Kompetencje strumieniowe
W hydrologii kompetencja strumienia, znana również jako kompetencja strumienia, jest miarą maksymalnego rozmiaru cząstek, które strumień może przenosić . Cząsteczki składają się z ziaren o wielkości od dużych do małych i obejmują głazy , skały, kamyki , piasek , muł i glinę . Cząsteczki te stanowią obciążenie złoża strumienia. Właściwość strumienia została pierwotnie uproszczona przez „prawo szóstej potęgi”, które mówi, że masa cząstki, którą można poruszyć, jest proporcjonalna do prędkość rzeki podniesiona do szóstej potęgi. Odnosi się to do prędkości koryta strumienia, która jest trudna do zmierzenia lub oszacowania ze względu na wiele czynników, które powodują niewielkie różnice w prędkościach strumienia.
Pojemność strumienia , choć powiązana z właściwościami strumienia poprzez prędkość, to całkowita ilość osadów, jakie może przenosić strumień. Całkowita ilość obejmuje ładunki rozpuszczone, zawieszone, zasolone i złoża.
Ruch osadów nazywa się transportem osadów . Zainicjowanie ruchu obejmuje masę, siłę, tarcie i naprężenie. Grawitacja i tarcie to dwie główne siły działające podczas przepływu wody przez kanał . Grawitacja działa na wodę, przesuwając ją w dół zbocza. Tarcie wywierane na wodę przez dno i brzegi kanału spowalnia ruch wody. Kiedy siła grawitacji jest równa i przeciwna sile tarcia, woda przepływa przez kanał ze stałą prędkością. Gdy siła grawitacji jest większa niż siła tarcia, woda przyspiesza.
Ten transport osadów sortuje rozmiary ziaren na podstawie prędkości. Wraz ze wzrostem właściwości strumienia, D50 . (średni rozmiar ziarna) strumienia również wzrasta i może być wykorzystany do oszacowania wielkości przepływu, który rozpocząłby transport cząstek Kompetencja strumienia ma tendencję do zmniejszania się w kierunku dolnym, co oznacza, że D 50 wzrośnie od ujścia do źródła strumienia.
Znaczenie prędkości
Moc strumienia
Moc strumienia to szybkość potencjalnej utraty energii na jednostkę długości kanału. Ta energia potencjalna jest tracona w ruchu cząstek wzdłuż koryta strumienia.
Ω = ρ w •g•Q•S
Gdzie:
Ω = Moc strumienia.
ρ w = Gęstość wody.
g = Przyspieszenie grawitacyjne .
S = nachylenie kanału.
Q = wypływ strumienia
cs Wypływ strumienia to prędkość strumienia U pomnożona przez pole przekroju A kanału strumienia w tym punkcie. Jak pokazuje poniższe równanie:
Q = U•A cs
Gdzie:
Q = rozładowanie
U = Średnia prędkość strumienia
A cs = Pole przekroju strumienia
Wraz ze wzrostem prędkości rośnie również moc strumienia, a większa moc strumienia odpowiada zwiększonej zdolności do przemieszczania cząstek ładunku złoża.
Naprężenie ścinające i krytyczne naprężenie ścinające
Aby transport osadów mógł zachodzić w korytach żwiru, siła przepływu musi przekroczyć próg krytyczny, zwany krytycznym progiem porywania lub progiem ruchliwości. Przepływ nad powierzchnią kanału i równiny zalewowej tworzy graniczne pole naprężeń ścinających . Wraz ze wzrostem wypływu naprężenie ścinające wzrasta powyżej wartości progowej i rozpoczyna się proces transportu osadu. Porównanie siły przepływu dostępnej podczas danego zrzutu z krytyczną siłą ścinającą potrzebną do zmobilizowania osadu na dnie kanału pomaga nam przewidzieć, czy transport osadu prawdopodobnie nastąpi, a do pewnego stopnia rozmiar osadu, który prawdopodobnie przenosić. Chociaż transport osadów w naturalnych rzekach jest bardzo zróżnicowany, do przewidywania transportu powszechnie stosuje się stosunkowo proste przybliżenia oparte na prostych eksperymentach z korytami. Innym sposobem oszacowania kompetencji strumienia jest użycie następującego równania dla krytycznego naprężenia ścinającego, τ c , czyli wielkość naprężenia ścinającego wymaganego do przemieszczenia cząstki o określonej średnicy.
τ do = τ do *•(ρ s - ρ w )•g•d 50
Gdzie:
- τ c * = parametr Shieldsa, bezwymiarowa wartość opisująca opór koryta strumienia na przyspieszenie grawitacyjne, określany również jako chropowatość lub tarcie,
- ρ s = gęstość cząstek, a ρ s – ρ w to efektywna gęstość cząstki po zanurzeniu w wodzie (prawo Archimedesa).
- g = Przyspieszenie grawitacyjne.
- d50 . = średnica ziarna, zwykle mierzona jako d50, która jest średnią średnicą cząstek podczas pobierania próbek średnic cząstek w transekcie strumienia
Naprężenie ścinające strumienia jest reprezentowane przez następujące równanie:
τ = ρ w •g•D•S
Gdzie:
D = średnia głębokość
S = nachylenie strumienia.
Jeśli połączymy oba równania, otrzymamy:
- ρ w •g•D•S = τ c *•(ρ s – ρ w )•g•d 50
Rozwiązując średnicę cząstki d, otrzymujemy
- re 50 = ρ w •g•D•S / τ do *•(ρ s – ρ w )•g
- re 50 = ρ w •D•S / τ do *•(ρ s – ρ w )
Równanie pokazuje, że średnica cząstek, d 50 , jest wprost proporcjonalna zarówno do głębokości wody, jak i nachylenia koryta strumienia (przepływ i prędkość) oraz odwrotnie proporcjonalna do parametru Shielda i efektywnej gęstości cząstki.
Winda
Różnice prędkości między dolną i górną częścią cząstek mogą prowadzić do podnoszenia . Woda może przepływać nad cząstką, ale nie poniżej, co skutkuje zerową i niezerową prędkością odpowiednio na dole i na górze cząstki. Różnica prędkości skutkuje gradientem ciśnienia , który nadaje cząstce siłę nośną. Jeśli ta siła jest większa niż ciężar cząstki, rozpocznie się transport.
Turbulencja
Przepływy są charakteryzowane jako laminarne lub turbulentne . Płyny o małej prędkości i dużej lepkości są związane z przepływem laminarnym, podczas gdy płyny o dużej prędkości i małej lepkości są związane z przepływami turbulentnymi. Przepływy turbulentne powodują prędkości, które różnią się zarówno wielkością, jak i kierunkiem. Te nieregularne przepływy pomagają utrzymać cząstki zawieszone przez dłuższy czas. Uważa się, że większość naturalnych kanałów ma przepływ turbulentny.
Inne czynniki wpływające
Spójność
Inna ważna cecha wchodzi w grę przy omawianiu kompetencji strumieniowych, a jest to wewnętrzna jakość materiału. W 1935 roku Filip Hjulström opublikował swoją krzywą, która uwzględnia spoistość gliny i pewnej ilości mułu. Ten diagram ilustruje kompetencję strumienia w funkcji prędkości.
Obserwując rozmiar głazów, skał, kamyków, piasku, mułu i gliny w strumieniach i wokół nich, można zrozumieć siły działające na kształtowanie krajobrazu. Ostatecznie siły te są określane przez ilość opadów atmosferycznych , gęstość drenażu , współczynnik rzeźby terenu i materiał macierzysty osadu. Kształtują głębokość i nachylenie potoku, prędkość i przepływ, koryto i równinę zalewową oraz określają ilość i rodzaj obserwowanych osadów. W ten sposób siła wody porusza się i kształtuje krajobraz poprzez erozję , transport i osadzanie, i można to zrozumieć obserwując kompetencję strumienia.
Skała macierzysta
Kompetencje strumieniowe nie opierają się wyłącznie na szybkości. Podłoże strumienia wpływa na kompetencje strumienia. Różnice w podłożu skalnym wpłyną na ogólne nachylenie i rozmiary cząstek w kanale. Łóżka potoków, które mają skalne z piaskowca , mają zwykle bardziej strome zbocza i większy materiał dna, podczas gdy koryta potoków z łupków i wapienia są zwykle płytsze i mają mniejsze ziarna. Niewielkie różnice w materiale podłoża będą miały wpływ na szybkość erozji, spójność i skład gleby.
Wegetacja
Roślinność ma znany wpływ na przepływ strumienia, ale jej wpływ jest trudny do wyizolowania. Zakłócenie przepływu spowoduje zmniejszenie prędkości, co doprowadzi do obniżenia wydajności strumienia. Roślinność ma 4-krotny wpływ na przepływ strumienia: opór przepływu, wytrzymałość brzegów, jądro sedymentacji prętów oraz budowa i rozbijanie zatorów kłód.
Opór przepływu
Metoda Cowana do szacowania n Manninga .
0 n = (n + n 1 + n 2 + n 3 + n 4 ) m 5
n Manninga uwzględnia współczynnik korygujący wegetację. Nawet koryta strumieni z minimalną roślinnością będą miały opory przepływu.
Siła banku
Roślinność rosnąca w korycie i korycie potoku pomaga wiązać osady i ograniczać erozję w korycie potoku. Wysoka gęstość korzeni spowoduje wzmocnienie koryta strumienia.
Jądro do sedymentacji barowej
Interakcja roślinność-osady. Roślinność złapana w środku strumienia zakłóci przepływ i doprowadzi do sedymentacji w powstałych wirach o niskiej prędkości . W miarę postępu sedymentacji wyspa rośnie, a przepływ jest dalej zakłócany.
Budowa i rozbijanie zatorów kłód
Interakcja roślinność-roślinność. Nagromadzenie roślinności niesionej przez strumienie ostatecznie odcina całkowicie przepływ do bocznych lub głównych kanałów strumienia. Kiedy te kanały są zamknięte lub otwarte w przypadku pęknięcia , charakterystyka przepływu strumienia jest zakłócona.