沉积盆地洪水异重流研究进展

洪水触发形成的异重流(hyperpycnal flow)是盆地中一种重要的深水重力流沉积体系,是当前沉积学研究的热点。基于大量文献调研,文章对异重流的发育条件、演化过程以及沉积特征的研究现状与进展进行了归纳和总结。异重流是由洪泛期河流携带大量沉积物颗粒从河口直接注入的,流体密度大于环境水体密度且受浮力影响小并沿盆底流动的流体。异重流的形成受到多种因素的影响,主要包括地形、气候和物源条件。异重流的演化经历了回流区、深度有限流区和潜入区,在流动过程中流量振荡频繁,但总体表现出先增强后减弱的水动力学演化特征。异重流形成的沉积产物被称为异重岩,以发育流水成因交错层理、层内冲刷接触面、异地植物碎片、逆粒序-正粒序二元结构而区别于其他重力流沉积。根据异重流沉积物的搬运负载方式,可将异重岩划分为底载成因、悬载成因和漂浮物成因3种主要岩性类型。异重岩的沉积特征与其能量演化过程密切相关,不同空间位置形成的沉积序列及沉积单元存在一定差异。深入研究异重流沉积有助于完善深水重力流理论,对认识地表地质过程、重建古环境以及指导油气勘探具有重要意义。今后可以从构建多种沉积模式、多因素耦合研究和多尺度观测监测等方面展开研究,为异重流沉积学发展和实际地质应用提供更准确的理论依据。

基于改进的径向基神经网络模型的水库异重流泥沙淤积量模拟

文章结合改进的径向基神经网络模型对石佛寺水库异重流泥沙淤积量进行模拟,并结合水库泥沙淤积量测定值对模型进行检验。结果表明:相比于传统模型,改进模型对模型变量进行优化调整,对于水库异重流泥沙淤积量预测的精度有明显改善。研究成果对于水库泥沙淤积的趋势预测方法具有参考价值。

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷及周缘二叠系芦草沟组异重流沉积

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组储层的沉积成因一直存在争议。基于芦草沟组露头、岩心、测井、地震及分析化验资料,开展沉积学分析。研究表明:①准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组储层岩性为粉-细砂岩及泥质粉砂岩,发育对偶粒序及内部侵蚀面、块状层理及陆源植物碎片,为湖泊异重流成因。②异重流水道亚相主要由块状及交错层理粉-细砂岩组成,单层厚度0.8~2.8 m,平均1.6 m,核磁孔隙度值6.0%~12.0%,平均9.5%;朵叶体亚相主要由粒序层理、爬升波纹层理粉砂岩组成,单层厚度0.5~1.4 m,平均0.9 m,核磁孔隙度3.5%~7.8%、平均5.2%。③水道亚相具有透镜状充填地震反射特征,砂体厚层状加积充填,平面上为条带状或舌状,横向宽度1~3 km;朵叶体亚相具有披覆状地震反射特征,砂体薄层状侧积、前积发育,平面为扇形,长度及宽度均超过10 km。④芦草沟组沉积时期,南部山区频繁发生的洪水异重流携带陆源碎屑及有机质在吉木萨尔凹陷快速沉积,形成了砂岩储层与优质烃源岩,造成了水道-朵叶体砂体与异重流侧缘-深湖烃源岩大面积接触、频繁互层。湖泊异重流沉积模式为吉木萨尔凹陷“粗-细共存、源-储共生”高品质页岩油的成因提供了新的沉积学解释机制。

小浪底水库高水位异重流出库条件及排沙影响因素分析

小浪底水库运用以来,在保障下游防洪减淤及生活、生产、灌溉和生态用水安全等方面发挥了巨大的社会效益和经济效益。基于实测资料,分析了小浪底水库运用以来高水位异重流出库条件及排沙影响因素。结果表明,小浪底水库高水位(235 m以上)运用期间异重流运行至坝前需满足两个条件:(1)入库洪水过程不小于3 d、细泥沙含量高于40%。(2)入库流量Q入≥4 000 m^(3)/s且入库含沙量S入>13.0 kg/m^(3),或者1 700 m^(3)/s<入库流量Q入<4 000 m^(3)/s且入库含沙量S入>86-0.018 Q入。水库排沙比η和蓄水体积与出库流量的比值(■)以及进出库流量的比值(■)成反比关系。最大连续3 d入库输沙率越大,水流动力越强,排沙效果越好。

塔北地区三叠纪拗陷湖盆异重流沉积特征及主控因素

针对异重流的研究主要集中在现代海洋环境,对古代陆相拗陷湖盆异重流发育特征和主控因素研究甚少。为此,以塔北地区为例,利用岩心、钻井、测井及三维地震资料,分析了三叠系TⅡ油组的异重流沉积。结果表明,湖侵—高位体系域沉积时期,研究区TⅡ油组发育2种典型的异重流沉积序列,均由1个向上变粗和1个向上变细的沉积单元构成,发育大量爬升波纹层理和沙纹层理,其中一种序列的2个单元间为突变,发育冲刷面,而另一种序列的2个单元间为渐变,反映了洪泛能量的差异。研究区异重流主要来自西南部与东北部2个方向,其中,西南部异重流居主导地位,分布范围广,延伸距离长,垂向上多期异重流沉积相互叠置。该区异重流具备洪水重力流的特征,其形成与洪泛密切相关,受气候、构造活动、湖平面、物源等多因素控制。

考虑异重流的紫坪铺水库一维水沙数值模拟研究

水库异重流是河道挟沙水流潜入水库清水之下形成的一种特殊水沙运动现象,对水库减淤排沙具有重要意义。针对紫坪铺水库近年来沙量剧增、水库淤积严重的问题,耦合水动力学泥沙基本方程与异重流运动方程,构建了紫坪铺水库一维水沙数学模型并对水库水沙运动过程进行模拟研究。研究结果表明,模型可以对进出库流量、出库含沙量、深泓线以及库区淤积分布进行模拟,且具有较好的精度。该模型可为紫坪铺水库未来不同水沙情景模拟以及预测提供理论依据,为西南地区多沙水库水沙运动过程研究以及排沙调度提供技术支撑。

分层异重流背景下降雨对三峡水库香溪河水华消退的影响

为探究在三峡水库特殊分层异重流背景下降雨对水华消退的影响,以香溪河为例,对库湾降雨前后水动力、生态环境因子开展连续三维立体跟踪监测。结果表明:降雨对水华的消退作用显著,降雨后香溪河库湾叶绿素a(Chl.a)浓度明显下降。热分层稳定指数(RWCS/H)变化不大,库湾近河口处分层较弱、中上游分层较强的特性并未随此次降雨发生较大变动。受降雨影响,藻类在表层水体聚集程度降低,藻类聚集度指数(MI)、微藻群体平均深度(MRD)下降。库湾流态随降雨发生而变得复杂,库湾水体浊度明显增加,异重流倒灌形式由近表层倒灌向中下层倒灌转变,雨后又逐渐转变为中层倒灌,长江干流水体倒灌进入库湾的影响范围、潜入深度增加。水体水平输移增强,分散下沉的藻类易随水体环流流出库湾,水华消退。雨后库湾入库流量增加,大部分上游来流依旧由上层流向河口,与中层倒灌异重流形成逆时针环流,藻类无法在表层水体稳定生长,库湾Chl.a浓度能在较长时间内保持较低水平,不会再次迅速暴发水华。

浑水异重流水量掺混系数的研究

本文综合作者和前人的浑水异重流的掺混实验资料,得到在急流异重流时,其掺混系数同盐水异重流实验结果类似,当理查森数Ri在0.6-0.8时,可视为零掺混,而在接近缓流时,由于异重流挟运细粒泥沙,异重流在长距离运动中,有一部分分离出清水从下层进入上层,显示为负掺混。最后用经验公式表达异重流水流流速和交界面高程沿纵向的变化。

泥沙异重流稳定水跃的耗能与掺混实验研究

异重流稳定水跃是非连续异重流中的一种典型流态,反映着由急流过渡到缓流时的运动特征。其运动过程伴随着复杂的耗能和掺混过程,目前的研究还不能很好地解释两者间的对应关系。本文利用水槽实验,观测了泥沙异重流在斜坡与平底交界处的水跃现象,通过推导水头损失公式,分析了水跃耗能和掺混关系。研究发现增加入口含沙量或初始水深,或减小入口流速,均导致水跃强度减弱,共轭水深比值减小,异重流层厚度增加受限。这种实验现象伴随着水跃耗能过程的强弱,入口含沙量或初始水深的增加,或入口流速的减小,均导致水跃前后的水头损失降低,减少了被卷吸的上层清水流量,共轭水深比值进而减小,异重流层密度也有小幅降低。通过对异重流水跃的耗能过程分析,可知耗能减小表明流层间的紊动强度减弱,能有效地降低异重层和上层清水的掺混速率。通过回归分析,发现共轭水深比值与水头损失比∆hf/hf1,以及∆hf/h f1与掺混系数K_(Q)均呈现出正比例线性关系。本文推导的能量指标是分析异重流水跃过程、揭示异重流掺混机制过程的可行方法。

河口航道双丁坝影响下异重流运动特性

在河口地区,由密度梯度驱动而产生的异重流是影响航道内泥沙输移的重要因素之一。作为航道整治中常见的建筑物,丁坝群可以缓解航道的泥沙淤积问题、提高通航能力。为探究双丁坝对异重流运动特性的影响,运用粒子图像测速系统(PIV)开展了开闸式异重流实验,研究了在不同束窄系数情况下,航道异重流稳定阶段内的流场及湍流特性,并对比分析了异重流在两个丁坝位置特征断面处的单宽流量及总流量。结果表明,双丁坝改变了航道内的流场,异重流在经过束窄断面后会向第二个丁坝后部区域横向扩散,进而使得流速加大、高度降低;异重流在两个丁坝束窄断面的单宽流量近似相同,且与束窄系数无关;异重流在束窄断面的总流量与断面宽度成正比,在实际工程中可以通过适当调整丁坝长度来控制侵入航道的异重流总量。

异重流沉积研究进展与展望

[意义]异重流(hyperpycnal flow)是一种源自洪水期河口、受重力驱动而沿沉积盆地底部流动、以准稳态存在的高密度沉积物重力流。异重流沉积研究对于地质科学进步、地质灾害防治和油气勘探开发等具有重要的理论和现实意义,已成为地球科学与工程领域的研究热点之一。[进展与结论]通过对国内外相关研究进展的综合分析,结合国内湖相异重流沉积典型实例研究,认为:(1)异重流的形成需要两种流体之间有足够的密度差、蓄水水体有足够的深度和突发的洪水事件3个基本条件,就输入流体密度条件而言,海相(或咸水)环境要远大于陆相(或淡水)环境;(2)异重流的形成主要受控于构造、气候、地形、物源供给等因素的综合作用,活跃的构造、湿润的气候、陡峭的地形和充足的碎屑物质供给有利于异重流的发生;(3)在不同沉积位置和沉积背景条件下,异重岩(hyperpycnite)的沉积特征不尽相同,故难以用单一的标志来判识不同条件下沉积的异重岩;(4)在靠近(分流)河口近端(扇根),异重流沟道可与水下分流河道相连,以主水道的侵蚀、填充作用为主,形成下切的主水道砂砾岩体,以侵蚀面+滞留沉积+正粒序砂岩为主要鉴别特征,可含动物及植物茎干化石;(5)在中部沟—扇过渡地区以及扇缘地区,可依次形成分支沟道、水下天然堤、沟道侧缘、朵叶体等沉积单元,成对出现的逆粒序—正粒序组合、层内微侵蚀界面和成层分布的植物碎片(炭屑)可以作为扇中至扇缘地区异重岩的重要判识标志;(6)异重流对沉积物的运载方式有悬浮载荷和底床载荷,沟道充填沉积物可由悬浮载荷和底床载荷共同搬运,水下天然堤、朵叶体沉积物则以悬浮载荷为主要搬运方式。[展望]展望未来,异重流沉积研究可在以下方面取得长足发展:(1)异重流流体性质转换、流体对沉积物的搬运—沉淀机理等理论基础方面不断完善;(2)古代异重流沉积环境分析、沉积特征识别、沉积微相(要素)分析、沉积构型解剖等方面趋向深入;(3)陆相湖盆环境异重流沉积特色研究更加清晰;(4)有关异重岩的成岩作用研究成为储层沉积学的新方向;(5)异重岩储层预测与非常规油气地质意义等研究不断与生产实际紧密结合,异重岩储层将不断被发现;(6)针对异重流沉积的水槽实验、水下观测、数值模拟等研究方法的进步将促使相关研究不断取得突破。

水沙自加速异重流水槽试验研究

自加速异重流虽在理论上早已被证明存在,但是现实中受观测条件限制,仅在个别大河入海口被观测到。设置了一个水沙异重流试验水槽,在不同工况下分别塑造了减速异重流和自加速异重流过程,试验结果验证了自加速异重流发生的理论临界条件,系统描述了异重流自加速与减速的演进过程。

海平面振荡、气候变化和海洋学过程协同控制下的深水异重流沉积发育

异重流沉积不仅对油气勘探有重要意义,其记录了丰富的沉积过程和气候变化的信息,是沉积学和古气候变化研究的重要载体。然而,海相深水异重流沉积很难与盆内浊流区分开来,导致对海相深水异重流沉积的发育控制因素和演化模式知之甚少。因此,亟需更多深水异重流沉积的精细研究来揭示其演化规律和控制因素。

双层环境中圆桩柱对斜坡异重流动力特性影响的试验研究

利用开闸式异重流水槽试验,结合高速相机和粒子图像测速技术,量化不同强度双层环境中圆桩柱对斜坡异重流传播模式、速度与涡度场、波流作用等宏微观特性的影响。试验结果表明:在低理查森数Ri_(ρ)环境中,圆桩柱的存在抑制了异重流混合层厚度的增加,但延展了其在流向的长度;在高理查森数Ri_(ρ)环境中,圆桩柱打破了侵入流在密度跃层处对称的传播模式,并促进了异重流与环境流体的剪切过程。当内波弗劳德数Fr> 1时,产生锁定波,异重流头部出现强漩涡,在密度跃层产生有利压力梯度使内波尺寸增大;当内波弗劳德数Fr <1时,振荡产生发射波,波谷与异重流头部相互作用而使波形变平整;当内波弗劳德数Fr≈1时,锁定波和发射波并存。在低理查森数Ri_(ρ)环境中,圆桩柱的存在导致波流耦合作用减弱,而在高理查森数Ri_(ρ)环境,波流耦合作用反而增强。

垂向异重流式水沙分离鳃水沙分离机理浅析

对新形净水装置——垂向异重流式水沙分离鳃的水沙分离机理进行初步研究。在已有的利用加单排鳃片分离鳃对含沙质量浓度为60kg／m^3的浑水进行研究的基础上，对无鳃片普通模型、加单排鳃片模型和加双排鳃片模型在泥沙质量分数为8％-20％的范围内进行了不同含沙浓度浑水中泥沙沉降速度的对比试验，得出3种不同装置中泥沙沉降速度的基本规律。分别从泥沙絮凝的角度和异重流的角度阐述了垂向并重流式水沙分离鳃这一装置可以快速进行水沙分离的机理，并简单论述了垂向异重流的概念。

异重流潜入现象探讨Ⅰ:水槽实验与理论分析成果回顾

本文对异重流潜入现象中各种潜入点水槽实验、理论分析和数值计算成果进行回顾,并探讨不同进口水沙条件下异重流潜入点的水沙特性、潜入点与其下游异重流水沙因子的关系,全文以两篇分述。本篇介绍各家用浑水、盐水和冷水进行实验,在已知进口水沙(盐水或冷水)条件下,获得潜入点断面的密度Froude数Fp,且Fp为某一定值;水库壅水区Fp值在0.5~0.8之间,引航道口门处Fp在0.25左右。在潜入点理论分析、模型数值计算方面,探讨了潜入点Fp值同掺混系数、阻力系数以及潜入点下游异重流深度hd与潜入点水深Fp之比的关系;各家建立不同概化图形并应用能量、动量方程进行分析,求得不同形式的Fp表达式;有学者利用紊流水沙模型进行数值计算与水槽实验的Fp值或hp进行对比,获得基本符合实际的结果。

异重流潜入现象探讨Ⅱ:浑水水槽实验与分析

在上篇回顾异重流潜入现象研究中前人水槽实验情况和理论分析成果的基础上,本篇首先对浑水水槽实验测得的潜入点上下游沿程断面上的流速分布、含沙量分布及浑水潜入形成异重流的交界面曲线等数据进行分析,求得不同进槽流量、含沙量的进口水沙条件下潜入点处的密度Froude数Fp判别值;其次考虑潜入点Fp与其下游异重流水深hd等因素的关系,进行水库和引航道异重流潜入的理论分析,应用能量方程、动量方程分析得到忽略掺混的4种Fp与hd/hp的表达式,并与实验数据作比较,两者较接近;再将以往各学者的理论研究Fp的表达式略作推演,获得同本文推导公式近似或相同的公式,以便同本文实验资料进行比较。

2010年调水调沙期间黄河利津段对人造异重流的响应

黄河调水调沙期间是目前观测黄河口泥沙异重流的有利时机。黄河入海含沙量、粒度和流量是决定河口异重流产生和发育的基本条件。自2010年6月19日黄河第10次调水调沙启动,在利津站进行了同步取样及测深、测流观测,以掌握调水调沙期间黄河入海水沙特征变化,预测河口泥沙异重流发生时间。观测结果显示:在调水调沙初期上游水库联合低泥沙浓度放水情况下,流量急剧加大,河道底床被冲刷,大量底床粗颗粒泥沙再悬浮造成利津站水体含沙量和输沙量有所增加,粒度粗化;观测后期受小浪底水库排放的泥沙异重流影响,利津站流量迅速减少,含沙量和输沙量显著增加,且细颗粒泥沙含量明显增加,河道底床被淤积。此阶段黄河入海含沙量和悬沙粒度满足河口泥沙异重流产生条件,据此可以预测河口泥沙异重流产生的时间。同时,巨量细颗粒泥沙短时间内以泥沙异重流的形式输送入海,势必会在河口处引起快速的河口地貌地形变化和生物地球化学效应。

污水处理厂沉淀池中的异重流

周边进水周边出水沉淀池具有表面负荷大、容积利用率高的特点。如何设计沉淀池的直径、配水槽孔口的大小与布置,使之达到配水均匀、提高容积利用率,是当前设计者所关心的问题。本文通过模型试验,探讨了沉淀池中异重流形成的主要原因及其运动规律,并总结出沉淀池中异重流环流半径的经验公式,可供设计者参考。

异重流交界面波动失稳条件

本文讨论盐水或浑水(浮泥)交界面在水流作用下,发生不同振幅和频率的交界面波动,乃至界面波失去稳定时的水力和介质密度性质的条件。通过试验观察浮泥层在水力作用下交界面波动以及界面波失去稳定时的物理现象,测定了界面波破碎的临界流速。该结果与盐水的临界流速试验结果,可用于估计两种异重流交界面的临界流速。进一步的研究发现用Keulegan的界面波失去稳定的条件,即Uc和(νgΔρ)/ρ1/3的关系,也可估计其临界流速。由于盐水和浑水的运动黏滞系数ν与密度差的关系有相同的规律,故可用较简单的密度差和临界流速的关系线,估计界面波失去稳定时的临界流速。