齊亞林，劉顯陽，楊時雨，張　濤，李程善，謝先奎

（1.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018；3.中國石油長慶油田分公司勘探部，西安710018）

內(nèi)陸湖泊三角洲河口區(qū)水動力特征及地質(zhì)意義

齊亞林1，2，劉顯陽3，楊時雨3，張濤3，李程善3，謝先奎3

（1.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018；3.中國石油長慶油田分公司勘探部，西安710018）

分析河口區(qū)水動力特征是直觀理解沉積過程、有效揭示沉積機理和模式及合理刻畫砂體形態(tài)的重要前提和途徑。應用流體力學的射流理論和牛頓內(nèi)摩擦定律，分析內(nèi)陸湖泊三角洲前緣河口區(qū)水動力特征和水動力場的主導機制。結(jié)果表明：河流入湖后，河流水體所受湖泊水體的阻力主要來源于河流水體與湖泊水體相對運動時產(chǎn)生的黏滯力即內(nèi)摩擦力，河流水體平均流速越大，湖泊水體越淺，則速度梯度越大，內(nèi)摩擦力或切應力越大；天然河流水體向湖泊水體的推進長度非常有限，主要受出口斷面處河流水體的初始流速和河流深度的控制，而不受河流寬度控制。三角洲前緣河口區(qū)主要發(fā)育呈舌狀平行于湖岸線展布的河口壩砂體，而水下分流河道砂體則不發(fā)育。河口區(qū)復雜多樣的砂體形態(tài)本質(zhì)上是多期垂直于湖岸線展布的平原河道砂體與平行于湖岸線展布的河口壩砂體垂向疊加和側(cè)向拼接或改造后垂向疊加和側(cè)向拼接的產(chǎn)物。

沉積；射流；水動力；河口區(qū)；三角洲前緣；湖泊

0　引言

湖泊三角洲被定義為河流水體入湖后形成的具有扇形特征的沉積體，基于水動力特征，可將其劃分為河控三角洲、浪控三角洲和潮汐三角洲［1］。三角洲前緣是湖岸線下的水下部分，位于分流河道的前端，是湖泊三角洲最活躍的沉積中心，也是油氣勘探的重點部位［1］。對湖泊三角洲沉積機理的研究多集中在分析其前緣河口區(qū)的沉積過程［2-7］。碎屑物的搬運和沉積受水動力條件控制，不同的水動力條件控制著不同的搬運和沉積行為，并形成不同的沉積模式［8］。從泥沙動力學的角度來看，反映河流泥沙搬運和沉積行為的單寬輸沙率主要受泥沙的粒度、河流的水深及河流水體流速的影響，河流水體流速的細微變化即可影響泥沙的搬運和沉積行為［9］，進而影響砂體結(jié)構(gòu)。正確分析水動力特征是合理揭示沉積過程的前提［8］，沉積過程分析必須建立在合理的水動力特征分析基礎上并經(jīng)受其檢驗。筆者利用流體力學方法分析湖泊三角洲前緣河口區(qū)水動力特征，以期直觀理解沉積過程、有效揭示沉積機理及正確指導砂體刻畫。

1　河口區(qū)水動力特征及沉積作用

三角洲前緣河口區(qū)是河流水體與湖泊水體相互作用的部位，受入湖徑流、潮汐、波浪、沿岸流及風力等多種因素的共同影響，水動力狀況復雜。內(nèi)陸湖泊三角洲因潮汐、波浪、沿岸流及風力等因素強度有限，河流水體從受限的河床進入開闊的湖面時，水流展寬，水面比降逐漸減小并趨于零，水體不再從外界獲得能量，僅靠消耗本身的勢能維持流動［1］，其水動力可以簡化為主要來源于河流徑流即慣性力。當特定截面形態(tài)的河流水體以一定的初始流速注入靜止的、較深的湖泊水體時，河口區(qū)的水動力特征主要受出口斷面處河流的深度、寬度以及河流水體的初始流速等因素控制。流體力學的射流理論能夠定量分析河流水體與湖泊水體的相對運動和相互作用機制［10-14］，筆者應用其中的平面自由射流模型分析河口區(qū)（河流水體注入湖泊水體后）湖岸線下的水動力特征及其對沉積的控制作用。

1.1射流理論分析依據(jù)

從流體力學角度來看，射流是流體運動的特殊類型，以其邊界為流體而區(qū)別于管流、明渠流等邊界受限的其他運動流體，是日常生產(chǎn)和生活中常見的現(xiàn)象，種類和表現(xiàn)形式多樣［10-14］。射流在工程技術中得到廣泛應用，如：航空航天領域中的火箭、噴氣發(fā)動機及衛(wèi)星姿態(tài)控制技術；水利工程中的引水、排洪及泄流技術；環(huán)境工程中的污水、廢氣及熱水的排放技術。近年來，在海岸動力學、河流動力學及環(huán)境水動力學等領域也廣泛采用射流理論分析海岸與河口區(qū)水動力特征并定性分析現(xiàn)代沉積過程［15-19］。在湖泊三角洲形成的沉積機理研究中，貝茨首次將射流理論引入三角洲前緣河口區(qū)水動力的定性分析［1］；國內(nèi)亦有學者［20］嘗試應用射流理論定性分析湖泊三角洲前緣河口區(qū)水動力特征及其控制下的沉積作用特征并研究砂體成因。

1.2射流的特征

射流是指具有一定動量（流速）的流體進入無限大的靜止流體空間，與靜止環(huán)境的流體存在速度梯度從而引起湍流的脈動，進而卷吸環(huán)境流體進入流動系統(tǒng)，最后二者摻混向前流動的一種流體運動。卷吸和摻混導致沿程射流的斷面不斷擴大，流量不斷增加，基于動量守恒和動量的橫向傳遞，流速不斷降低（圖1）［11，13］。射流具有2個主要特征：①單位時間內(nèi)通過各斷面的流體動量（動量通量）是常數(shù)；②邊界層的內(nèi)外邊界都是線性擴展。在不考慮射流與周圍環(huán)境流體的摩擦阻力和射流脈動產(chǎn)生的應力的情況下，以動量或質(zhì)量守恒為基礎，將理論推導與實驗相結(jié)合，求解出實用的邊界層（半厚度）擴展、流速分布及流量沿程變化等描述射流特征的各關系式［11，13］為

式（1）～（4）中：x為主流軸線的極點距離，m；y為射流斷面任一點到主流軸線的距離，m；u0為出口斷面處的平均流速，m/s；u為射流斷面任一點的流速，m/s；umax為主流軸線流速，m/s；b0為射流出口斷面半厚度，m；b為極點距x處射流斷面半厚度，m；q0為出口斷面單寬流量，m3/（s·m）；q為距離河流出口x處斷面單寬流量，m3/（s·m）。

圖1　射流結(jié)構(gòu)示意圖［11］Fig.1　Schematic diagram of the structure of turbulent jet

1.3流體運動摩擦阻力來源

射流是流體運動的特殊表現(xiàn)形式，其理論可半定量-定性分析河口區(qū)水動力特征。射流形成的水動力特征，本質(zhì)上是受流體間相互作用的控制。流體運動時，質(zhì)點間由于相對運動而產(chǎn)生的黏滯力（內(nèi)摩擦力）的大小可以用切應力來表征［21］（式5、圖2），即

式中：τ為切應力，N/m2；μ為流體動力黏滯系數(shù)，N·為流速梯度，s-1。

圖2　內(nèi)摩擦力形成機制示意圖［21］Fig.2　Schematic diagram of the formation mechanism of internal friction

相對運動的流體之間的內(nèi)摩擦力與速度梯度呈正比，速度梯度越大，內(nèi)摩擦力越大［21］。當河流水體注入湖泊水體時，二者之間存在內(nèi)摩擦力。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，河流水體平均流速越大，湖泊水體越淺（水深小于邊界層厚度），則速度梯度越大，內(nèi)摩擦力越大［21］。內(nèi)摩擦力的存在對于河流水體是阻力，對于環(huán)境水體（湖泊水體）是動力，可卷吸環(huán)境水體向前運動，運動水體的流量增加，基于動量守恒，則流體的流速降低［11-13］。

當患者入住我科ICU時,就做好頭皮備皮,不需手術的患者一律剃平頭,手術的患者剃光頭。這樣既有利于病情觀察,也有利于預防顱內(nèi)感染,在入院時家屬自備生活用品列表中必備U型枕,以方便患者翻身時使用。

1.4河口區(qū)水動力特征

筆者綜合應用射流公式及其對水動力場規(guī)律的描述，定量分析河口區(qū)湖岸線下的水動力特征。

圖3　內(nèi)陸湖泊三角洲前緣河口區(qū)水動力場分布Fig.3　Hydrodynamic field distribution in estuaries of inland lake delta front

（1）根據(jù)射流斷面半厚度公式［式（1）］建立射流斷面厚度（2b）與極點距（x）關系［圖3（a）］，以反映平行于湖岸線方向各斷面受影響的湖泊水體的深度與垂直于湖岸線方向河流水體推進長度的關系。從圖3（a）可看出，受影響的湖泊水體的深度與河流水體的推進長度呈正比。隨著河流水體向湖泊水體推進，由于卷吸環(huán)境水體，平行于湖岸線方向各斷面被影響的湖泊水體的范圍逐漸擴大，當河流水體推進20 m時，被影響和卷吸的湖泊水體的厚度將達到6.16 m。

（2）根據(jù)流速變化公式［式（2）］建立射流斷面主流軸線流速變化（umax/u0）與極點距（x）關系［圖3（b）］，以反映不同水深（1～20 m）河流平行于湖岸線方向水下各斷面主流軸線流速與垂直于湖岸線方向河流水體推進長度的關系。從圖3（b）可看出，水下各斷面主流軸線的流速與河流水體的推進長度的平方根呈反比。假設天然河流出口斷面處水深和水體流速恒定，取水深為1 m，當河流水體進入湖泊水體20 m時，水下河流各斷面主流軸線的流速將降為河流出口斷面處流速的1/2。

（3）根據(jù)流速變化公式［式（3）］建立射流各斷面流速變化（u/umax）與斷面任一點至主流軸線距離（y）的關系［圖3（c）］，以反映平行于湖岸線方向水下河流不同擴展厚度（1～20 m）各斷面任一點的流速與其至主流軸線距離的關系。從圖3（c）可看出，水下河流各斷面任一點流速與其至主流軸線的距離呈指數(shù)關系。假設天然河流出口斷面處水深和流速恒定，當射流斷面厚度為1 m，某一點至主流軸線的距離為0.41 m時，該點的流速將降為水下河流斷面主流軸線流速的1/2。

（4）根據(jù)沿程流量變化公式［式（4）］建立射流沿程單寬流量變化（q/q0）與極點距（x）關系［圖3（d）］，以反映不同水深（1～20 m）河流平行于湖岸線方向水下任一斷面單寬流量與垂直于湖岸線方向河流水體推進長度的關系。從圖3（d）可看出，河流水體任一斷面單寬流量與極點距的平方根呈正比。假設天然河流出口斷面處水深和流速恒定，取水深為1 m，當河流水體進入湖泊水體20 m時，單寬流量將增大為河流出口斷面處單寬流量的2.77倍，增加的單寬流量來自于湖泊水體。隨著河流水體推進，被卷吸的湖泊水體將進一步增加。

綜上所述，河流水體入湖后，湖岸線下河流水體具有如下水動力特征：①河流水體在湖泊水體中的推進長度取決于河流出口斷面處的初始流速和河流深度而非河流寬度；②受影響的湖泊水體的深度與河流水體在湖泊內(nèi)的推進長度呈正比，隨著推進長度的增加，被影響和卷吸的湖泊水體將進一步增加；③垂直于湖岸線方向，河流水體主流軸線的流速與其推進長度的平方根呈反比，隨著推進長度的增加，主流軸線流速快速降低，隨著河流水深的增加，距出口斷面相同距離的主流軸線流速也增加；④平行于湖岸線方向，水下河流各斷面任一點流速與其至主流軸線的距離呈指數(shù)關系，隨著斷面內(nèi)任一點至主流軸線距離的增加，該點流速快速減小，各斷面上流速分布具有相似性，呈舌狀分布。水下河流的流速主要受出口斷面處河流水體的深度、流速及推進長度控制，而河流水體能夠推進的長度又受出口斷面處河流水體的深度和初始流速控制。對于天然河流，水體在湖泊中的推進長度非常有限。

1.5河口區(qū)沉積作用特征

對于粒度一定的沉積物和水深一定的沉積作用系統(tǒng)，河流水體對泥沙的搬運能力與流速的四次方呈正比［9］，水動力的細微變化即可影響泥沙的搬運和沉積行為。河流水體入湖后，其水動力特征與陸上發(fā)生了根本性變化：陸上主要是受河流的慣性力、河床的摩擦力及地形坡度導致的由重力而形成的附加驅(qū)動力所影響，其中河流水體本身的慣性力和地形坡度導致的附加驅(qū)動力起決定性作用；入湖后，由于河流水體的前端出現(xiàn)了停滯水體，所以對其流動具有明顯的阻擋作用。如取出口斷面處水深為1 m，當河流水體進入湖泊水體20 m時，水下河流斷面主流軸線的流速將降為河流出口斷面處流速的1/2，搬運能力將降為出口斷面處的1/16，可以認為泥沙搬運已經(jīng)停止。隨著水深的增加和流速的增大，河流水體向湖泊水體進一步推進，但由于湖泊水體對入湖河流水體具有很強的阻擋作用，導致其流速快速降低，泥沙攜帶能力快速下降，泥沙在河口區(qū)大量卸載而形成河口區(qū)沉積體。其沉積特征具體表現(xiàn)為：垂直于湖岸線方向，河流水體向湖泊水體的推進能力和搬運泥沙的能力非常有限；平行于湖岸線方向，水下河流任一斷面的流速呈舌狀分布，受其控制的沉積體應為舌狀展布；河口區(qū)復雜多樣的砂體形態(tài)本質(zhì)上是由多期垂直于湖岸線展布的平原河道砂體和平行于湖岸線展布的河口壩砂體垂向疊加和側(cè)向拼接或經(jīng)改造后垂向疊加和側(cè)向拼接引起。

以上分析的是河口區(qū)水體較深、河流水體注入湖泊水體時河流底部卷吸不受限制的深水平面自由射流，射流寬深比大于1。由于射流在其運動的垂直方向以同等速度卷吸環(huán)境流體，所以射流推進的長度取決于其深度而非寬度［11-13］。實際上，湖泊水體整體較淺的情況普遍存在［2-7］，此時，射流要受固體邊界（湖底）的影響，底部卷吸作用受到限制，卷吸所誘生的速度損失大，且引起的摩阻（動量）損耗較大。如果河口區(qū)水深足夠淺，射流完全和湖底接觸，垂向卷吸被消除，射流的摩阻（動量）損耗更大［11-13］。此外，河流水體的密度可能與湖泊水體密度存在差異，河流水體可能會以浮射流（密度小于湖泊水體）或附壁射流（密度大于湖泊水體）的形式進入湖泊水體，其下部邊界或上部邊界同樣要卷吸湖泊水體引起流速降低［13］?？傊?，無論以何種形式進入湖泊水體，在忽略潮汐、波浪、沿岸流及風力等因素的前提下，河流水體與砂體向湖泊水體推進的長度均非常有限［20］。

2　實例分析

水槽模擬實驗是認識和理解沉積作用物理過程和沉積構(gòu)造水動力學意義的鑰匙，有助于認識三角洲前緣河口區(qū)沉積作用特征［22］。有學者［23］曾運用水槽模擬實驗對扇三角洲的形成過程及演化規(guī)律進行研究。本文實驗方案設定水動力強度（流速）與自然條件接近，泥沙粒度參照國內(nèi)外典型扇三角洲研究成果來確定，連續(xù)3輪模擬實驗共340 h（其中洪水60 h），以反映連續(xù)3期的沉積過程。數(shù)據(jù)顯示，切過沖積扇的辮狀河道進入湖盆后，由于過水斷面增大，流速銳減，水流攜帶的泥砂至斜坡腳入湖處形成扇三角洲砂體。扇三角洲上辮狀河道的延伸長度受入湖坡度的控制，且二者之間呈反比關系，隨著基準面的下降和沉積作用的進行，扇三角洲砂體縱向伸長、橫向展寬、厚度增加，展寬速率大于伸長速率且二者的比值逐漸增大。扇三角洲在橫向上砂體以展寬和厚度增加為主，在縱向上砂體長度增加極其有限，湖岸線控砂作用明顯［20］。該實驗模擬的是扇三角洲的形成過程，扇三角洲形成的水動力主要是突發(fā)性洪流與常態(tài)水流的不規(guī)則交替。洪水期以碎屑流或泥石流沉積為主；平水期以牽引流沉積為主；以事件性洪流為主的沉積，其形成過程中泥沙搬運的動力是重力和慣性力。與扇三角洲形成相區(qū)別，辮狀河和曲流河三角洲的底形坡度略小，泥沙搬運的動力僅有慣性力且慣性力要低于扇三角洲形成的慣性力［1］。考慮到扇三角洲砂體向湖方向延伸有限，湖岸線控砂作用明顯，湖盆底形較小，河流慣性力更小的辮狀河水體和曲流河水體入湖后，砂體向湖延伸更加有限，湖岸線控砂和泥沙在湖岸線附近卸載這一基本規(guī)律未改變。類似的水槽模擬實驗表明，隨著模擬時間的延長，水下砂體的寬度和厚度不斷增加［24］，但長度增加有限，砂級碎屑形成的砂體長度一般不超過10 m。

現(xiàn)代湖泊的沉積學考察也有助于認識三角洲前緣河口區(qū)沉積作用特征。青海湖為一西北高、東南低、北陡南緩的新生代不對稱地塹式斷陷湖泊，長軸長106 km，短軸長63 km，現(xiàn)今湖泊水體面積約4 500 km2，是我國最大的內(nèi)陸咸水湖，發(fā)育大小河流共50多條，人為改造和污染較少，是研究現(xiàn)代湖盆沉積的理想場所［25］。布哈河三角洲和沙柳河三角洲是環(huán)青海湖較大的三角洲［25］。遙感影像圖顯示，無論是湖盆長軸方向的布哈河辮狀河—曲流河建設性三角洲，還是短軸方向的沙柳河辮狀河建設性三角洲，砂體形態(tài)均呈扇形展布［25］，三角洲前緣河口區(qū)不發(fā)育水下分流河道砂體（圖4～5）。

圖4　布哈河三角洲沉積相平面分布Fig.4　Distribution of sedimentary facies in Buhahe river delta

圖5　沙柳河三角洲沉積相平面分布Fig.5　Distribution of sedimentary facies in Shaliu river delta

3　討論

從水動力學角度來看，湖岸線下不具備大規(guī)模形成河流砂體的條件。水槽模擬和現(xiàn)代湖泊觀察均表明，河流水體注入湖泊水體后，延伸長度極其有限，水下分流河道砂體不發(fā)育，湖岸線控砂作用明顯。現(xiàn)今觀察到的湖泊水下砂體本質(zhì)上為被階段性擴張的湖泊水體淹沒的平原河道砂體，其發(fā)育情況受湖泊底形特征和氣候等因素引起的湖岸線波動影響。如：青海湖水下砂體不發(fā)育，主要是因為其總體處于演化的收縮階段；鄱陽湖水下砂體總體較發(fā)育，主要是因為在豐水期和枯水期湖岸線大范圍波動（洪水期湖泊水體面積為4 647 km2，枯水期湖泊水體面積為146 km2），豐水期湖泊水體淹沒了枯水期形成的平原河道砂體所致。傳統(tǒng)意義上的水下分流河道屬于三角洲平原分流河道，是湖退后河流砂體進積而形成的［26-27］。

4　結(jié)論

（1）河流水體入湖后，所受湖泊水體的阻力主要來源于河流水體和湖泊水體相對運動時產(chǎn)生的黏滯力即內(nèi)摩擦力。河流水體平均流速越大，湖泊水體越淺，則速度梯度越大，內(nèi)摩擦力或切應力越大。

（2）水下河流的流速場主要受出口斷面處河流水體的深度和流速的控制，天然河流水體向湖泊推進（水下河道）的長度非常有限。

（3）三角洲前緣河口區(qū)主要發(fā)育呈舌狀平行于湖岸線展布的河口壩砂體而非水下分流河道砂體。河口區(qū)復雜多樣的砂體形態(tài)本質(zhì)上是多期垂直于湖岸線展布的平原河道砂體與平行于湖岸線展布的水下河口壩砂體垂向疊加和側(cè)向拼接或改造后垂向疊加和側(cè)向拼接的產(chǎn)物。

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（本文編輯：郭言青）

Hydrodynamic characteristics and geological significance of estuaries of inland lake delta

QI Yalin1，2，LIU Xianyang3，YANG Shiyu3，ZHANG Tao3，LI Chengshan3，XIE Xiankui3
（1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China；2.National Engineering Laboratory of Exploration and Development of Low-permeability Oil and Gas Fields，Xi'an 710018，China；3.Department of Exploration，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China）

Analysis of hydrodynamic characteristics of estuaries is important premise and means for understanding sedimentary process，effective revealing deposition mechanism and model，reasonable characterizing sand body morphology.Jet theory and Newton internal friction law of fluid mechanics were applied to analyze hydrodynamic characteristics and dominant mechanism of estuary and hydrodynamic field respectively．The results show that after rivers into lake，the resistance suffered from lake water body derived from viscous force or internal friction force which produced by relative motion of river water body and lake water body，the greater the average flow velocity of river water body is，the more shallow the lake water body is，the greater the velocity gradient is，and the greater the internal friction or shear stress.The propulsion length of natural river water into the lake water is limited，which depends on the initial velocity and depth rather than width of exit section of river water.Tongue shaped mouth bar sand body distributed parallel to coast developed in estuaries of lake delta front rather than underwater distributarychannel sand body.The complex and varied sand body morphology in estuaries is essentially resulted from the overlaying and joining together of multiphase plain channel sand body distributed vertical to shorelines and underwater mouth bar sand body distributed parallel to shorelines.

deposition；jet flow；hydrodynamic；estuaries；delta front；lake

TE121.1+4

A

1673-8926（2015）03-0049-07

2014-12-04；

2015-02-06

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號：2011ZX05044）資助

齊亞林（1974-），男，碩士，工程師，主要從事石油地質(zhì)綜合研究和預探現(xiàn)場生產(chǎn)支撐方面的工作。地址：（710018）陜西省西安市未央?yún)^(qū)長慶興隆園小區(qū)中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院。E-mail：qiyl_cq@petrochina.com.cn。