地上为什么会出水（地面流水的运动特点）

一、水动力因素与底形 （床砂形态）

水动力因素与沉积物表面构造和内部层理构造的形成关系密切。水槽实验是模拟自然界沟槽中运动的牵引流在非粘结性床砂表面造成的波痕、反丘等形态称为底形或床砂形态。底形或床砂形态随流体动力条件变化而变化。西蒙斯等人（１９６５）提出了流态的概念。

（一） 流态

流态是指沟槽里的水流，根据底床形态类型、沉积物搬运方式、能量消耗过程及底形与水面之间的相位关系，可以划分为低流态、高流态，其间还有一个过渡流态。可以用弗劳德数（Ｆ）表述。

低流态：在低流态中，对水流的阻力大，沉积物搬运量比较小，水面波动与底形波动相位不同，底形是小波痕、大波痕。床砂搬运通常是将砂粒搬运到小波痕或大波痕的波脊上，当积聚到一定数量后顺背流面塌落。弗劳德数小于１。流形为稳流。

高流态：在高流态中，水流阻力小，沉积物搬运量大，水面波动与底形波动是同相位的。常见的底形是平底和反丘。床砂的搬运是在底部连续顺流滚动，弗劳德数大于１，流形为急流。

过渡流态：过渡流态的底形是不稳定的，可以由典型的低流态底形—大波痕到典型的高流态底形—平底，弗劳德数等于１。

（二） 底形

底形是由于水流作用在水底沉积物表面形成的各种外形，如平床、小波痕、大波痕，有沉积物运动的平床、反丘等称为底形。底形与水流强度有关。

西蒙斯等（１９６５）用水流功率（Ｖτ０）来表示水流强度，即水流强度与流速和切应力呈正相关。

切应力 τ０＝νＤＳ（ν——流体和沉积物的比重；Ｄ——水流深度；Ｓ——能量梯度的斜率）

随着水流强度的增大，底形逐渐向没有沉积物运动的平底—小波痕—大波痕—具有沉积物运动的平底到反丘的序列变化（图８－１）。

没有沉积物运动的平底：平底是水流功率小，没有任何底形的平坦床砂，当加大水流速度，沉积物开始运动，这时直径＜０．６ｍｍ的砂来说，平底就变为小波痕，对于直径＞０．６ｍｍ 的砂来说，平底直接变为大波痕。而对于直径０．９３ｍｍ的砂来说，在水流功率小形成大波痕之前，形成有沉积物运动的平底。没有沉积物运动的平底表现为水平层理。

小波痕：小波痕是具有平缓上游坡和较陡下游坡的底形，波长一般小于３０ｃｍ，从不超过６０ｃｍ。小波痕开始形成时是平行的长脊，波幅较小，随着水流强度增大形成弯曲或不规则波脊的较大波痕。在细砂中产生小波痕的最低水流速度是２０ｃｍ／ｓ左右，在粉砂中产生小波痕的最底水流速度是８～１５ｃｍ／ｓ。

大波痕：当逐渐增大水流功率、流速、砂粒的搬运量和速度，小波痕会突然转化为大波痕。大波痕形态与小波痕相似，但波长大于６０ｃｍ，大波痕的波幅随水深增加而增长。从粒度上看，细砂比中，粗粒砂形成大波痕的水流功率要大得多。

波痕的迁移就形成交错层理。

具有沉积物运动的平底：平底是没有大于底床物质最大粒径的凸起和凹陷的床砂。平底对水流的阻力比较小，其阻力最主要由颗粒糙度引起，糙度又与颗粒大小相关，因而细砂比中粒度砂从大波痕过渡到平床的水流功率小，平床显示的内部构造是平行层理。

反丘：反丘与水面波相位相同，它们之间有强烈的相互作用。水面波的高度可以一直增大到成为不稳定波或碎波，或者平静下来，前者称为碎波反丘，后者称为驻波。当反丘形成或增高时，它们可以向上游运动，也可以向下游运动或保持原地不动。当其向上游运动时，其底形形成逆行沙丘，沉积物内部显示反丘交错层理。

（三） 流形

在非粘结性床砂上面的水流，由于水－沉积物界面的不稳定性，可以产生波痕等底形。在水槽试验中观察波痕背流面上的流形，可以发现，在沉积物－水的界面上方存在一个重流体层，沉积物的浓度相对较高，颗粒以滚动、滑动、跳跃和悬浮的方式运动。这个重流体层在波痕脊上消散，颗粒弥散开来并失去底部的支撑，颗粒就在背流面或这个区域沉降下来。在波痕的背流侧可以分出水动力学不同的三个带（图８－２）。

无扩散带这个带以悬浮方式携带细碎屑越过背流面。

混合带以大型湍流为特征，流体层极不稳定，并卷入漩涡。在混合带流速纵向上快速变化，自上而下流速降低，到一个拐点速度为０。其下到达回流带。

回流带水流出现反方向的运动，其速度可以达到顺流平均速度的２０％～２５％。在回流带中，呈悬浮状态的颗粒可以再次卷入混合带的涡流中。

底形和流行的某些特征共同影响着碎屑物的沉积作用。如图８－３所示，在向流面约２／３的距离内，颗粒向下游搬运。由于较大的颗粒与水流接触面积大，因而易于搬运，细颗粒接触面积小，搬运困难一些。这样就会发生沉积物的分选，部分细颗粒沉积下来，并渗透到向流面粒间的孔隙中，在向流面上富集了较细的颗粒———向流面纹层由细颗粒组成。而较大的颗粒被带到波痕脊上，当流速较低时颗粒在脊上堆积起来形成突出体。突出体是不稳定的，当达到一定高度时就发生塌落。颗粒在背流面上塌落，会沿滑落面发生分选作用，大颗粒趋向于堆积在外侧，并且由于具有较快的沉降速度而富集在背流面底部。分选作用还受背流面长度的控制，小波痕背流面短因而分选作用不明显，大波痕就十分明显。

波痕脊上颗粒的堆积（平衡期）和塌落（期）是交替出现的，在平衡期悬浮物质也可在背流面上发生沉积，形成薄薄的一层细粒的或轻的（云母片、黏土等） 沉积物。塌落期形成粗粒的沉积物，从而显示出波痕内部的交错纹层。交错纹层的夹角相当于安息角。安息角受介质性质 （水、大气） 流体流速的控制，在水流中一般不超过３５°。

当塌落作用连续进行时，纹层不能显示出来，就成为块状构造。

二、流水运动特点

根据牵引流的运动状态，流体内部水质点的运动轨迹，可分为层流、紊流等水动力结构。它们直接影响地面流水地质作用特征。

（一） 层流

水流流动时，水质点作流束状或层状运动，各质点的迹线不相交错的一种流动状态称为层流。水质点的运动速度和方向是恒定的，水 质点的运动轨迹———流线在无障碍时是彼此平行的，当存在圆柱状或球状的障碍物时则流线随边界弯曲。根据在实验室的玻璃管内水流状态的观察，水流只在很低的速度时，保持相互平行的层状，均匀地向前移动，水质点的位置不发生相互调换，因而水层之间不相混合 （图８－４ａ、ｂ）。

（二） 紊流

水流高速流动时，流线波状起伏，各运动质点的迹线具有复杂的形态，并且相互交错的一种流态称为紊流。水质点的运动速度和方向随时发生任意的改变，其运动轨迹是不规则的（图８－４ｃ）。这种流动状态称为紊流或称湍流、涡流。实验证明，只要水流速度增大，或者界面略有粗糙不平，水流就会呈现紊流状态。紊流中存在漩涡产生的水流紊动作用，由于漩涡的大小、方向和转速不同，因此紊流的任一质点的流速的方向是随时间变化的——称紊流运动的脉动现象。