Learn

กำเนิดธารน้ำและปัจจัยการไหล

การเกิด ธารน้ำ (stream) เริ่มต้นจากเมื่อมีฝนตกลงมา ในช่วงแรกน้ำจะซึมผ่านลงไปในชั้นดินด้านล่าง ซึ่งต่อมาเมื่อดินอิ่มน้ำ น้ำจะเริ่มสะสมตัวบนผิวดินเป็น แผ่นน้ำบาง (sheetwash) ไหลลงที่ต่ำในลักษณะแผ่นน้ำแผ่ซ่าน และน้ำจะกัดเซาะพื้นดินอย่างช้าๆ เป็นร่องน้ำขนาดเล็กและใหญ่ขึ้นตามลำดับ ได้แก่ ธารน้ำสายเล็ก (rill) ลำห้วย (gulliy) แคว (tributary) และรวมตัวกันกลายเป็น ธารน้ำ (stream) ซึ่งจะไหลลงสู่ แม่น้ำ (river) ต่อไป

กำเนิดธารน้ำ
ต้นน้ำแสดง ธารน้ำสายเล็ก (rill)

โดยผลจากการกัดกร่อนและการพัฒนาร่องน้ำอย่างต่อเนื่องทำให้เกิด ตะกอนธารน้ำ (stream load) ที่ถูกพัดพามาตามธารน้ำ ซึ่งด้วยขนาดและน้ำหนักของตะกอนที่มีความแตกต่างกัน ทำให้ตะกอนถูกพัดพาไปตามธารน้ำในรูปแบบแตกต่างกัน 3 รูปแบบ

  • ตะกอนท้องน้ำ (bed load) คือ ตะกอนขนาดใหญ่ตามท้องน้ำ เคลื่อนที่ได้โดย การลากไปตามท้องน้ำ (traction) หรือ การกระโดดเป็นช่วง (saltation)
  • ตะกอนแขวนลอย (suspended load) คือ ตะกอนขนาดเล็กและเบาพอที่จะลอยอยู่เหนือท้องน้ำไปตามกระแสน้ำได้
  • ตะกอนละลาย (dissolved load) คือ ไอออนที่ได้จากการผุพังทางเคมีของหิน ละลายอยู่ในน้ำ
รูปแบบการถูกพัดพาของตะกอนตามลำน้ำ
ตะกอนท้องน้ำ (bed load)

ในส่วนของความเร็วของน้ำที่ไหลหลากตลอดตั้งแต่ต้นน้ำจนถึงปลายน้ำนั้น ในแต่ละที่จะมีการไหลเร็ว-ช้าแตกต่างกัน และสามารถประเมินหรือคำนวณได้ด้วย อัตราน้ำไหลในธารน้ำ (stream discharge) ที่หมายถึง ปริมาตรของน้ำที่ไหลผ่านจุดใดๆ ต่อหน่วยเวลา (ลูกบาศก์เมตร/วินาที) ประเมินได้ตามสมการ (1)

สมการ (1)

กำหนดให้ Q คือ อัตราน้ำไหล (ลูกบาศก์เมตร/วินาที) V คือ ความเร็วน้ำโดยเฉลี่ย (เมตร/วินาที) A คือ ภาพตัดขวางของธารน้ำ (กว้างxลึก) (ตารางเมตร)

แบบจำลองการไหลของน้ำตามธารน้ำ (ซ้าย) ไหลแบบราบเรียบ (laminar flow) (ขวา) ไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow)

ปัจจัยที่จะส่งผลต่อความเร็ว หรือแม้กระทั่งรูปแบบของการไหลของน้ำ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของธารน้ำ 3 ประเด็นหลักๆ ดังนี้

1) ความชันของธารน้ำ

โดยธรรมชาติ ความชันของธารน้ำ (gradient) มีความแตกต่างกันตลอดธารน้ำ หากพิจารณา หน้าตัดข้างตามธารน้ำ (longitudinal profile) พบว่าธารน้ำจะมีความชันสูงบริเวณ ต้นน้ำ (upstream) และความชั้นลดลงอย่างต่อเนื่องไปทาง ปลายน้ำ (downstream) ดังนั้นหากพิจารณาความชันของธารน้ำเป็นหลัก น้ำจะไหลเร็วบริเวณต้นน้ำมากกว่าปลายน้ำ

หน้าตัดข้างตามธารน้ำ (longitudinal profile)

2) ขนาดร่องน้ำ

ขนาดร่องน้ำ (channel size) ตรวจวัดได้จากภาพตัดขวาง (cross section) ของธารน้ำในแต่ละตำแหน่งตามหน้าตัดข้างตามธารน้ำ โดยปกติบริเวณต้นน้ำจะมีร่องน้ำแคบกว่าบริเวณปลายน้ำ อันเนื่องมาจากธรรมชาติของการกัดกร่อนของน้ำในแต่ละพื้นที่ จึงทำให้น้ำบริเวณต้นน้ำ น้ำจะไหลเร็วกว่าปลายน้ำ

หน้าตัดข้างตามธารน้ำแสดงขนาดร่องน้ำในบริเวณต่างๆ ตามธารน้ำ

3) ความหยาบธารน้ำ

ความหยาบธารน้ำ (stream roughness) ร่องน้ำโดยเฉพาะบริเวณท้องน้ำจะมีความหยาบที่ไม่เท่ากันตลอดธารน้ำ โดยบริเวณต้นน้ำจะมีตะกอนขนาดใหญ่ตกทับถมอยู่มาก เนื่องจากหินเพิ่งผุพังลงมา ทำให้ท้องน้ำบริเวณต้นน้ำหยาบมากกว่าปลายน้ำที่จะมีเพียงเศษตะกอนขนาดเล็กที่ตกทับถมอยู่ ทำให้น้ำบริเวณปลายน้ำนั้นไหลได้เร็วและราบเรียบกว่าบริเวณต้นน้ำ

นอกจากนี้ ความหยาบของธารน้ำยังส่งผลให้การไหลของน้ำนั้นมีความหนืดในการไหลที่แตกต่างกันไปในแต่ละพื้นที่ โดย ความหนืดของธารน้ำ (stream viscosity) ประเมินได้จาก เลขเรย์โนลด์ (Reynolds Number) ซึ่งนำเสนอโดยออสบอร์น เรย์โนลด์ (Reynolds O.) ในปี พ.ศ. 2426 (Reynolds, 1883) ซึ่งคำนวณจากอัตราส่วนของแรงเฉื่อยต่อแรงของความหนืด ดังแสดงในสมการ (2)

สมการ (2)

กำหนดให้ Re คือ เลขเรย์โนลด์ r คือ ความหนาแน่นของน้ำ (กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร) V คือ ความเร็วของน้ำ (เมตร/วินาที) D คือ เส้นผ่านศูนย์กลางภาคตัดขวางของธารน้ำ (เมตร) และ µ คือ แรงหนืดสัมบูรณ์ (viscosity)

เลขเรย์โนลด์เป็นตัวเลขสำคัญที่ใช้จำแนกและแสดงรูปแบบการไหลของน้ำตามธารน้ำ เช่น ไหลแบบราบเรียบ (laminar flow) หรือ ไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) เช่น กรณีเลขเรย์โนลด์มีค่าต่ำ หมายถึง แรงหนืดส่งผลต่อการไหลของน้ำ ทำให้น้ำไหลแบบราบเรียบ แต่หากเลขเรย์โนลด์มีค่าสูง บ่งชี้ว่าแรงของความเฉื่อยจะส่งผลต่อการไหล ทำให้การไหลเป็นแบบปั่นป่วน

(ซ้าย) แบบจำลอง (ขวา) ของจริง ของรูปแบบการไหลของน้ำตามธารน้ำ ทั้งไหลแบบราบเรียบ และไหลแบบปั่นป่วน
Share: