Компетенция потока

В гидрологии компетентность потока, также известная как компетентность потока, является мерой максимального размера частиц, которые поток может переносить . ^{[ 1 ]} Частицы состоят из зерен от крупных до мелких и включают валуны , камни, гальку , песок , ил и глину . Эти частицы составляют донную нагрузку потока. Компетентность потока изначально была упрощена «законом шестой степени», который гласит, что масса частицы, которую можно перемещать, пропорциональна скорости реки , возведенной в шестую степень. Это относится к скорости русла реки, которую трудно измерить или оценить из-за множества факторов, вызывающих небольшие отклонения в скорости потока. ^{[ 2 ]}

Емкость потока , хотя и связана с его способностью через скорость, представляет собой общее количество наносов, которое поток может нести. Общее количество включает растворенные, взвешенные, сальтационные и пластовые нагрузки. ^{[ 3 ]}

Перемещение наносов называется переносом наносов . Инициирование движения включает в себя массу, силу, трение и напряжение. Гравитация и трение — две основные силы, действующие при движении воды по каналу . Гравитация действует на воду, смещая ее вниз по склону. Трение, оказываемое на воду дном и берегами канала, замедляет движение воды. Когда сила тяжести равна силе трения и противоположна ей, вода течет по каналу с постоянной скоростью. Когда сила тяжести превышает силу трения, вода ускоряется. ^{[ 4 ]}

Этот транспорт отложений сортирует зерна по размеру в зависимости от скорости. По мере увеличения компетентности потока D ₅₀ (средний размер зерен) потока также увеличивается и может использоваться для оценки величины потока, который мог бы начать перенос частиц. ^{[ 5 ]} Компетентность потока имеет тенденцию снижаться в направлении вниз по течению, ^{[ 6 ]} это означает, что D ₅₀ будет увеличиваться от устья к истоку ручья.

Важность скорости

Потоковая мощность

Мощность потока — это скорость потенциальных потерь энергии на единицу длины канала. ^{[ 7 ]} Эта потенциальная энергия теряется при движении частиц по руслу ручья.

$\Omega =\rho _{w}gQS$

где $\Omega$ мощность потока, $\rho _{w}$ плотность воды, $g$ - гравитационное ускорение , $S$ - наклон канала, а $Q$ это расход потока.

Выход ручья, $Q$ , – скорость потока, $U$ , умноженный на площадь поперечного сечения , $A_{\mathrm {CS} }$ , канала потока в этот момент:

$Q=UA_{\mathrm {CS} }$

в котором $Q$ это выход потока, $U$ - средняя скорость потока, а $A_{\mathrm {CS} }$ – площадь поперечного сечения потока.

По мере увеличения скорости увеличивается и мощность потока, а большая мощность потока соответствует повышенной способности перемещать частицы пластовой нагрузки.

Напряжение сдвига и критическое напряжение сдвига

Чтобы перенос наносов происходил в каналах с гравийным слоем, сила потока должна превышать критический порог, называемый критическим порогом уноса или порогом подвижности. Поток по поверхности русла и поймы создает граничное поле сдвиговых напряжений . По мере увеличения расхода напряжение сдвига превышает пороговое значение и запускает процесс переноса наносов. Сравнение силы потока, доступной во время данного сброса, с критической силой сдвига, необходимой для мобилизации отложений на дне канала, помогает нам предсказать, произойдет ли перенос наносов, и, в некоторой степени, размер отложений, который может произойти. двигаться. Хотя перенос наносов в естественных реках сильно различается, для прогнозирования переноса обычно используются относительно простые приближения, основанные на простых экспериментах с водотоками. ^{[ 8 ]} Другой способ оценить компетентность потока — использовать следующее уравнение для критического напряжения сдвига: $\tau _{c}$ которое представляет собой величину напряжения сдвига , необходимую для перемещения частицы определенного диаметра. ^{[ 9 ]}

$\tau _{c}=\tau _{c}^{\ast }(\rho _{s}-\rho _{w})gd_{50}$

где:

\tau _{c}^{\ast }=

Параметр Шилдса, безразмерная величина, которая описывает сопротивление русла ручья гравитационному ускорению, также описываемому как шероховатость или трение.

\rho _{s}=

Плотность частиц и

\rho _{s}-\rho _{w}

— эффективная плотность частицы при погружении в воду (принцип Архимеда). ^{[ 10 ]}

g=

Гравитационное ускорение.

d_{50}=

диаметр зерна, обычно измеряемый как d50, который представляет собой средний диаметр частиц при отборе проб диаметров частиц в разрезе ручья.

Касательное напряжение потока представлено следующим уравнением:

$\tau =\rho _{w}gDS$

где:

D=

средняя глубина

S=

уклон ручья.

Если объединить два уравнения, то получим:

$\rho _{w}gDS=\tau _{c}^{\ast }(\rho _{s}-\rho _{w})gd_{50}$

Решая диаметр частицы d, получаем

$d_{50}={\frac {\rho _{w}DS}{\tau _{c}^{\ast }(\rho _{s}-\rho _{w})}}$

Уравнение показывает диаметр частиц, $d_{50}$ , прямо пропорционален как глубине воды, так и уклону русла ручья (поток и скорость), и обратно пропорционален параметру Шилда и эффективной плотности частицы.

Поднимать

Разница в скоростях между нижней и верхней частью частиц может привести к подъему . Воде разрешено течь над частицей, но не ниже, что приводит к нулевой и ненулевой скорости внизу и вверху частицы соответственно. Разница в скоростях приводит к градиенту давления , который сообщает частице подъемную силу. Если эта сила превышает вес частицы, она начнет транспортироваться. ^{[ 11 ]}

Турбулентность

Потоки характеризуются как ламинарные и турбулентные . Низкоскоростные и высоковязкие жидкости связаны с ламинарным течением, а высокоскоростные и маловязкие – с турбулентными течениями. Турбулентные потоки приводят к скорости, которая варьируется как по величине, так и по направлению. Эти беспорядочные потоки помогают удерживать частицы во взвешенном состоянии в течение более длительных периодов времени. Считается, что большинство естественных каналов имеют турбулентный поток. ^{[ 7 ]}

Другие влияющие факторы

Сплоченность

Еще одно важное свойство вступает в игру при обсуждении компетентности потока — это внутреннее качество материала. В 1935 году Филип Юльстрем опубликовал свою кривую, учитывающую сцепление глины и некоторого количества ила. Эта диаграмма иллюстрирует компетентность потока как функцию скорости. ^{[ 12 ]}

Наблюдая за размером валунов, камней, гальки, песка, ила и глины в ручьях и вокруг них, можно понять силы, действующие на формирование ландшафта. В конечном итоге эти силы определяются количеством осадков , плотностью дренажа , коэффициентом рельефа и исходным материалом отложений. ^{[ 7 ]} Они формируют глубину и уклон ручья, скорость и расход, русло и пойму, а также определяют количество и тип наблюдаемых наносов. Именно так сила воды перемещает и формирует ландшафт посредством эрозии , переноса и отложения, и это можно понять, наблюдая за поведением рек.

Коренная порода

Компетентность в потоке не зависит только от скорости. Основа . потока влияет на компетентность потока Различия в коренных породах будут влиять на общий наклон и размеры частиц в канале. Русла ручьев с коренной породой из песчаника , как правило, имеют более крутые склоны и более крупный материал русла, тогда как русла рек из сланца и известняка, как правило, более мелкие и имеют меньший размер зерен. ^{[ 6 ]} Небольшие изменения в подстилающем материале повлияют на скорость эрозии, сцепление и состав почвы.

Растительность ^{[ 13 ]}

Известно, что растительность оказывает влияние на течение ручья, но ее влияние трудно выделить. Нарушение потока приведет к снижению скорости, что приведет к снижению эффективности потока. Растительность оказывает 4-кратное влияние на течение ручья: сопротивление течению, прочность берегов, ядро для осаждения баров , а также строительство и разрушение заторов.

Сопротивление потоку

Метод Коуэна для оценки n Мэннинга .

$n=(n_{0}+n_{1}+n_{2}+n_{3}+n_{4})m_{5}$

Мэннинга учитывает поправочный коэффициент растительности. Даже русла рек с минимальной растительностью будут иметь сопротивление потоку.

Сила банка

Растительность, растущая в русле ручья и русле, помогает связывать осадки и уменьшать эрозию русла ручья. Высокая плотность корней приведет к усилению русла ручья.

Ядро для осаждения стержней

Взаимодействие растительности и осадков. Растительность, попавшая в середину потока, нарушит поток и приведет к осаждению осадков в возникающих в результате низкоскоростных водоворотах . По мере того, как осаждение продолжается, остров растет, и поток еще больше ухудшается.

Строительство и прорыв заторов

Взаимодействие растительности с растительностью. Нарастание растительности, переносимой ручьями, в конечном итоге полностью отсекает сток в боковые или основные русла ручья. Когда эти каналы закрываются или открываются в случае нарушения , характеристики потока нарушаются.

Ссылки

^ УИЛКОК, ДЭВИД Н. (1971). «Исследование взаимосвязи между переносом пластовой нагрузки и формой канала». Бюллетень Геологического общества Америки . 82 (8): 2159. Бибкод : 1971GSAB...82.2159W . doi : 10.1130/0016-7606(1971)82[2159:iitrbb]2.0.co;2 . ISSN 0016-7606 .
^ Руби, WW (1938). Сила, необходимая для перемещения частиц по руслу ручья (№ 189-Е). Геологическая служба США. [1]
^ Кара, Карит (30 января 2014 г.). «В чем разница между пропускной способностью потока и компетентностью потока? Как это связано с «приостановленной нагрузкой»? Проверено 21 апреля 2018 года .
^ Леопольд, Л.Б., М.Г. Вулман и Дж.П. Миллер. (1964). Речные процессы в геоморфологии . WH Freeman and Co. Сан-Франциско: ISBN 0486685888 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Уитакер, Эндрю С.; Поттс, Дональд Ф. (июль 2007 г.). «Анализ способности потока в ручье с аллювиальным гравийным руслом, Дюпюйер-Крик, Монтана» . Исследования водных ресурсов . 43 (7): W07433. Бибкод : 2007WRR....43.7433W . дои : 10.1029/2006wr005289 . ISSN 0043-1397 . S2CID 41201225 .
^ Jump up to: ^а ^б Браш, Люсьен М. (1961). Дренажные бассейны, каналы и характеристики потока избранных ручьев в Центральной Пенсильвании . Типография правительства США.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Р., Бирман, Пол (27 декабря 2013 г.). Ключевые понятия геоморфологии . Монтгомери, Дэвид Р., 1961–, Университет Вермонта, Вашингтонский университет. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 9781429238601 . OCLC 868029499 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Шиллинг Ф., С. Соммарстром, Р. Каттельманн, Б. Уошберн, Дж. Флоршейм и Р. Хенли. (май 2007 г.). «Руководство по оценке водораздела Калифорнии: том II, глава 3, май 2007 г. Подготовлено для Калифорнийского агентства ресурсов и Управления Калифорнии по заливу и дельте» . Проверено 21 апреля 2018 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Найтон, Д. (1998). Речные формы и процессы: новый взгляд . Oxford University Press Inc. Нью-Йорк: ISBN 0340663138 .
^ Хит Т.Л., редактор (1897 г.). Работы Архимеда . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 258. ИСБН 0486420841 . {{cite book}}: |last= имеет общее имя ( справка )
^ Дж., Гард Р. (2000). Механика транспорта наносов и проблемы аллювиальных водотоков . Ранга Раджу, КГ (3-е изд.). Нью-Дели: Нью Эйдж Интернэшнл. ISBN 812241270X . OCLC 45845211 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Хьюльстрем, Ф. (1935). «Исследования морфологической активности рек на примере реки Фирис». Бюллетень. Геологический институт Упсальса . 25 : 221–527.
^ Хикин, Эдвард Дж. (июнь 1984 г.). «Растительность и динамика русла реки». Канадский географ . 28 (2): 111–126. Бибкод : 1984CGeog..28..111H . дои : 10.1111/j.1541-0064.1984.tb00779.x . ISSN 0008-3658 .

[1] УИЛКОК, ДЭВИД Н. (1971). «Исследование взаимосвязи между переносом пластовой нагрузки и формой канала». Бюллетень Геологического общества Америки . 82 (8): 2159. Бибкод : 1971GSAB...82.2159W . doi : 10.1130/0016-7606(1971)82[2159:iitrbb]2.0.co;2 . ISSN 0016-7606 .

[2] Руби, WW (1938). Сила, необходимая для перемещения частиц по руслу ручья (№ 189-Е). Геологическая служба США. [1]

[3] Кара, Карит (30 января 2014 г.). «В чем разница между пропускной способностью потока и компетентностью потока? Как это связано с «приостановленной нагрузкой»? Проверено 21 апреля 2018 года .

[4] Леопольд, Л.Б., М.Г. Вулман и Дж.П. Миллер. (1964). Речные процессы в геоморфологии . WH Freeman and Co. Сан-Франциско: ISBN 0486685888 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[5] Уитакер, Эндрю С.; Поттс, Дональд Ф. (июль 2007 г.). «Анализ способности потока в ручье с аллювиальным гравийным руслом, Дюпюйер-Крик, Монтана» . Исследования водных ресурсов . 43 (7): W07433. Бибкод : 2007WRR....43.7433W . дои : 10.1029/2006wr005289 . ISSN 0043-1397 . S2CID 41201225 .

[:0-6] Jump up to: ^а ^б Браш, Люсьен М. (1961). Дренажные бассейны, каналы и характеристики потока избранных ручьев в Центральной Пенсильвании . Типография правительства США.

[:1-7] Jump up to: ^а ^б ^с Р., Бирман, Пол (27 декабря 2013 г.). Ключевые понятия геоморфологии . Монтгомери, Дэвид Р., 1961–, Университет Вермонта, Вашингтонский университет. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 9781429238601 . OCLC 868029499 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[8] Шиллинг Ф., С. Соммарстром, Р. Каттельманн, Б. Уошберн, Дж. Флоршейм и Р. Хенли. (май 2007 г.). «Руководство по оценке водораздела Калифорнии: том II, глава 3, май 2007 г. Подготовлено для Калифорнийского агентства ресурсов и Управления Калифорнии по заливу и дельте» . Проверено 21 апреля 2018 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[9] Найтон, Д. (1998). Речные формы и процессы: новый взгляд . Oxford University Press Inc. Нью-Йорк: ISBN 0340663138 .

[10] Хит Т.Л., редактор (1897 г.). Работы Архимеда . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 258. ИСБН 0486420841 . {{cite book}}: |last= имеет общее имя ( справка )

[11] Дж., Гард Р. (2000). Механика транспорта наносов и проблемы аллювиальных водотоков . Ранга Раджу, КГ (3-е изд.). Нью-Дели: Нью Эйдж Интернэшнл. ISBN 812241270X . OCLC 45845211 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[12] Хьюльстрем, Ф. (1935). «Исследования морфологической активности рек на примере реки Фирис». Бюллетень. Геологический институт Упсальса . 25 : 221–527.

[13] Хикин, Эдвард Дж. (июнь 1984 г.). «Растительность и динамика русла реки». Канадский географ . 28 (2): 111–126. Бибкод : 1984CGeog..28..111H . дои : 10.1111/j.1541-0064.1984.tb00779.x . ISSN 0008-3658 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]