Потоковая компетенция - Stream competency

Река Имнаха, Национальная зона отдыха Хеллс-Каньон, Орегон, пример компетенции стрим.

В гидрология потоковая компетенция, также известная как компетенция потока, это мера максимального размера частиц, которые поток может транспорт.[1] Частицы состоят из размеры зерна от большого до маленького и включают валуны, горные породы, камешки, песок, ил, и глина. Эти частицы составляют нагрузка на кровать потока. Первоначально компетенция потока была упрощена «законом шестой степени», который гласил, что масса частицы, которая может перемещаться, пропорциональна скорость реки возведен в шестую степень. Это относится к скорости русла потока, которую трудно измерить или оценить из-за множества факторов, которые вызывают небольшие отклонения в скоростях потока.[2]

Емкость потока, связанное со скоростью потока, это общее количество наносов, которое поток может унести. Общее количество включает растворенные, взвешенные, сальтация и постельные нагрузки.[3]

Движение осадка называется перенос наносов. Начало движения связано с массой, силой, трением и напряжением. Гравитация и трение - две основные силы, действующие при прохождении воды через канал. Гравитация действует на воду, перемещая ее вниз по склону. Трение воды у дна и берегов канала замедляет движение воды. Когда сила тяжести равна силе трения и противоположна ей, вода течет через канал с постоянной скоростью. Когда сила тяжести больше силы трения, вода ускоряется.[4]

Этот транспорт осадка сортирует частицы по размеру в зависимости от скорости. По мере увеличения компетенции потока D50 (средний размер зерна) потока также увеличивается, и его можно использовать для оценки величины потока, который начал бы перенос частиц.[5] Компетентность потока имеет тенденцию к снижению в направлении вниз по течению,[6] имея в виду D50 будет увеличиваться от устья к истокам ручья.

Важность скорости

Stream Power

Мощность потока - скорость потери потенциальной энергии на единицу длины канала.[7] Эта потенциальная энергия теряется при движении частиц вдоль русла ручья.

Ω = ρш • г • Q • S

куда:

Ω = Мощность потока.

ρш = Плотность воды.

грамм = Гравитационное ускорение.

S = Наклон канала.

Q = расход потока

Разряд потока - это скорость потока, U, умноженное на площадь поперечного сечения, Аcs, канала потока в этой точке. Как показано в следующем уравнении:

Q = U • Acs

куда:

Q = Разряд

U = Средняя скорость потока

Аcs = Площадь поперечного сечения потока

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

Напряжение сдвига и критическое напряжение сдвига

Для переноса отложений в каналах гравийного слоя сила потока должна превышать критический порог, называемый критическим порогом увлечение, или порог подвижности. Обтекание поверхности канала и пойма создает границу напряжение сдвига поле. По мере увеличения разряда напряжение сдвига превышает пороговое значение и запускает процесс переноса наносов. Сравнение силы потока, доступной во время данной разгрузки, с критическим сопротивлением сдвигу, необходимым для мобилизации наносов на дне канала, помогает нам предсказать, может ли произойти перенос отложений, и, в некоторой степени, размер отложений может двигаться. Хотя перенос наносов в естественных реках сильно различается, для прогнозирования переноса обычно используются относительно простые приближения, основанные на простых экспериментах с лотками.[8] Другой способ оценить эффективность потока - использовать следующее уравнение для критического напряжения сдвига τc что является количеством напряжение сдвига требуется для перемещения частицы определенного диаметра.[9]

τc= τc* • (ρs - ρш) • g • d50

куда:

τc* = Параметр Шилдса, безразмерное значение, которое описывает сопротивление русла потока гравитационному ускорению, также описываемому как шероховатость или трение,
ρs = Плотность частиц, а ρs - ρш - эффективная плотность частицы при погружении в воду (принцип Архимеда).[10]
грамм = Ускорение свободного падения.
d50 = диаметр зерна, обычно измеряемый как d50, который представляет собой средний диаметр частиц при отборе проб диаметров частиц в разрезе ручья.

Напряжение сдвига потока представлено следующим уравнением:

τ=ρш• г • D • S

куда:

D = средняя глубина

S = уклон ручья.

Если мы объединим два уравнения, мы получим:

ρш• g • D • S = τc* • (ρs - ρш) • g • d50

Решая для диаметра частицы d, получаем

d50 = ρш• г • D • S / τc* • (ρs - ρш)•грамм
d50 = ρш• D • S / τc* • (ρs - ρш)

Уравнение показывает диаметр частицы, d50, прямо пропорциональна глубине воды и уклону русла ручья (поток и скорость), и обратно пропорциональна параметру Шилда и эффективной плотности частицы.

Поднимать

Разница в скоростях дна и вершины частиц может привести к поднимать. Воду позволяют течь над частицей, но не ниже, что приводит к нулевой и ненулевой скорости внизу и вверху частицы соответственно. Разница в скоростях приводит к градиент давления который сообщает частице подъемную силу. Если эта сила больше веса частицы, она начнет переноситься.[11]

Турбулентность

Потоки характеризуются как ламинарный или же бурный. Низкоскоростной и высокоскоростнойвязкость жидкости связаны с ламинарным течением, в то время как высокоскоростные и маловязкие жидкости связаны с турбулентными потоками. Турбулентные потоки приводят к скоростям, которые изменяются 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

Кривая Хьюлстрёма

Сплоченность

Еще одно важное свойство вступает в игру при обсуждении компетенции в потоке, а именно внутреннее качество материала. В 1935 году Филип Хьюлстрём опубликовал свою кривую, в которой учитывалась когезия глины и некоторого количества ила. Эта диаграмма иллюстрирует эффективность потока как функцию скорости.[12]

Наблюдая за размером валунов, камней, гальки, песка, ила и глины в ручьях и вокруг них, можно понять, какие силы действуют, формируя ландшафт. В конечном итоге эти силы определяются количеством осадки, то плотность дренажа, коэффициент рельефа и отложения основного материала.[7] Они определяют глубину и наклон потока, скорость и расход, русло и пойму, а также определяют количество и вид наблюдаемых наносов. Вот как сила воды движется и формирует ландшафт через эрозия, перенос и отложение, и это можно понять, наблюдая за компетенцией потока.

Коренная порода

Компетентность потоковой передачи зависит не только от скорости. В коренная порода потока влияет на его компетенцию. Различия в коренных породах повлияют на общий уклон и размер частиц в канале. Потоковые грядки с песчаник коренная порода, как правило, имеет более крутые уклоны и более крупный материал пласта, а сланец и известняк русла ручьев имеют тенденцию быть более мелкими с меньшим размером зерна.[6] Незначительные 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 изолировать. Нарушение потока приведет к более низким скоростям, что приведет к снижению производительности потока. Растительность оказывает 4-х кратное влияние на течение реки: сопротивление потоку, прочность берега, зародыш вместо бара. осаждение, и строительство и проломка бревен.

Сопротивление течению

Метод Коуэна для оценки Мэннинга.

п = (п0 + п1 + п2 + п3 + п4) м5

Мэннинга учитывает поправочный коэффициент на растительность. Даже русла ручьев с минимальной растительностью будут иметь сопротивление потоку.

Прочность банка

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

Ядро для седиментации стержня

Взаимодействие растительности и наносов. Растительность, попавшая в середину потока, нарушит течение и приведет к осаждению, что приведет к низкой скорости потока. водовороты. По мере того, как осаждение продолжается, остров растет, и на течение еще больше воздействуют.

Строительство и проломка бревен

Взаимодействие растительности и растительности. Наращивание растительности, переносимой ручьями, в конечном итоге полностью перекрывает сток в боковые или основные каналы ручья. Когда эти каналы закрыты, или открыты в случае нарушение, расходные характеристики потока нарушаются.

Рекомендации

  1. ^ УИЛКОК, ДЭВИД Н. (1971). «Исследование взаимосвязи между переносом нагрузки и формой канала». Бюллетень Геологического общества Америки. 82 (8): 2159. Bibcode:1971GSAB ... 82,2159 Вт. Дои:10.1130 / 0016-7606 (1971) 82 [2159: iitrbb] 2.0.co; 2. ISSN  0016-7606.
  2. ^ Руби, В. У. (1938). Сила, необходимая для перемещения частиц в русле ручья (№ 189-Е). USGS.[1]
  3. ^ Кара, Карит (30 января 2014 г.). «В чем разница между пропускной способностью потока и компетенцией потока? Как это соотносится с« приостановленной нагрузкой »?. Получено 21 апреля 2018.
  4. ^ Леопольд, Л.Б., М.Г. Wolman и J.P. Miller. (1964). Речные процессы в геоморфологии. Сан-Франциско: W.H. Фриман и Ко. ISBN  0486685888.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ Уитакер, Эндрю С .; Поттс, Дональд Ф. (июль 2007 г.). «Анализ способности потока в русле аллювиального гравия, Ручей Дюпюер, Монтана». Исследование водных ресурсов. 43 (7): W07433. Bibcode:2007WRR .... 43,7433 Вт. Дои:10.1029 / 2006wr005289. ISSN  0043-1397.
  6. ^ а б Кисть, Люсьен М. (1961). Водосборные бассейны, каналы и характеристики потока отдельных водотоков в Центральной Пенсильвании. Типография правительства США.
  7. ^ а б c Р., Бирман, Пол (27 декабря 2013 г.). Ключевые понятия геоморфологии. Монтгомери, Дэвид Р., 1961–, Вермонтский университет, Вашингтонский университет. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN  9781429238601. OCLC  868029499.
  8. ^ Шиллинг Ф., С. Соммарстрем, Р. Каттельманн, Б. Вашберн, Дж. Флорсхайм и Р. Хенли. (Май 2007 г.). «Калифорнийское руководство по оценке водосбора: Том II, глава 3, май 2007 г. Подготовлено для Агентства ресурсов Калифорнии и Управления Калифорнийского залива-дельта». Получено 21 апреля 2018.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ Найтон, Д. (1998). Речные формы и процессы: новая перспектива. Нью-Йорк: Oxford University Press Inc. ISBN  0340663138.
  10. ^ Хит, Т.Л., редактор (1897). Произведения Архимеда. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 258. ISBN  0486420841.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  11. ^ Дж., Гарде Р. (2000). Механика переноса наносов и проблемы аллювиальных потоков. Ранга Раджу, К. Г. (3-е изд.). Нью-Дели: New Age International. ISBN  812241270X. OCLC  45845211.
  12. ^ Hjulstrom, F. (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 РЕЧНОГО КАНАЛА». Канадский географ. 28 (2): 111–126. Дои:10.1111 / j.1541-0064.1984.tb00779.x. ISSN  0008-3658.