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河控三角洲生长的动力和沉积模式

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湍流 动量射流 沉积过程 动力和沉积模式 河控三角洲
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第39卷 第2期 2021年4月 Vol.39 No.2 Apr.2021 沉积学报 ACTASEDIMENTOLOGICASINICA 河 控 三 角 洲 生 长 的 动 力 和 沉 积 模 式 齐亚林 1,赵彦德 2,邵晓州 1,3,楚美娟 1,左静 1 1. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,西安 710018 2. 兰州城市学院培黎石油工程学院,兰州 730070 3. 成都理工大学能源学院,成都 610059 摘 要 分析河口动力特征,进而揭示其控制下的三角洲前缘挟沙河流床沙载荷(推移质)搬运和沉积机制,是合理构建河控三 角洲生长沉积模式的前提。运用流体力学的湍流理论从微观动力过程角度分析失去河床约束条件下依靠惯性作用流动的河水 入湖过程中河、湖两类水体的相互作用机制及流动规律,结合水槽物理模拟及前人开展的数值模拟,并借鉴河流泥沙动力学理 论成果,构建了受流体力学及河流泥沙动力学约束的河控三角洲生长的动力和沉积模式。结果表明:湍流的特点决定了两类水 体界面处存在强烈的质量、动量、动能传递。河水入湖过程既不是圆形(轴对称)射流,也不是平面(二维)射流,而是矩形(三维) 射流,流速沿程会以负指数快速衰减。河口是挟沙河流流速衰减的终点,其控制下的三角洲前缘是挟沙河流床沙载荷沉积的终 点。三角洲平原砂体生长过程,是三角洲平原动力、沉积、地貌相互作用的过程,生长的动力和沉积模式可以概括为:河流末端 水体流速沿程衰减→挟沙能力降低→泥沙沉积→河床抬高→堤岸决口→河流分叉→水体流速沿程衰减→挟沙能力降低→泥沙 沉积。分流河道砂体构成三角洲平原的骨架砂体,地貌控制下河流的频繁摆动是三角洲平原砂体生长的重要机制。河控三角 洲沉积的主体为平原环境,而非前缘环境。 关键词 湍流;动量射流;沉积过程;动力和沉积模式;河控三角洲 第一作者简介 齐亚林,男,1974 年出生,高级工程师,碎屑岩沉积学、油气储层沉积学,E⁃mail: qiyl_cq@petrochina.com.cn 通信作者 赵彦德,男,1973 年出生,副教授,E⁃mail: zyd@lzcu.edu.cn 中图分类号 P618.13 文献标志码 A 0 引言 河控三角洲是以河流作用为主,波浪、潮汐作用 微弱,建设作用远大于改造作用的三角洲类型,在我 国陆相沉积盆地广泛发育 [1] 。构建相对合理的河控 三角洲生长的沉积模式,对成矿规律预测,目标优 选,以及丰富和完善三角洲的概念、内涵和成因具有 重要的理论意义。其控制因素及成因已成为沉积学 界研究的热点,研究者多利用岩芯、露头、现代沉积 或测井曲线、实验等资料,采用反演方法,论证构造 背景 [2] 、古地形和湖平面升降 [3⁃4] 、气候和物源 [5⁃6] 等因 素对河控三角洲沉积特征与沉积模式的控制作用, 构建成因模式并进行分类 [7⁃8] 。河控三角洲是河口对 河流动力及其作用下泥沙(床沙载荷和悬浮载荷)运 动的响应,是挟沙河流泥沙沉积的产物,挟沙河流具 有二相、三维、不恒定、非均匀、水沙不平衡等特性, 其运动严格受物理规律的支配 [9⁃10] 。沉积过程分析和 沉积模式构建必须得到流体力学及河流泥沙动力学 的支持并经受其检验。采用正演方法构建受流体力 学及河流泥沙动力学约束的河控三角洲的动力模式 是合理构建生长的沉积模式的前提。在广泛调研国 内外三角洲动力和沉积模式研究现状的基础上,运 用流体力学的湍流理论从微观动力过程角度分析失 去河床约束条件下依靠惯性作用流动的河水入湖过 程中河、湖两类水体的相互作用机制及流动规律,结 合针对河控三角洲生长过程进行的水槽物理模拟及 前人开展的数值模拟,并借鉴河流泥沙动力学理论 成果,构建了河控三角洲生长的动力和沉积模式,以 期为我国陆相盆地河控三角洲砂体预测及油气勘探 提供依据。 收稿日期:2019⁃11⁃07;收修改稿日期:2020⁃04⁃26 基金项目:国家科技重大专项(2016ZX05050,2017ZX05001002);甘肃省高等学校创新能力提升项目(2019B⁃175)[Foundation:NationalScience andTechnologyMajorProject,No.2016ZX05050,2017ZX05001002;TheProjectofImprovingtheInnovationAbilityofCollegesandUniversi⁃ tiesinGansuProvince,No.2019B⁃175] DOI: 10.14027/j.issn.1000⁃0550.2020.029文章编号:1000⁃0550(2021)02⁃0374⁃09 第2期 齐亚林等:河控三角洲生长的动力和沉积模式 1 动力和沉积模式研究现状及问题 床沙载荷由静止状态转为运动状态时的临界流 速为起动流速(Uc),床沙载荷由运动状态转为静止 状态时的临界流速为止动流速(Uc'),水体能够流动 不代表水体能搬运床沙载荷,足够大的流速是床沙 载荷能够被搬运的前提条件。反映河流床沙载荷搬 运能力的单宽输沙率正比于流速的4次方,或可搬运 的最大床沙载荷粒径正比于流速的2次方 [9⁃10] ,流速 的细微变化将影响床沙载荷的搬运和沉积行为 [9] 。 动力控制了床沙载荷的搬运和沉积,动力模式决定 了沉积模式。河控三角洲沉积由平原沉积和前缘沉 积构成,前缘沉积形成的以床沙载荷为主的砂体规 模对沉积模式的构建具有决定性作用。由此,研究 者普遍通过分析河口动力特征并构建动力模式,进 而在动力模式的约束下构建河控三角洲生长的沉积 模式 [11⁃13] 。 1.1 动力和沉积模式研究现状 为构建不同类型三角洲生长的沉积模式, Bates [11] 运用湍流射流理论对河口动力特征进行了分 析,并对其控制下的泥沙搬运和沉积即三角洲生长 的动力和沉积模式进行了探讨。Bates将河口比作水 力学上的一个喷嘴,河流通过河口流入蓄水体时,形 成自由射流,并分为圆形射流和平面射流两种流动 类型,圆形射流(等密度流型)指河水与蓄水体水密 度近等,两者的混合作用发生在三维空间(纵向的), 其混合作用较快,致使河水流速快速衰减。平面射 流(高密度流型、低密度流型)指河水的密度大于或 小于蓄水体的密度,两者的混合作用仅发生在二维 空间(表层水),其混合作用较慢,但可扩散到湖盆较 远的地方。基于上述三种动力模式,相应的构建了 三种三角洲沉积模式 [11] 。 借鉴Bates [11] 的动力和沉积模式,国内有研究者 运用湍流射流理论对三角洲生长的动力和沉积模式 进行了探讨。黄秀祯等 [12] 构建了基于二维平面射流 的三角洲河口动力模式,其将入湖后流向中心线纵 剖面上的流动视作二维平面射流,据此求出不同河 湖动力条件下三角洲边界、纵剖面形态和沉积物分 选性变化。顾晓忠等 [13] 分析了河口的动力场,构建了 基于伴随射流的三角洲河口动力模式,认为河口三 角洲砂体的形态和大小主要取决于河口的截面形 态、河床坡度和挟带泥沙的组成。 上述动力和沉积模式,尤其是 Bates 的动力和沉 积模式,长期主导着三角洲成因理论研究,对不同类 型沉积盆地多种三角洲生长的沉积模式构建产生了 广泛且深远的影响[14⁃15]。 1.2 动力和沉积模式存在的问题 前人基于湍流射流理论的动力模式为三角洲生 长的沉积模式和成因研究提供了新思路[11⁃13],但由于 其对湍流特性理解不够深入,无法从机理上理解湍 流射流成因、控制因素及流动规律,导致其无法准确 理解湍流射流理论并正确运用,由此构建的动力模 式存在较多问题。 (1)Bates[11]认为河水与蓄水体的密度近等时,发 生圆形射流;河水的密度大于或小于蓄水体的密度 时,发生平面射流。实质上,圆形射流、平面射流是 根据河流出口断面的形状而不是根据两类水体相对 密度划分的。考虑到河流出口断面的形状,河水入 湖、海既不是圆形射流,也不是平面射流,而是矩形 射流,只是由于河流的宽深比较大,可以按照平面射 流处理[16⁃17]。如果考虑密度因素,对于河水入湖或海 过程,如果河水的密度等于湖水或海水的密度,完全 依靠初始动量维持流动,属于等密度自由射流或动 量射流;如果河水的密度小于湖水或海水的密度,兼 受初始动量和浮力两种作用而流动的射流,属于变 密度射流的浮射流;如果河水的密度大于湖水或海 水的水密度,属于变密度射流的浓差射流,仍可视作 动量射流,只是射流轴心线发生偏移[16⁃17]。上述三种 情况,河水、湖水或海水均处于湍流状态[18⁃20]。湍流 的特性决定了河水的密度无论是大于、等于或小于 湖水或海水密度,两类水体间的相互作用机制本质 上没有区别,无论是等密度条件下平面射流(实质为 矩形射流),还是变密度条件下的平面射流(实质为 矩形射流),两类水体的混合作用发生在三维空间而 不是二维平面[21⁃24],其混合作用较快,流速沿程快速 衰减,仅仅依靠河流的惯性作用无法扩散到湖盆较 远的地方。与 Bates 主张的平面射流时两类水体的 混合作用仅发生在二维空间(表层水),混合作用较 慢,可扩散到湖盆较远的地方的认识完全不同。 (2)Bates[11]尝试用湍流射流理论解决不同主控 因素三角洲的动力成因。在湍流射流理论体系中, 以出流动量为原动力的动量射流,也就是仅依靠惯 性作用的流动[16⁃17],可运用动量积分求解水体流动规 律[16⁃17]。河控三角洲河口的动力主要为河水的惯性 375 第 39 卷沉 积 学 报 作 用 ,满 足 上 述 条 件 ,能 够 定 量 预 测 水 体 流 速 的 沿 程 变 化( u max /u 0 ),进 而 推 测 床 沙 载 荷 的 沉 积 区 域 。 对 于 潮 控 、浪 控 等 海 洋 三 角 洲 ,河 口 是 河 、海 相 互 作 用 的 部 位 ,受 入 海 河 流 、潮 汐 、波 浪 、沿 岸 流 、风 力 等 多 种 因 素 的 影 响 ,属 开 放 的 动 力 体 系 ,河 流 的 作 用 有 限 [18 ⁃20 ] 。 该 环 境 下 河 水 射 入 的 方 向 与 海 水 的 流 动 方 向 成 一 定 的 角 度 ,属 于 横 流 中 的 湍 流 射 流 ,流 动 规 律 相 当 复 杂 ,由 于 无 法 明 确 其 他 动 力 的 特 征 和 规 律 ,解 析 方 法 难 以 求 解 流 体 流 动 规 律 [16 ⁃17 ] 。 横 流 中 的 湍 流 射 流 本 质 上 是 其 他 动 力 对 河 水 动 量 射 流 的 改 造 ,难 以 定 量 预 测 水 体 流 速 沿 程 的 变 化( u max /u 0 ),无 法 据 此 推 测 床 沙 载 荷 的 沉 积 区 域 。 有 鉴 于 此 ,该 动 力 模 式 并不具有广泛的适用性 。 ( 3) 水 体 流 速 的 沿 程 变 化( u max /u 0 ),圆 形 射 流 时 取 决 于 圆 孔 直 径( D)与 至 出 口 断 面 的 距 离( x),平 面 射 流 时 取 决 于 出 口 断 面 的 厚 度( 2 b 0 )与 至 出 口 断 面 的 距 离( x) [16 ⁃17 ] 。 湍 流 特 性 决 定 了 相 对 流 动 的 两 类 水 体 的 界 面 处 存 在 物 质 交 换 和 动 量 传 递 ,并 导 致 水 体 流 速 的 沿 程 变 化 [16 ⁃17 ,21 ⁃24 ] 。 该 变 化 取 决 于 上 述 界 面 处 物 质 交 换 和 动 量 传 递 的 强 度 。 相 对 流 动 的 两 类 水 体 沿 程 同 一 断 面 不 同 界 面 处 的 物 质 交 换 和 动 量 传 递 的 强 度 近 等 ,导 致 上 述 同 一 断 面 不 同 界 面 处 水 体 流 速 的 变 化 幅 度 近 等 。 由 于 河 流 水 体 的 深 度 远 小 于 宽 度 , 河 流 水 体 流 速 在 深 度 方 向 首 先 衰 减 完 毕 并 使 水 体 趋 于 停 止 流 动 。 失 去 河 床 约 束 条 件 下 依 靠 惯 性 作 用 流 动 的 河 水 入 湖 过 程 中 ,控 制 河 流 水 体 流 速 沿 程 变 化 ( u max /u 0 )的 出 口 断 面 高 度( 2 b 0 )实 质 上 是 河 流 水 体 的 深 度 。 由 于 对 湍 流 特 性 理 解 不 够 深 入 ,无 法 从 机 理 上 理 解 湍 流 射 流 成 因 ,Bates 将 河 流 宽 度 而 非 深 度 理 解 为 平 面 射 流 时 出 口 断 面 厚 度( 2 b 0 ) [11 ] ,势 必 造 成 主 流 轴 线 流 速( u max )被 放 大 ,导 致 河 流 水 体 影 响 的 范 围 被扩大 。 鉴 于 Bates 动 力 模 式 的 上 述 不 合 理 之 处 ,导 致 以 该 动 力 模 式 为 基 础 构 建 的 河 控 三 角 洲 生 长 的 沉 积 模 式不具有适用性 [12 ⁃13 ] 。 2 基于湍流理论的动力模式 为 揭 示 前 缘 床 沙 载 荷 沉 积 形 成 砂 体 规 模 ,构 建 相 对 合 理 的 河 控 三 角 洲 生 长 的 沉 积 模 式 ,运 用 湍 流 理 论 从 微 观 动 力 过 程 角 度 分 析 失 去 河 床 约 束 条 件 下 依 靠 惯 性 作 用 流 动 的 河 水 入 湖 过 程 中 河 、湖 两 类 水 体的相互作用机制及流动规律并构建动力模式 。 2 .1 模式构建的途径及理论依据 河 控 三 角 洲 河 口 动 力 主 要 为 河 水 的 惯 性 作 用 。 分 析 河 口 动 力 特 征 要 揭 示 失 去 河 床 约 束 条 件 下 依 靠 惯 性 作 用 流 动 的 河 水 在 湖 水 中 的 流 动 规 律 ,也 就 是 水 体 流 速 沿 程 的 变 化( u max /u 0 )与 至 出 口 断 面 的 距 离 ( x)的 关 系 。 由 于 该 问 题 涉 及 两 类 水 体 间 的 微 观 作 用 机 制 及 流 动 规 律 ,需 要 运 用 湍 流 理 论 从 微 观 动 力 过程角度进行分析 [10 ,16 ⁃17 ,21 ⁃24 ] 。 湍 流 是 包 括 河 水 、湖 水 或 海 水 在 内 的 地 表 水 体 流 动 的 主 要 形 式 ,是 由 各 种 不 同 尺 度 的 带 有 旋 转 结 构 涡 叠 合 而 成 的 流 动 ,具 有 三 维 、非 定 常 、随 机 、不 规 则 、有 旋 、强 扩 散 和 强 耗 散 的 特 性 [10 ,16 ⁃17 ,21 ⁃22 ] ( 图 1)。 上 述 特 性 导 致 流 场 中 不 同 尺 度 的 流 体 微 团 不 仅 有 横 向 脉 动 ,而 且 有 相 对 于 总 流 动 的 反 向 流 动 ;相 邻 流 体 层 间 不 但 有 滑 动 ,还 有 混 合( 图 2);导 致 两 类 水 体 界 面 处 存 在 强 烈 的 质 量 、动 量 、动 能 传 递 [16 ⁃17 ,23 ⁃24 ] ,从 而 决 定了河口的动力特征及动力模式 。 2 .2 动力模式构建 对 于 河 水 入 湖 ,湍 流 特 性 决 定 了 ,垂 直 总 流 动 方 图 1 湍 流 微 团 运 动 模 式 [24 ] Fig .1 Motion model of turbulent microparticles [24 ] 图 2 湍 流 微 团 动 量 传 递 模 式 [24 ] Fig .2 Momentum transfer model of turbulent microparticles [24 ] 376 第 2 期 齐亚林等 :河控三角洲生长的动力和沉积模式 向 ,依 靠 惯 性 作 用 流 动 的 河 水 不 同 尺 度 流 体 微 团 会 持 续 随 机 进 入 邻 近 的 湖 水 并 逐 层 传 递 动 量 ,湖 水 不 同 尺 度 流 体 微 团 也 会 持 续 随 机 进 入 邻 近 的 河 水( 图 2),动 量 由 高 速 流 体 层( 河 水 )向 相 邻 的 低 速 流 体 层 ( 湖 水 )传 递 [25 ⁃26 ] 。 在 此 过 程 中 ,系 统 的 扰 动 被 放 大 , 湍 流 强 度 被 进 一 步 加 强 。 湍 流 的 强 扩 散 性 和 强 耗 散 性 导 致 被 卷 吸 或 掺 混 进 入 流 动 系 统 的 水 体 质 量 沿 程 会 持 续 增 多 ,流 动 水 体 动 量 和 动 能 快 速 扩 散 进 而 耗散 [23 ⁃25 ] 。 该 类 水 体 的 流 动 规 律 由 湍 流 射 流 理 论 描 述 。 湍 流 射 流 是 指 流 体 从 管 口 、孔 口 、狭 缝 射 出 ,并 同 周 围 环 境 流 体 掺 混 的 流 动 ,是 特 殊 的 流 动 类 型 ,以 其 边 界 为 流 体 区 别 于 管 流 、明 渠 流 等 边 界 受 限 的 其 他 流 动 类 型 [16 ⁃17 ] 。 根 据 湍 流 射 流 基 本 特 征 可 对 其 进 行 多 种 分 类 ,如 按 照 湍 流 射 流 的 物 理 性 质 分 为 等 密 度 射 流 、 变 密 度 射 流( 图 3)等 ,按 湍 流 射 流 环 境 固 体 边 界 条 件 分 为 自 由 射 流 、非 自 由 射 流 等 ,按 湍 流 射 流 的 原 动 力 分 为 动 量 射 流 、浮 射 流 等 ,按 湍 流 射 流 断 面 形 状 分 为 平 面( 二 维 )射 流 、圆 形( 轴 对 称 )射 流 、矩 形( 三 维 )射 流 等 [16 ⁃17 ] 。 其 中 ,平 面 射 流 指 流 体 从 狭 长 缝 隙 的 外 射 运 动 ,射 流 只 能 在 垂 直 条 缝 长 度 的 平 面 上 作 扩 散 运 动 ;圆 形 射 流 指 流 体 从 管 口 、孔 口 等 圆 孔 的 外 射 运 动 ,射 流 可 作 轴 状 扩 散 运 动 ;矩 形 射 流 指 流 体 从 矩 形 断 面 的 外 射 运 动 ,射 流 在 三 维 空 间 上 扩 散 运 动 ;对 于 矩 形 射 流 ,当 长 宽 比 小 于 3 时 ,按 圆 形 射 流 考 虑 ,当 长 宽 比 大 于 10 时 ,按 平 面 射 流 考 虑 。 射 流 在 形 成 稳 定 的 流 动 形 态 后 ,根 据 流 速 变 化( u max /u 0 ),沿 流 动 方 向 可划分为起始段和主体段 。 河 水 入 湖 过 程 中 ,湍 流 特 性 决 定 了 河 水 的 密 度 无 论 是 等 于( 图 3a,b)、小 于( 图 3c,d)或 大 于( 图 3e, f)湖 水 密 度 ,两 类 水 体 间 的 相 互 作 用 机 制 本 质 上 没 有 区 别 ,两 者 在 三 维 流 场 充 分 掺 混( 图 3),属 于 矩 形 射 流 。 考 虑 到 河 流 的 宽 深 比 ,矩 形 射 流 可 按 平 面 射 流 处 理 ,湍 流 射 流 理 论 给 出 了 等 密 度 二 维 平 面 自 由 射 流 水 体 流 速 的 变 化( u max /u 0 )与 出 口 断 面 厚 度( 2 b 0 )及 至射流源距离 ( x)的关系 ( 公式 1) [16 ⁃17 ] : u m ax /u 0 = 2.28 (2 b 0 /x ) 0.5 ( 1) 式 中 :x 为 至 射 流 源 的 距 离 ,m ;u 0 为 出 口 断 面 平 均 流 速 ,m/s ;u max 为 主 流 轴 线 流 速 ,m/s ;b 0 为 射 流 出 口 断 面 半厚度 ,m 。 图 3 河 口 动 力 模 式 ( a)等 密 度 自 由 射 流( 等 密 度 流 型 ),侧 视 ;( b)等 密 度 自 由 射 流( 等 密 度 流 型 ),正 视 ;( c)变 密 度 射 流( 低 密 度 流 型 ),侧 视 ;( d)变 密 度 射 流( 低 密 度 流 型 ),正 视 ; ( e)变密度射流 ( 高密度流型 ),侧视 ;( f)变密度射流 ( 高密度流型 ),正视 Fig .3 Dynamic models of estuaries (a) isodensity free jet (isodensity flow type ), side view ; (b) isodensity free jet (isodensity flow type ), front view ; (c) variable density jet (low density flow type ), side view ; (d) vari ⁃ able density jet (low density flow type ), front view ; (e) variable density jet (high density flow type ), side view ; (f) variable density jet (high density flow pattern ), front view 377 第 39 卷沉 积 学 报 由 公 式( 1)可 知 ,主 流 轴 线 的 流 速( u max )与 出 口 断 面 的 平 均 流 速( u 0 )成 正 比 ,出 口 断 面 平 均 流 速( u 0 ) 越 大 ,主 流 轴 线 的 流 速( u max )越 大 ;与 至 射 流 源 的 距 离( x)的 平 方 根 成 反 比 ,距 至 射 流 源 的 距 离( x)越 大 , 主 流 轴 线 的 流 速( u max )越 小 ;与 出 口 断 面 高 度( 2 b 0 )平 方 根 成 正 比 ,出 口 断 面 厚 度( 2 b 0 )越 大 ,主 流 轴 线 的 流 速( u max )越 大 [16 ⁃17 ] 。 表 明 当 河 、湖 两 类 水 体 等 密 度 时 , 失 去 河 床 约 束 条 件 下 依 靠 惯 性 作 用 流 动 的 河 水 在 湖 水 流 动 过 程 中 ,水 体 流 速( u max )与 出 口 断 面 平 均 流 速 ( u 0 )和 水 体 深 度( 2 b 0 )正 相 关 ,与 至 射 流 源 或 出 口 断 面 的 距 离( x)负 相 关 ,水 体 流 速( u max )沿 程 会 以 负 指 数 快 速 衰 减( 图 4)。 当 河 、湖 两 类 水 体 不 等 密 度 时 ,水 体 流 速 的 沿 程 变 化( u max /u 0 )与 河 、湖 两 类 水 体 等 密 度 时具有类似的变化规律 。 虽 然 不 同 类 型 沉 积 湖 盆 的 构 造 背 景 、古 地 形 和 湖 平 面 升 降 、气 候 和 物 源 等 控 制 因 素 存 在 差 异 ,但 所 有 的 河 控 三 角 洲 都 涉 及 河 、湖 两 类 水 体 的 相 互 作 用 。 上 述 动 力 模 式 使 不 同 主 控 因 素 的 河 控 三 角 洲 在 动 力 作用机制上实现了统一 。 3 河控三角洲生长的沉积模式 事 件 性 洪 水 是 泥 沙 搬 运 的 主 要 形 式 ,河 控 三 角 洲 的 生 长 主 要 发 生 在 洪 水 期 ,其 沉 积 体 的 生 长 过 程 是 挟 沙 洪 水 泥 沙 在 三 角 洲 前 缘 和 平 原 沉 积 的 过 程 。 在 前 述 河 控 三 角 洲 动 力 模 式 的 约 束 下 ,结 合 针 对 河 控 三 角 洲 生 长 过 程 进 行 的 水 槽 物 理 模 拟 及 前 人 开 展 的 数 值 模 拟 ,分 析 三 角 洲 前 缘 和 平 原 沉 积 机 制 并 构 建河控三角洲生长的沉积模式 。 3 .1 三角洲前缘沉积特征 单 期 挟 沙 洪 水 向 湖 推 进 沉 积 形 成 的 以 床 沙 载 荷 为主的前缘砂体延伸长度极其有限 ,证据 : ( 1) 河 控 三 角 洲 河 口 动 力 模 式( 图 3,4)表 明 ,失 去 河 床 约 束 条 件 下 ,依 靠 惯 性 作 用 流 动 的 河 水 入 湖 后流速沿程快速衰减 ,从而导致床沙载荷快速沉积 。 ( 2) 河 水 在 湖 水 中 推 进 时 ,水 体 深 度 沿 程 增 大 , 流 速 沿 程 快 速 衰 减 ,床 沙 载 荷 因 所 受 上 举 力 不 足 以 克 服 有 效 重 力 而 沉 降 ,并 因 与 水 体 流 动 方 向 不 同 而 逐 渐 分 离 ,缺 乏 继 续 向 前 牵 引 推 进 的 动 力 条 件( 图 5)。 ( 3) 为 明 确 前 缘 沉 积 特 征 和 三 角 洲 生 长 过 程 ,开 展 了 河 控 三 角 洲 生 长 过 程 的 水 槽 物 理 模 拟 。 主 要 参 数 为 水 槽 长 16 .0 m ,宽 6.0 m ,深 0.8 m ;湖 盆 前 后 设 进 ( 出 )水 口 1 个 ,两 侧 各 设 进( 出 )水 口 3 个 ,控 制 河 水 流 速 、流 量 、床 沙 载 荷 浓 度 、相 对 静 止 的 蓄 水 体 水 位 高 低 或 湖 岸 线 位 置 ;其 中 ,模 拟 所 需 提 供 的 河 水 的 初 始 流 速 必 须 与 床 沙 载 荷 粒 径 和 浓 度 相 匹 配 ,这 要 求 河 水 的 初 始 流 速 足 够 大 ,以 至 于 大 于 最 大 粒 径 床 沙 载 荷 的 起 动 流 速 [25 ] ;模 拟 装 置 设 置 4 块 活 动 底 板( 7.0~12 .0 m), 构 成 活 动 底 板 系 统 ,能 够 实 现 同 步 升 降 ,控 制 湖 盆 底 形 和 坡 降 ;沿 水 流 方 向 的 底 形 设 计 为 ,固 定 河 道 区( 0~ 5.0 m)坡 度 约 为 0.6°,分 流 河 道 区( 5.0~7.0 m)坡 度 约 为 1.2°,湖 区( 7.0~16 .0 m)坡 度 约 0.3°。 过 程 数 据 显 示 ,随 模 拟 进 行 ,床 沙 载 荷 在 湖 岸 线 附 近 快 速 卸 载 ,表 明 河 水 向 蓄 水 体 短 距 离 推 进 后 ,水 体 流 速 由 于 快 速 衰 减 已 经 足 够 小 ,以 至 于 小 于 最 小 粒 径 床 沙 载 荷 的 止 动 流 速 [25 ] ;湖 岸 线 严 格 控 制 着 床 沙 载 荷 卸 载 的 位 置 和 砂 体 的 展 布( 图 6a,b);三 角 洲 前 缘 沉 积 序 列 、砂 体 特 征 及 其 形 成 过 程 严 格 受 水 位 变 化 的 控 制 ,水 位 下 降 是 砂 体 推 进 的 前 提 条 件 [27 ⁃29 ] 。 图 4 河 口 水 体 流 速 的 沿 程 变 化 (u max /u 0 )与 至 出 口 断 面 的 距 离( x) 关 系 Fig .4 Relationship between the change of water velocity (u max /u 0 ) and the distance (x ) to the outlet section of the estuary 图 5 河 口 动 力 场 及 泥 沙 运 动 模 式( 据 文 献 [17 ]修 改 ) Fig .5 Dynamic field and sediment movement model of estuary (modified from reference [17 ]) 378 第 2 期 齐亚林等 :河控三角洲生长的动力和沉积模式 ( 4) 河 控 三 角 洲 生 长 过 程 的 数 值 模 拟 表 明 ,前 缘 沉 积 形 成 的 以 床 沙 载 荷 为 主 的 砂 体 的 分 布 与 湖 平 面 的 相 对 变 化 存 在 确 定 的 响 应 关 系 [30 ⁃31 ] ,在 先 期 模 拟 产 生 的 河 床 变 形 对 后 续 进 行 的 模 拟 的 影 响 可 以 忽 略 的 条 件 下 [32 ] ,模 拟 在 前 缘 形 成 的 以 床 沙 载 荷 为 主 的 砂 体 规模非常有限 。 床 沙 载 荷 在 三 角 洲 前 缘 因 水 体 流 速 衰 减 至 低 于 止 动 流 速 而 沉 积 ,再 次 搬 运 需 要 较 此 前 止 动 流 速 更 大 的 起 动 流 速 [9⁃10 ] 。 早 期 洪 水 在 前 缘 沉 积 形 成 的 以 床 沙 载 荷 为 主 的 砂 体 ,或 被 晚 期 沉 积 的 泥 沙 覆 盖 并 埋 藏 ,或 被 晚 期 更 强 的 洪 水 再 次 搬 运 而 改 造 。 早 期 挟 沙 洪 水 在 前 缘 沉 积 形 成 的 以 床 沙 载 荷 为 主 的 砂 体 , 与 形 成 的 地 质 年 代 无 关 ,已 经 不 具 有 在 当 期 洪 水 作 用 下 继 续 向 前 推 进 的 动 力 条 件 。 河 口 是 河 流 流 速 衰 减 的 终 点 ,其 控 制 下 的 前 缘 是 挟 沙 河 流 床 沙 载 荷 沉 积的终点 。 3 .2 三角洲平原沉积特征 河 流 是 连 接 蚀 源 区 和 沉 积 区 的 主 要 输 沙 通 道 [9⁃10 ] ,其 搬 运 能 力 正 相 关 于 流 速 ,而 流 速 正 相 关 于 河 床 比 降 和 水 力 半 径( 为 过 水 断 面 面 积 与 湿 周 长 之 比 ),反 相 关 于 河 道 表 面 的 糙 率 。 其 中 ,河 床 比 降 和 水 力 半 径 反 相 关 。 足 够 大 的 河 床 比 降 是 河 流 克 服 沿 程 综 合 阻 力 并 维 持 流 动 的 必 要 条 件 [9⁃10 ] 。 河 流 总 是 不 断 地 通 过 自 发 调 整 其 宽 度 、深 度 来 调 整 水 力 半 径 ,通 过 自 发 调 整 流 动 路 径 来 调 整 河 床 比 降 ,从 而 调 整 着 与 此 对 应 的 河 流 平 面 形 态( 河 型 )以 使 单 位 河 长 的 能 量 耗 散 率 最 小 [33 ] 。 上 述 规 律 控 制 了 河 流 的 动 力 特 征 及 泥 沙 搬 运 和 沉 积 机 制 。 从 源 到 汇 ,河 床 比 降 逐 渐 降 低 ,河 床 展 宽 ,水 体 流 速 衰 减 ,搬 运 能 力 降 低 [33 ] 。 近 湖 岸 线 处 的 三 角 洲 平 原 河 床 比 降 更 小 ,河 床 更 宽 ,水 体 流 速 更 低 ,搬 运 能 力 更 弱 [33 ] 。 河 控 三 角 洲 平 原 砂 体 生 长 的 动 力 和 沉 积 模 式 可 以 概 括 为 河 流 末 端 水 体 流 速 沿 程 衰 减 → 挟 沙 能 力 降 低 → 泥 沙 沉 积 → 河 床 抬 高 → 堤 岸 决 口 → 河 流 分 叉 → 水 体 流 速 沿 程 衰 减 → 挟 沙 能力降低 → 泥沙沉积 ( 图 7)。 证据是 : ( 1) 河 控 三 角 洲 河 口 动 力 模 式( 图 4)显 示 ,河 流 入 湖 后 流 速 沿 程 快 速 衰 减 ,河 流 由 此 进 入 雍 水 状 态 并溯源近程传递 ,导致河床发生溯源沉积 。 ( 2) 河 控 三 角 洲 生 长 过 程 的 水 槽 物 理 模 拟 显 示 , 改 变 上 游 来 沙 量 和 下 游 水 位( 湖 岸 线 )等 条 件 ,河 流 平 面 形 态 会 交 替 演 变 ,泥 沙 在 河 口 发 生 沉 积 形 成 河 口 坝( 前 缘 朵 体 )并 导 致 地 形 抬 高 ,河 流 进 入 雍 水 状 态 并 溯 源 沉 积 ;河 床 抬 高 导 致 水 流 越 岸 ,形 成 新 主 流 ;当 上 游 多 沙 和 下 游 高 水 位 时 ,河 流 平 面 形 态 变 化 周 期 历 时 变 短 ,主 流 摆 动 角 度 变 大 ,摆 动 点 位 置 向 上 游 移 动 ,平 原 河 流 的 横 向 迁 移 是 三 角 洲 演 变 过 程 中 最常见的河流运动形式 [34 ] 。 ( 3) 河 控 三 角 洲 生 长 过 程 的 数 值 模 拟 显 示 ,随 着 模 拟 进 行 ,平 原 河 流 的 河 床 因 泥 沙 沉 积 而 快 速 抬 升 [30 ] ,导致堤岸决口进而河流改道 。 分 流 河 道 砂 体 构 成 河 控 三 角 洲 平 原 的 骨 架 砂 体 。 河 流 随 湖 岸 线 摆 动 往 复 进 退 ,地 貌 控 制 下 河 流 的 横 向 迁 移 ,是 平 原 砂 体 生 长 的 重 要 机 制 。 平 原 砂 体 生 长 过 程 ,是 河 流 挟 带 的 泥 沙 在 动 力 、地 貌 控 制 下 沉 积 的 过 程 ,是 动 力 、沉 积 、地 貌 相 互 作 用 的 过 程 ,即 动 力 自 调 整 于 地 貌 并 控 制 沉 积 ,沉 积 自 适 应 于 动 力 并 塑 造 地 貌 ,地 貌 为 泥 沙 运 动 过 程 的 响 应 并 制 约 动 力 。 准平原化是该环境下沉积的发展方向 [32 ] 。 3 .3 沉积模式构建 上 游 来 沙 量 影 响 河 口 坝( 前 缘 朵 体 )纵 向 坡 度 , 下 游 水 位 影 响 前 缘 河 口 坝 砂 体 延 伸 ,两 者 共 同 影 响 着 河 流 流 速 减 小 的 始 发 位 置 和 范 围 ,最 终 影 响 湖 岸 线 的 发 育 位 置 、河 流 的 横 向 迁 移 、三 角 洲 的 发 育 形 态 和 程 度 ,河 控 三 角 洲 是 河 流 延 伸 和 河 口 坝 沉 积 而 引 起 地 形 调 整 的 结 果 [34 ] 。 构 成 河 控 三 角 洲 的 前 缘 和 平 原 沉 积 中 ,沉 积 的 主 体 是 平 原 环 境 而 非 前 缘 环 境 图 6 水 槽 模 拟 显 示 的 湖 岸 线 与 沉 积 体 关 系 Fig .6 Relationship between shorelines and sediments of flume simulation 379 第 39 卷沉 积 学 报 ( 图 6,8)。 地 貌 控 制 下 河 流 的 频 繁 摆 动 是 平 原 砂 体 生 长 的 重 要 机 制( 图 7,8)。 受 控 于 湖 岸 线 的 迁 移 和 可 容 空 间 的 变 化 ,某 期 洪 水 在 平 原 和 前 缘 沉 积 形 成 的 以 床 沙 载 荷 为 主 的 砂 体 ,或 被 后 期 洪 水 沉 积 的 泥 沙 不 同 程 度 的 覆 盖 并 埋 藏 ,或 被 后 期 洪 水 再 次 起 动 、 搬 运 进 而 不 同 程 度 的 改 造 ,形 成 多 种 叠 置 或 切 割 的 砂体接触关系 。 上 述 河 控 三 角 洲 生 长 的 沉 积 模 式 ,是 基 于 湍 流 理 论 对 河 、湖 两 类 水 体 的 相 互 作 用 机 制 进 行 微 观 动 力 过 程 分 析 ,在 揭 示 湍 流 射 流 成 因 、控 制 因 素 及 流 动 规 律 的 基 础 上 构 建 的 ,并 得 到 水 槽 物 理 模 拟 、数 值 模 拟 和 河 流 泥 沙 动 力 学 的 支 持 ,该 沉 积 模 式 具 有 普 遍 的适用性 。 4 结论 ( 1) 湍 流 是 包 括 河 水 、湖 水 在 内 的 地 表 水 体 流 动 的 主 要 形 式 ,湍 流
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本文标题:河控三角洲生长的动力和沉积模式
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