水跃现象原理及其在沉积学中的意义
作者单位：长江大学地球科学学院
会议名称：《2015年全国沉积学大会》
会议日期：2015年
摘 要：水跃(Hydraulic jμmp)是流体力学的一个现象,常在像河或泄洪道的明渠中出现,当明渠中的水流由急流状态过渡到缓流状态时,会产生一种水面突然跃起的特殊水力现象,即在较短的渠段内水深从小于临界水深急剧地越到大于临界水深,这种特殊的局部水力现象叫做水跃。1828-1829年,裴朗格(Belanger)用了10年的时间成功推导出了水跃方程。他的实验反映了对于明渠急变流的水跃来讲,其中有较大的能量损失,并且没有一个独立的公式来确定水跃的能量损失,所以推导水跃方程需要应用恒定总量的动量方程来完成。棱柱状水平明渠的水跃方程(非棱柱状水平明渠的水跃方程原理相同,方法类似,所以不再做讨论):q2/gA1+A1hc1=q2/gA2+A2hc2Q—流量;g—重力加速度;hc1,hc2—水跃前、后断面形心距水面的距离;A1,A2—水跃前、后断面的面积。应用水跃方程可以计算:水跃共轭水深、水跃能量损失和水跃跃长等相关参数,这不仅在水力学中应用广泛,在沉积学中同样具有意义。在沉积学中,为了在实验室进行评估,Brennen等人将流体质量m和层流厚度h转换为无量纲的弗劳德数,使弗劳德数在实验条件下可测。而后,他们对水跃沉积过程进行了模拟:携带沉积物的高临界流体发生稳定水跃,流体随即跃起,在重新接触水面位置的前方堆积,随着沉积物的不断堆积,明渠底部逐渐升高,使得其所在位置的水位也随之升高。因此,导致跃起后携带沉积物的流体在下落过程中提前接触水面,接触位置向物源方向发生了位移,沉积物沉积的位置也随之向源移动,由此产生了后积的现象。直到不断后积的沉积物逐渐沉积到水跃跃起的位置,水跃便不再发生。在陡坡上的高速沉积重力流在遇到一些阻碍(如遇破折带)时,便会形成水跃,其形成了一系列的沉积构造(逆行沙丘和冲沟等),笔者在野外露头和声波成像中也发现了这些沉积构造成群出现的现象。通过对水跃现象和其所形成的特殊沉积构造的研究,不仅可以判断古水流的流体力学性质,而且能分析其水动力机制、沉积过程以及沉积物的分布等,对水动力沉积学的研究具有重要意义。