。沉積重力流的驅動力主要起因於陡坡條件下重力大於剪下力時的重力加速度，所以當坡度變緩、流速降低時，會發生驟然卸載，形成各種類型的重力流沉積物。

尤斯特龍效應（Hjulström effect）

要想侵蝕比細砂更細的粘性沉積物，水流得有能夠搬運卵石的速度才行。細粒沉積物抗侵蝕的這種能力稱為尤斯特龍效應。

侵蝕、搬運和沉積三者之間關係用尤斯特龍圖解（Hjulström's diagram）表示（右圖），說明顆粒大小與水流速度有著密切的關係，二者的相互關係決定著流體對沉積物和床底的方式，即侵蝕、搬運及沉積。

粘性底質上的流痕

侵蝕－改造水流在粘性沉積物底質上所形成的各種痕跡統稱為流痕（Current marks）。包括沖刷痕（Scour marks）和壓刻痕（Tool marks）。水流往往帶來砂級沉積物覆蓋在這些痕跡之上，在粘性底質上生成的這種痕跡就稱為底痕（Sole marks）。

床沙底形與流態

1）床沙底形系列

沉積物被搬運和沉積時沿底面非粘性沉積物與流體之間造成的幾何形態稱之為床沙形體（Bedformor Bed Configuration，簡稱底形）。它的大小和形狀、類型，取決於流動深度、動力強度、平均流速、流動粘度、液體密度、沉積顆粒大小、沉積物密度和重力加速度。其中最重要的是流動深度、流動強度、平均流速和顆粒大小。

侵蝕－改造水流流過非粘性顆粒組成的底床時，隨著流速的增加，產生從較粗沉積物中平行於水流的線性條紋直到各種底形的有規律系列。

①小型沙紋（Ripples）：這是一種小型底形，當清水以20cm/s左右的速度流動，並施剪下力於細

砂上方時，這種沙紋的波長為10～30cm，波高0.6～30cm；所有的沙紋都緩慢地向下遊方向遷移。在粒度中值大於0.6mm（d50=1.25Φ）的沉積物中未發現過，主要形成於中細砂以下的粒徑。

②沙浪或沙波（Sand Waves）：有兩種形成方式：當流速為50cm/s時，由沙紋沉積物變來；當沉積物粒度粗於0.6mm時，由平坦床沙（Plane bed）沉積物變成。

通常沙浪有四種類型（右表）；其中A，B，C型沙浪的特點是產順剪下波接近休止角（30°）。A型和B型沙波能在淺水流（深度<0.5m）中形成，而C型沙波較大（長15m以上，高12m），且不在淺於4.7m的水流中形成。水流在越過A，B，C型沙波的頂點之後會發生分離。

在沙波脊界點和下遊方向下一個沙波脊的界點之間有一個分離渦流帶。在分離渦流的底部，水流方向和主流相反，速度約為主流的三分之一到二分之一。若沉積是細砂且渦動回流的速度相當大，則回流也能形成交錯紋層傾向和主流相反的小型波紋（右圖）。

圖（a）沙浪從流面上的波紋向脊頂遷移，當砂順著陡的背流波塌落時，這些波紋就被破壞了。塌落面下游波谷中的波紋，逆水流方向遷移。這種回流波紋，被向下游遷移的沙浪坍塌面上落下來的砂粒所掩埋而得以保存。回流波紋的小型交錯層與沙浪的大型交錯層之結合是流水搬運細砂所特有的形態：它是由沙浪造成的水流分離作用形成的（據Boersma，1967）。

圖（b）水流在粗砂上形成沙浪時，在平行於水流方向的垂直平面中水和沉積物的示意剖面。在沙浪脊上面的水面下降；在沙浪脊之間的波谷上面，水面好像開了鍋似地上漲。像圖a中的那種小波紋不會在粗砂中形成（據Simons，Richardson和Nordin，Jr，1965）。

同時，大型沙波還使水面“波”第一組沙波的相位不同。當剪下速度較大時，出現D型沙波。它不與小型沙紋共生，向下游流動和水與D型沙浪的剖面上所有部分都保持連續的接觸；水流不發生分離現象（右圖）。

③平坦床沙（Plane bed or flat bed）：流速若再增大，“沖蝕”（Washed-out）的D型沙浪也消失了，沉積物—水的界面變為平坦的，沉積物不斷向下游快速流動，此時呈一系列平坦的席狀流動。

④同相位沉積物波（In—Phase sediment waves）：其特徵主要受限於福勞德數，當Fr>0.84（接近於1）時，出現和水面波同相位的圓滑沉積物波（右圖）。在這些同相位波中，沉積物順流運移，但波形可以保持不動，也可向下游或向上遊方向遷移。G．K．Gilbert稱向上遊方向遷移的沉積波為“逆行沙丘”（Antidunes）。

圖（a）若水流越過波谷時的深度總是大於逆行沙丘脊的高度，則形成駐波型逆行沙丘。在逆行沙丘向流面上，水面上涌，但不發生破浪。

圖（b）若波谷中的水深小於逆行沙丘的高度，水波破碎，向上遊方向反撞；水波越過逆行沙丘破碎帶時產生猛烈的湍動（據Simons，Rechardson和Nordin，Jr.，1965；Harms和Fahnestock，1965）。

2）流態或稱流動體制（Flow regime）

由於在水槽實驗中觀察到流水與非粘性顆粒的牽引搬運負載之間存在著一定的規律，因而人們提出了流態的概念。所謂流態是指：“水流、水與沉積物的界面形狀、沉積物的搬運方式、水流中能量消散過程以及水面形態和水一沉積物界面之間的相位關係總和”。通常有低流態與高流態之分，其間有一個過渡流態。

①低流態（Lower flow regime）：水和沉積物的界面處可以發育有：只有小型沙紋，沙紋與沙浪，沙浪和沙壠，或僅有沙浪。沉積物的搬運作用或能力較小，而且斷續進行（右圖）。搬運作用先是靠牽引毯狀層在沙紋或沙浪的向流面上向上運動，然後，靠顆粒在這些底形坡陡的背流面上發生重力塌落而形成。在沙浪的波谷中，在遷移方向與主流方向相反的回流沙紋上能夠發生某些反向搬運。某種程度上講，水流能量可以被沉積物顆粒的糙度和慣性阻力所消耗，但主要還是被沙紋和沙浪的形態阻力以及水流分離部位的回流旋渦所消耗。因而，沉積物沿流動方向具有一定的分選性，留在底形上的沉積物比衝到下游去的要粗。

②過渡階段：其特徵底形是D形沙浪或沙波。沉積物趨於連續運動，但在D型沙浪的低傾角交錯層內確實還有堆積；而沉積物不會沿D型沙波的背流坡坍落下來。水流中的能量被慣性阻力和運動顆粒的糙度所耗散。水流不再分離，水面：往往變平，並且與低而長的床沙形體無關。

③高流態（Upper flow regime）：水和沉積物的界面是平面或各種瞬息變化的起伏面，沉積物大量而不斷地被搬運著，卵石大約以平均水流速度一半的速度向下游運移。水流中的能量被顆粒的糙度和慣性阻力，逆行沙丘波的破碎以及沉積物波形的產生與消失所耗散；水面的起伏與被隆起的沉積物底形同相位。沒有順流分選，流到下游去的沉積物和組成底床的沉積物具有同樣的粒度分布（右圖）。

侵蝕一改造水流有選擇地搬運其底床物質。分選機理和分選程度隨流速變化而變化。因此，沉積物在順水流方向上有規律地分選開來，其最終產物按主要作用、顆粒粒度以及它們在底床物質中的豐

沉積物的選擇搬運

侵蝕一改造水流有選擇地搬運底床上的沉積物。分選機理和分選程度隨流速變化而變化。因此，沉積物在順水流方向上有規律地分選開來。其最終產物按主要作用、顆粒粒度以及它們在底床物質中的豐度而定。