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地質學
第一章 概論
第十二章 河流與河流的地質作用
第十三章 地下水
第十四章 風的地質作用
第十五章 冰川與冰川的地質作用
第十六章 湖泊和沼澤的地質作用
第十七章 海洋
第十八章 海水的地質作用 - 海水的剝蝕和搬運作用
第十九章 板塊構造學說
第十一章 地質圖與地質圖的判讀
第十章 地層與地質時間
第二章 我們居住的地球
第三章 礦物
第四章 岩石概論
第五章 火山與火山作用
第六章 風化和土壤
第七章 地質作用、地殼變動與構造運動
第八章 化石與古生物學
第九章 地殼與生物進化的歷程概述
第二十章 環境地質學
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12-4 河流流動的類型 (Types of Flow)
(一)層流又稱片流 (Laminar Flow) 
 
在實驗室裏,科學家曾經作過下述的實驗,即把一些有色的指示劑染料放進一貯於玻璃槽內緩慢流動的水體之中,發現向下流動的色線,是彼此平行的。當它們遇到障礙物的時候,便以流線型的方式繞過此一物體(見圖12-9)。這種現象很明顯地說明了液體是作層狀或薄片狀的流動,故名為層流或片流,又稱流線型流(Streamline Flow) 。由實驗及觀察知道這類層流或片流是膠狀液體如滑潤油、火山熔岩與冰河等的流動的特色,故又名黏性流(Viscous Flow)。在水中,這種流動的方式也能發生,但要在流速每秒少於2.5公分,即每小時在100公尺左右,同時水中並不挾帶有任何固體狀物體的時候,才可以發生。

 

 
(二)擾流 (Turbulent Flow) 
 
水質點在流動過程中,彼此間相對位置隨時改變的一種無序水流方式。擾流產生的原因是當流體的流速超過某一臨界值時,在流體的內部不同流速層分界面上,內摩擦力使分界面不穩定,從開始時的波狀發展成為複雜的漩渦,導致水質點的無序運動。擾流產生的上生流,其流速可達水流水平流速4-8%。擾流產生的上舉力,是促使泥沙進行懸浮運動的動力。當實驗水槽中水流的速度漸漸增加,當中色線的流動便從相互平行突然改變為極不規則的擾亂狀態,有彎曲的,有向各方打轉的,直至它們和流水混合而難以分清為止。這種流動因屬擾動的方式,故名擾流(Turbulent Flow)(圖12-10)。水在流動過程中,隨著水流流速的增加,層流可轉變為擾流;反之,隨著水流流速的減小,擾流也可以轉變為層流。這種水質點運動方式轉變點的平均流速稱臨界流速。河流臨界流速的大小與流水的黏度、密度、過水斷面的大小及河床的粗糙程度有關。水流黏度大,河流光滑,則臨界流速大;流水黏度小,密度大,河床粗糙,過水斷面大時,則臨界流速較小。據實驗,在半徑為10m的半圓形水槽,所測得的水流臨界速度介於0.1-0.3mm/s之間;在半徑為5m的水槽中,測得的臨界流速介於0.2-0.6mm/s之間;小於0.2mm/s則出現層流,大於0.6mm/s則出現紊流。從這些數值可以看出,天然快速河流的水流幾乎經常都是擾流。
 


 
河流各部份擾動的強度又是不一致的。通常在剖面中央的頂上部份,因向前流動的速度最大,另外在接近河床部份因和河底接觸,所以都是擾動最厲害的地方。見圖12-11。

 


 
擾流可分為微擾流 (Microturbulence)與大擾流 (Macroturbulence)兩種。前者的擾動非常輕微,多來自流水對河岸的衝擊,或來自和河床的磨擦。在陽光之下,泥粒的擾動可以由肉眼見到。微擾流的表面速度每秒如在0.3公尺上下的,叫
靜流(Tranquil or Placid Flow),為河流流動最普遍的一種方式,故又名河流流動 (Stream Flow)。大擾流是由河道的曲折,凹凸不平和與障礙物的接觸而產生,它與河床和河岸的侵蝕,沉積物的搬運與重行沉積,有密切的關係。它主要
區分為有節奏的與週期性的波浪(Rhythmic and Cyclic Surges);沿著垂直或水平軸的旋轉;遇到巨石的障礙而發生的迥旋運動(Voortex Action)(表面常產生大量氣泡);螺旋式的流動(Helicoidal Flow);和岩壁磨擦或遇到漂石而形成的漩渦等等。

 
(三)急流(Shooting Flow),又名不一致流(Nonuniform Flow) 
 
支流在上游流動的方式,和主流在下游流動的方式是不一樣的,這不僅是因為河床的平均斜度不一樣,同時也因為上游的斜度常常突然改變。河床的坡度在突然改變的時候,便產生急流。
 
從圖12-12中,我們可以知道當河水流經斜度一致的AB段河床的時候,速度是均勻而緩慢的,這便是靜流的型式。到了B點,河床的斜度突然增加,於是從B到C段的河流變淺,流速大增,直瀉而下成為急流。到了C點以後,河流的坡度又回復原狀,於是速度緩慢下來使河流變深,成為靜流。急流的方式常在上游形成湍流與瀑布。

 


 
在上圖C點的地方,我們可以看到急流所發生的一種特殊現象。由於那裡是急流與靜流相遇之處,河床斜度變緩,因此流速頓減,水位突然升高,並且發生強烈的沖擊,使水面擾動得特別厲害,當中充滿氣泡。這種現象我們稱之為水力跳躍(Hydraulic Jump)。例如在瀑布下方所發生的沖擊現象,便是一個最好的例子。 
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