CN113238295B - 古代河流沉积的原始河道比降分析方法、装置及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种古代河流沉积的原始河道比降分析方法、装置及设备，包括如下步骤：a选取保存完整的河道，测量河床上的沉积物密度、沉积物粒度中值、河水密度以及河道满岸深度；b基于沉积物密度和河水密度，计算沉积物有效相对密度；c基于沉积物有效相对密度以及沉积物粒度中值，计算满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数；d基于满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数，计算沉积物的临界启动应力；e基于沉积物的临界启动应力，计算河床临界水流速度；f基于河床临界水流速度以及步骤a中的河道满岸深度，计算河道横截面水流平均速度；g基于步骤f中的河道横截面水流平均速度以及步骤a中的河道满岸深度，计算原始河道比降。

Description

古代河流沉积的原始河道比降分析方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及一种计算古代河流沉积的原始河道比降分析方法、装置及设备，属于古代河流地质构造与地貌技术领域。
背景技术
河流沉积是最重要的陆相沉积类型，广泛分布在沉积盆地的各个部位，是陆相沉积地层最重要的组成部分。古代河流的沉积学与形态学特征可以作为古地理的重要指示参数，对还原古环境、古地貌至关重要。其中，原始河道比降能够有效地反映古构造(如地形坡度)与古地貌(如河流类型)特征，对于古环境与古地理研究具有重要意义。然而，古代地层通常经历了复杂的构造运动，原始河道比降无法直接测量；而且目前没有类似的古代河流的原始河道比降计算方法，故亟需提出一种计算古代河流原始河道比降的新方法。
发明内容
针对上述突出问题，本发明提供一种古代河流沉积的原始河道比降分析方法、装置及设备，该方法能够准确地计算古代河流沉积(尤其是河流相露头)的原始河道比降。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种古代河流沉积的原始河道比降分析方法，包括如下步骤：
a选取保存完整的河道，测量河床上的沉积物密度、沉积物粒度中值、河水密度以及河道满岸深度(也即完整河道的厚度)；
b基于所述步骤a中的沉积物密度和河水密度(河水密度取常数1000kg/m3)，计算沉积物有效相对密度；
c基于所述步骤b中的沉积物有效相对密度以及所述步骤a中的沉积物粒度中值，计算满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数；
d基于所述步骤c中的满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数，计算沉积物的临界启动应力；
e基于所述步骤d中的沉积物的临界启动应力，计算河床临界水流速度；
f基于所述步骤e中的河床临界水流速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算河道横截面水流平均速度；
g基于所述步骤f中的河道横截面水流平均速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算原始河道比降。
所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，优选地，所述步骤b中沉积物有效相对密度R的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000021
式中，ρs为沉积物密度；ρ为河水密度。
所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，优选地，所述步骤c中满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数Rp的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000022
式中，Db50为河床底界面沉积物粒度中值；g为重力加速度；R为沉积物有效相对密度；υ河水的粘滞系数。
所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，优选地，所述步骤d中沉积物的临界启动应力τ*的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000023
式中，Rp为满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数。
所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，优选地，所述步骤e中河床临界水流速度U*的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000031
式中，τ*为沉积物的临界启动应力；ρ为河水密度。
所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，优选地，所述步骤f中河道横截面水流平均速度U的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000032
式中，U*为河床临界水流速度；χ为爱因斯坦校正系数；Hbf为河道满岸深度；ks为河床粗糙系数。
所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，优选地，所述步骤g中原始河道比降J的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000033
式中，n为曼宁系数；U为河道横截面水流平均流速；Hbf为河道满岸深度。
基于上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法，本发明还提供该方法的分析装置，包括：
第一处理单元，用于选取保存完整的河道，测量河床上的沉积物密度、沉积物粒度中值、河水密度以及河道满岸深度；
第二处理单元，用于基于所述步骤a中的沉积物密度和河水密度，计算沉积物有效相对密度；
第三处理单元，用于基于所述步骤b中的沉积物有效相对密度以及所述步骤a中的沉积物粒度中值，计算满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数；
第四处理单元，用于基于所述步骤c中的满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数，计算沉积物的临界启动应力；
第五处理单元，用于基于所述步骤d中沉积物的临界启动应力，计算河床临界水流速度；
第六处理单元，用于基于所述步骤e中的河床临界水流速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算河道横截面水流平均速度；
第七处理单元，用于基于所述步骤f中的河道横截面水流平均速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算原始河道比降。
基于上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法的步骤。
基于上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法的步骤。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明方法仅需知道河床的沉积物粒度、沉积物密度和河道深度这三个参数，就能够准确地计算古代河流沉积(尤其是河流相露头)的原始河道比降。原始河道比降是反映古构造与古地貌特征的重要参数；因此针对河流沉积，本发明所提出一种有效的原始河道比降的恢复方法，具有重要的理论意义与现实意义。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的古代河流沉积的原始河道比降分析方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中的原始河道比降是指古代河道形成与沉积时的河道平均坡比降；即沉积时期，测量河道段两端河床中心线的高程落差与河道段距离的比值。对于古代河流沉积，如常见的河流相露头，能够直接获取河床的沉积物粒度、沉积物密度、河道深度(相当于满岸深度)。根据以上三个参数，通过以下方案计算河道沉积时的原始河道比降。
如图1所示，本发明提供一种古代河流沉积的原始河道比降分析方法，包括如下步骤：
a选取保存完整的河道，测量河床上的沉积物密度、沉积物粒度中值、河水密度以及河道满岸深度(也即完整河道的厚度)；步骤a中的沉积物粒度中值，可以通过常规的粒度分析实验，准确地获取底床沉积物粒度中值，通常用D50表示，通过粒度累计概率分布获得。
b基于所述步骤a中的沉积物密度和河水密度(河水密度取常数1000kg/m3)，计算沉积物有效相对密度。
c基于所述步骤b中的沉积物有效相对密度以及所述步骤a中的沉积物粒度中值，计算满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数。
d基于所述步骤c中的满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数，计算沉积物的临界启动应力。
e基于所述步骤d中的沉积物的临界启动应力，计算河床临界水流速度。
f基于所述步骤e中的河床临界水流速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算河道横截面水流平均速度。
g基于所述步骤f中的河道横截面水流平均速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算原始河道比降。
在本发明一个优选的实施方案中，所述步骤b中沉积物有效相对密度R的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000061
式中，ρs为沉积物密度，单位为kg/m3；ρ为河水密度，单位为kg/m3，20℃时取1000。本实施方案中，沉积物有效相对密度R即除去浮力后，沉积物相对水体的密度。
在本发明一个优选的实施方案中，所述步骤c中满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数Rp(particle Reynolds number)的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000062
式中，Db50为河床底界面沉积物粒度中值，单位为m；g为重力加速度，取9.8m/s2；R为沉积物有效相对密度，无量纲；υ河水的粘滞系数(20℃时取10-6)，单位为Pa·s。上述公式(1)、(2)适用于沉积物粒径小于100mm的非粘性颗粒。
在本发明一个优选的实施方案中，所述步骤d中沉积物的临界启动应力τ*(又称为河床临界摩擦应力)的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000063
式中，Rp为满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数，无量纲。
上述公式(3)的计算是根据Parker等(Parker,G.,Toro-Escobar,C.M.,Ramey,M.,Beck,S.,2003.Effect of Floodwater Extraction on Mountain StreamMorphology.Journal of Hydraulic Engineering.129,885–895.)提出的非粘性沉积物(河床多为砂质沉积，即非粘性矿物)的临界启动应力τ*进行计算。
在本发明一个优选的实施方案中，所述步骤e中河床临界水流速度U*的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000071
式中，τ*为沉积物的临界启动应力，单位为Pa；ρ为河水密度，单位为kg/m3。
在本发明一个优选的实施方案中，所述步骤f中河道横截面水流平均速度U(单位：m/s)的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000072
式中，U*为沉积临界启动速度，单位为m/s；χ为爱因斯坦校正系数(查表即可获得)，无单位；Hbf为河道满岸深度(经过进行压实校正，压实校正方法为常规技术方法)，单位为m；
ks为河床粗糙系数，无单位，与底床沉积粒度相关，基于所述步骤a中所测量的沉积物粒度累计概率分布获得，按照实验室惯例读取累积概率85％对应的粒径(即Db85)作为ks值。
在本发明一个优选的实施方案中，所述步骤g中原始河道比降J的计算公式如下：
Figure GDA0003464385530000073
式中，n为曼宁系数，实验室查表获取，无量纲；U为河道横截面水流平均流速，单位为m/s；Hbf为河道满岸深度，单位为m。
基于上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法，本发明还提供一种该方法的分析装置，包括：
第一处理单元，用于选取保存完整的河道，测量河床上的沉积物密度、沉积物粒度中值、河水密度以及河道满岸深度；
第二处理单元，用于基于所述步骤a中的沉积物密度和河水密度，计算沉积物有效相对密度；
第三处理单元，用于基于所述步骤b中的沉积物有效相对密度以及所述步骤a中的沉积物粒度中值，计算满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数；
第四处理单元，用于基于所述步骤c中的满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数，计算沉积物的临界启动应力；
第五处理单元，用于基于所述步骤d中的沉积物临界启动应力，计算河床临界水流速度；
第六处理单元，用于基于所述步骤e中的河床临界水流速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算河道横截面水流平均速度；
第七处理单元，用于基于所述步骤f中的河道横截面水流平均速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算原始河道比降。
基于上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法的步骤。
基于上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述古代河流沉积的原始河道比降分析方法的步骤。
本发明是根据具体实施方式的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种古代河流沉积的原始河道比降分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
a选取保存完整的河道，测量河床上的沉积物密度、沉积物粒度中值、河水密度以及河道满岸深度；
b基于所述步骤a中的沉积物密度和河水密度，计算沉积物有效相对密度；
c基于所述步骤b中的沉积物有效相对密度以及所述步骤a中的沉积物粒度中值，计算满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数；
d基于所述步骤c中的满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数，计算沉积物的临界启动应力；
e基于所述步骤d中的沉积物的临界启动应力，计算河床临界水流速度；
f基于所述步骤e中的河床临界水流速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算河道横截面水流平均速度；
g基于所述步骤f中的河道横截面水流平均速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算原始河道比降。
2.根据权利要求1所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，其特征在于，所述步骤b中沉积物有效相对密度R的计算公式如下：
Figure FDA0003464385520000011
式中，ρs为沉积物密度；ρ为河水密度。
3.根据权利要求2所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，其特征在于，所述步骤c中满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数Rp的计算公式如下：
Figure FDA0003464385520000012
式中，Db50为河床底界面沉积物粒度中值；g为重力加速度；R为沉积物有效相对密度；υ河水的粘滞系数。
4.据权利要求3所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，其特征在于，所述步骤d中沉积物的临界启动应力τ*的计算公式如下：
Figure FDA0003464385520000021
式中，Rp为满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数。
5.据权利要求4所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，其特征在于，所述步骤e中河床临界水流速度U*的计算公式如下：
Figure FDA0003464385520000022
式中，τ*为沉积物的临界启动应力；ρ为河水密度。
6.据权利要求5所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，其特征在于，所述步骤f中河道横截面水流平均速度U的计算公式如下：
Figure FDA0003464385520000023
式中，U*为河床临界水流速度；χ为爱因斯坦校正系数；Hbf为河道满岸深度；ks为河床粗糙系数。
7.据权利要求6所述的古代河流沉积的原始河道比降分析方法，其特征在于，所述步骤g中原始河道比降J的计算公式如下：
Figure FDA0003464385520000024
式中，n为曼宁系数；U为河道横截面水流平均流速；Hbf为河道满岸深度。
8.一种如权利要求1-7任意一项所述古代河流沉积的原始河道比降分析方法的分析装置，包括：
第一处理单元，用于选取保存完整的河道，测量河床上的沉积物密度、沉积物粒度中值、河水密度以及河道满岸深度；
第二处理单元，用于基于所述步骤a中的沉积物密度和河水密度，计算沉积物有效相对密度；
第三处理单元，用于基于所述步骤b中的沉积物有效相对密度以及所述步骤a中的沉积物粒度中值，计算满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数；
第四处理单元，用于基于所述步骤c中的满岸水深条件下沉积物的颗粒雷诺数，计算沉积物的临界启动应力；
第五处理单元，用于基于所述步骤d中的沉积物的临界启动应力，计算河床临界水流速度；
第六处理单元，用于基于所述步骤e中的河床临界水流速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算河道横截面水流平均速度；
第七处理单元，用于基于所述步骤f中的河道横截面水流平均速度以及所述步骤a中的河道满岸深度，计算原始河道比降。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任意一项所述古代河流沉积的原始河道比降分析方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任意一项所述古代河流沉积的原始河道比降分析方法的步骤。
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