Transcript ธารน้ำไหล Running Water

ธารนา้ ไหล
Running Water
ในประวัตศิ าสตร์ ของโลกที่ผ่านมา ตัวกลางที่ทาให้ เกิดการกร่ อน
เพื่อลดระดับของมวลต่ างๆบนแผ่ นดินให้ อยู่ในระดับเดียวกับ
ระดับนา้ ทะเลคือ ทางนา้ ซึ่งเป็ นตัวกลางที่มีความสาคัญในการ
เคลื่อนย้ ายวัตถุท่ ไี ม่ สามารถละลายนา้ จากหุบเขา
ลงสู่พนื ้
มหาสมุทร
วัฏจักรของนา้ (Hydrologic cycle)
ปริมาณของนา้ บนโลกซึ่งมี
ปริมาณมหาศาล
ประมาณ
1,360 ล้ านลูกบาศก์ กโิ ลเมตร
ปริมาณนา้ ที่มากที่สุดของโลก
อยู่ในมหาสมุทร ประมาณ 97.2
%
เป็ นธารนา้ แข็งและภูเขา
นา้ แข็ง 2.15% และเหลือเป็ นนา้
ผิวดินตาม แม่ นา้
ลาธาร
ทะเลสาบ และในบรรยากาศ
เพียง
0 . 6 5 %
การแลกเปลี่ยนนา้ ในบริเวณต่ างๆ ระหว่ าง นา้ ในมหาสมุทร ใน
บรรยากาศ และ บนแผ่ นดิน ระบบการหมุนเวียนของนา้ ของโลก
อย่ างไม่ มีจุดสิน้ สุดนี ้ เรียกว่ า วัฏจักรของนา้ (hydrologic cycle)
ระบบการหมุนเวียนขนาดใหญ่ นีอ้ าศัยพลังงานจากดวงอาทิตย์
นา้ ฝนที่ตกลงบนแผ่ นดินนัน้
นา้ จะซึมผ่ านชัน้ ดินลงสู่ใต้ ผิวดิน
เรียกว่ า นา้ ซึมผ่ าน (infiltration) และกลายเป็ นนา้ บาดาล
(groundwater) ต่ อไป ถ้ าปริมาณฝนที่ตกมากกว่ าความสามารถ
ในการดูดซับของแผ่ นดิน นา้ ส่ วนที่เหลือจะไหลไปตามผิวดิน
เรียกว่ า นา้ ไหลผ่ าน (runoff) ลงสู่แม่ นา้ ลาธาร และมหาสมุทร
นา้ ที่อยู่ในดินบางส่ วนพืชจะดูดไปใช้ งานและคายกลับคืนสู่
บรรยากาศด้ วยกระบวนการคายนา้ (transpiration) และบางส่ วน
จะระเหย (evaporation) โดยตรงกลับสู่บรรยากาศเช่ นเดียวกับ
นา้ ที่อยู่ในแม่ นา้
ลาธาร
หยาดนา้ ฟ้า (precipitations) ซึ่งอาจเป็ นนา้ ฝน หิมะ หรือ
ลูกเห็บ ที่ตกจากบรรยากาศ ที่ระดับความสูงมากๆ นา้ เหล่ านี ้
อาจไม่ ซมึ ผ่ านชัน้ ดินลงสู่ใต้ ผิวดินหรือไหลลงสู่แม่นา้
ลาธาร
ในทันที แต่ จะสะสมตัวอยู่เป็ นธารนา้ แข็ง ซึ่งธารนา้ แข็งได้ สะสม
นา้ ไว้ เป็ นปริมาณมาก ถ้ าธารนา้ แข็งละลายหมดจะทาให้ ระดับ
นา้ ของโลกสูงขึน้ หลายสิบเมตร
ธารนา้ ไหล (Running water)
นา้ ผิวดินมีความสาคัญมากกับมนุษย์ ทัง้ ในแง่ ของพลังงาน การ
คมนาคม การชลประทาน ในศตวรรษที่ 16 มนุษย์ จงึ เริ่มเข้ าใจว่ า
ทางนา้ เป็ นแหล่ งของนา้ ไหลผ่ านและนา้ ใต้ ดนิ ซึ่งได้ มาจากนา้ ฝน
และหิมะ นา้ ไหลผ่ านเริ่มจาก ชัน้ บางๆแผ่ ออกไป (broad sheet)
และกลายเป็ น ลาธาร (rill) และเป็ น ทางนา้ (stream) ต่ อไป
การไหลของทางนา้ (Streamflow)
การไหลของนา้ เป็ นวิธีการในการเปิ ดช่ องทางสู่ทะเล มหาสมุทร
ภายใต้ อิทธิพลของแรงโน้ มถ่ วง เวลาที่ใช้ ในการเดินทางขึน้ อยู่
กับความเร็วของทางนา้ ซึ่งวัดในรูปของระยะทางที่นา้ เดินทางได้
ต่ อหน่ วยของเวลา ทางนา้ บางสายมีความเร็วน้ อยกว่ า 0 . 8
กิโลเมตรต่ อชั่วโมง ในขณะที่บางสายนา้ อาจมีความเร็วถึง 3 2
กิโลเมตรต่ อชั่วโมง
การไหลของทางนา้ อย่ างช้ าๆ ที่
เรี ยกว่ า
การไหลแบบชัน้
(laminar flow) ในทางนา้ จะพบ
เห็นการไหลแบบนีไ้ ด้ ยาก แต่ ถ้า
มีการไหลในลักษณะนี ้
จะ
สามารถสังเกตเห็นได้ ในบริเวณ
ใกล้ ขอบของทางนา้ แต่ ทางนา้
ส่ วนใหญ่ มักมีลักษณะการไหล
แบบ การไหลปั่ นป่ วน (turbulent
f
l
o
w)
ปั จจัยที่สาคัญคือความเร็ว
ปั จจัยอื่นๆที่อาจเกี่ยวข้ อง
ประกอบด้ วยคือ การลดลงของความหนืดของนา้ การเพิ่มขึน้
ของความลึก
และความไม่ ราบเรียบของทางนา้
การวัดค่ าความเร็วของทาง
นา้
จะวัดในหน่ วยของ
ระยะทางที่นา้ เดินทางได้ ใน
หนึ่งหน่ วยเวลา ในทางนา้
สายตรง ความเร็วที่สูงสุด
จะอยู่บริเวณตอนกลางของ
ทางนา้ ซึ่งเป็ นบริเวณที่แรง
ต้ านทานน้ อยที่สุด เมื่อทาง
นา้ คดโค้ ง บริเวณที่ทางนา้ มี
ความเร็วสูงสุด จะเป็ นฝั่ ง
ด้ านนอก
ความสามารถในการกร่ อนและการพัดพาวัตถุขนึ ้ อยู่กับความเร็ว
ของทางนา้ ความเร็วเป็ นลักษณะที่สาคัญของทางนา้ ความเร็ว
ของทางนา้ ที่เปลี่ยนไปเพียงเล็กน้ อยทาให้ ความสามารถพัดพา
เอาตะกอนไปกับนา้ เปลี่ยนแปลงไปด้ วย
ปั จจัยหลายประการที่เป็ นตัวกาหนดความเร็วของทางนา้ ซึ่งก็
เป็ นตัวกาหนดความสามารถในการกร่ อนของทางนา้ ด้ วย ปั จจัย
เหล่ านีไ้ ด้ แก่
1 .
ความลาดเอียง (g r a d i e n t)
2 .
รูปร่ าง ขนาด และความเรียบของทางนา้
3 .
อัตรานา้ ไหล ( d i s c h a r g e )
ความลาดเอียงเป็ นการลดระดับตามแนวดิ่งของทางนา้ ในช่ วง
ระยะทางหนึ่งๆ ที่กาหนด ในทางนา้ แต่ ละสายค่ าความลาดเอียง
ก็เปลี่ยนแปลงไปในแต่ ละช่ วงของทางนา้ โดยปกติค่าความลาด
เอียงของทางนา้ ลดลงจาดต้ นนา้ ไปยังปลายนา้ ทางนา้ ที่มีค่า
ความลาดเอียงสูงย่ อมมีพลังงานในการไหลสูงด้ วย
รูปร่ างภาพตัดขวางของทาง
นา้ เป็ นตัวกาหนดปริมาณนา้
ที่สัมผัสกับร่ องนา้ ซึ่งจะมี
ความสัมพันธ์ กับแรงเสียด
ทาน ทางนา้ ซึ่งมีเส้ นรอบวง
น้ อยจะเป็ นทางนา้ ที่มี
ประสิทธิภาพสูง
ความราบเรียบของร่ องนา้
เป็ นอีกปั จจัยหนึ่งที่เห็นผลได้
ง่ าย ร่ องนา้ ที่ราบเรียบทาให้
การไหลของนา้ สม่าเสมอ
ในขณะที่ร่องนา้ ที่ขรุ ขระซึ่ง
เต็มไปด้ วยก้ อนกรวดตาม
ท้ องนา้ จะทาให้ กระแสนา้
ปั่ นป่ วนลดความสามารถใน
การไหลของนา้
อัตรานา้ ไหลของทางนา้ เป็ นปริมาณของนา้ ที่ไหลผ่ านจุดใดๆ
ในช่ วงเวลาที่กาหนด มักวัดในหน่ วยของลูกบาศก์ เมตรต่ อวินาที
หรือลูกบาศก์ ฟุตต่ อวินาที ปริมาณของนา้ ในทางนา้ สายหนึ่งๆ
มักไม่ คงที่ อันเนื่องมาจากปริมาณนา้ ฝนหรือหิมะที่ตกลงมาสู่
พืน้ ดินไม่ แน่ นอน
ระดับอยู่ตัว (Base level)
ระดับอยู่ตวั กาหนดว่ าเป็ นระดับต่าสุดที่ทางนา้ สามารถกร่ อน
ร่ องนา้ ลงไปได้ มีปัจจัยหลายประการที่เป็ นตัวกาหนดให้ ทาง
นา้ ไม่ สามารถกร่ อนลึกลงไปได้ ต่ากว่ าระดับอยู่ตวั เช่ น เมื่อ
ทางนา้ ไหลลงสู่ทะเลสาบ
ทะเลสาบจะเป็ นตัวควบคุม
ความสามารถของทางนา้ ที่เหนือทะเลสาบขึน้ ไปไม่ ให้ ทางนา้
กร่ อนให้ ลึกไปกว่ าระดับของทะเลสาบ แต่ ถ้าทะเลสาบถูก
ทาลายโดยการกร่ อนของทางนา้ ที่ไหลออกจากทะเลสาบ ลง
ไปยังที่ต่ากว่ า ทาให้ ทะเลสาบสูญเสียความสามารถในการ
ควบคุมการกร่ อนของทางนา้ ตอนบนเหนือทะเลสาบ
เนื่องจากการควบคุมความสามารถในการกร่อนของทะเลสาบเป็ น
เพียงชัว่ คราว ระดับของทะเลสาบจึงกาหนดให้ เป็ น ระดับอยูต่ วั ชัว่ คราว
(temporary base lavel) เมื่อทางน ้ามีอิสระในการกร่อนลงอีกครัง้ ก็จะ
มีปัจจัยอื่นมาเป็ นตัวกาหนดความสามารถในการกร่อนต่อไป จนใน
ที่สดุ เมื่อทางน ้าเดินทางมาถึงมหาสมุทร ซึง่ เป็ นส่วนที่เรี ยกว่า ระดับอยู่
ตัวพื ้นฐาน (ultimate base level) ก็จะเป็ นระดับต่าสุดถาวรที่ทางน ้า
จะกร่อนลงไปได้
การทางานของธารนา้ ไหล
(Work of running water)
นา้ ที่ไหลอยู่ในทางนา้ จะมีการทางานในหลายๆลักษณะร่ วมกัน
ดังนี ้
1. การพัดพาเศษดินเศษหิน (transportation)
2. การกร่ อนร่ องนา้ (erosion)
3. การสะสมตะกอนตามจุดต่ างๆ ตามทางนา้ (deposition)
ความสามารถและลักษณะการทางานของนา้ ในทางนา้ ขึน้ อยู่
พลังงานการเคลื่อนไหวของนา้ โดยจะมี ปริมาณนา้ และความ
เอียงเป็ นปั จจัยควบคุม
พลังงานส่ วนใหญ่ ถูกใช้ ไปในการ
ต้ านทานแรงเสียดทานของนา้ กับร่ องนา้ พลังงานส่ วนที่เหลือจะ
นาไปใช้ ในการกร่ อนและพัดพาตะกอน การสะสมตัวของตะกอน
จะเกิดขึน้ เมื่อทางนา้ มีพลังงานลดลงจนไม่ สามารถพัดพาเอา
ตะกอนไปกับทางนา้ ได้ อกี
การพัดพาเศษหิน (Transportation)
ตะกอนซึ่งทางนา้ กร่ อนมาจากท้ องนา้ และจากขอบของร่ องนา้
จะถูกพัดพาไปกับทางนา้ สู่มหาสมุทรในที่สุด
ปริมาณของ
ตะกอนที่ทางนา้ สามารถพัดพาไปได้ ในขณะหนึ่งๆ เรียกว่ า วัตถุ
พัดพา (l o a d) ซึ่งมีค่าน้ อยกว่ าความสามารถในการพัดพาของ
ทางนา้ (capacity) ซึ่งเป็ นปริมาณของตะกอนที่มากที่สุดที่ทางนา้
จะพัดพาไปได้ ในขณะหนึ่งๆ
การพัดพาตะกอนไปกับทางนา้ เกิดขึน้ ได้ ใน 3 ลักษณะคือ
1. ละลายไปกับทางนา้ (solution)
2. แขวนลอย (suspension)
3. วัตถุพัดพาท้ องนา้ (bed load)
การละลาย (Solution)
นา้ ที่อยู่ในธรรมชาติมักมีสารละลายเจือปนอยู่เสมอ ปริมาณของ
สารที่ละลายอยู่จะขึน้ อยู่กับภูมิอากาศ ฤดูกาล และสภาพทาง
ธรณีวิทยา ในบริเวณภูมิอากาศแบบร้ อนชืน้ สารที่ละลายอยู่
มากในนา้ ได้ แก่ พวก calcium และ magnesium carbonate อาจ
มีพวก chloride, nitrate, sulfates และ silica และปริมาณอีก
เล็กน้ อยของ p o t a s s i u m
ละลายอยู่
การแขวนลอย (Suspension)
ตะกอนขนาดดินที่มากับทางนา้ จะถูกพัดพาไปในรูปของการ
แขวนลอย ปั จจัยที่เป็ นตัวควบคุมการพัดพาในลักษณะนีค้ ือ
ความรุ นแรงของนา้ (turbelence) และ ความเร็วในการตกจม
ของเม็ดตะกอน (terminal velocity)
วัตถุพดั พาท้ องนา้ (Bed load)
ตะกอนที่เคลื่อนที่อยู่บนท้ องนา้ ซึ่งเรียกว่ า วัตถุพดั พาท้ องนา้ มี
ความแตกต่ างไปจากตะกอนแขวนลอยและพวกสารละลายอยู่
มาก เนื่องจากเป็ นเรื่องยากที่จะสังเกตและวัดค่ าการเคลื่อนที่
ของตะกอนประเภทนี ้ การเคลื่อนที่ของวัตถุพัดพาท้ องนา้ ไปบน
ท้ องนา้ เกิดขึน้ ได้ หลายลักษณะ เช่ น การกระโดด (saltation) การ
กลิง้ (r o l l i n g) หรือ การไถล (s l i d i n g)
การกระโดด หรือ saltation มาจากภาษาลาติน ว่ า “saltare”
ซึ่งแปลว่ า กระโดด (to jump) ตะกอนที่เคลื่อนที่ในลักษณะนี ้
จะกระโดดจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งบนท้ องนา้ ตะกอนที่
อยู่บนท้ องนา้ จะถูกทางนา้ ดึงขึน้ และพัดพาไปกับทางนา้
จนกระทั่งถึงระดับ ความเร็วตกจม ตะกอนก็จะตกลงสู่ท้องนา้
อีกครัง้
ส่ วนตะกอนที่มีขนาดใหญ่ เกินกว่ าความสามารถที่
ทางนา้ จะดึงขึน้ มาจากท้ องนา้ ได้ ก็จะมีการเคลื่อนที่แบบกลิง้
และไถล
ขึน้ อยู่กับรูปร่ างของเม็ดตะกอน
การกร่ อน (Erosion)
ทางนา้ มีกระบวนการกร่ อนที่กระทาต่ อท้ องนา้ หรือตะกอนที่อยู่
บนท้ องนา้ ในหลายลักษณะ
Direct lifting
การไหลของนา้ แบบการไหลปั่ นป่ วนในทางนา้ นัน้ แนวทางการ
ไหลของกระแสนา้ จะไม่ ขนานกับท้ องนา้ การไหลวนเวียนของ
กระแสนา้ มีความรุ นแรงพอที่จะยกเอาวัตถุท่ อี ยู่บนท้องนา้ ขึน้ มา
ได้ และพัดพาไปกับกระแสนา้
Abration, impact and solution
วัตถุท่ ถี ูกกระแสนา้ พัดพาไป อาจทาตัวเป็ นตัวกร่ อนหินที่เป็ น
ท้ องนา้ หรือหินขนาดใหญ่ ท่ วี างตัวอยู่บนท้ องนา้ เมื่อท้ องนา้ ถูก
ขัดสีนานเข้ า ก็จะเกิดลักษณะของพืน้ ผิวโค้ งเรียบ ในบางครัง้ ก็มี
การเคลื่อนที่หรือกลิง้ ไปมาบนท้ องนา้ ภายใต้ อิทธิพลของ
กระแสนา้ ก็อาจเกิดการขัดสีกัน ทาให้ ก้อนกรวดมีความกลมมน
มากขึน้
การกระทบกันของก้ อนกรวดขนาดใหญ่ กับท้ องนา้ หรือกับก้ อน
กรวดอื่นๆ ทาให้ เกิดการแตกของก้ อนกรวดได้ เช่ นกัน และเป็ น
ตัวเพิ่มวัตถุพัดพาให้ กับทางนา้
กระบวนการกร่ อนในบางครัง้ อาจเกิดในลักษณะของสารละลาย
ของก้ อนกรวดกับนา้ ในทางนา้
หุบเขาทางนา้ (Stream valleys)
หุบเขาทางนา้ สามารถแบ่ งออกได้ เป็ น 2 ชนิด
1. หุบเขาแคบรูปตัววี (narrow v-shaped valleys)
2. หุบเขากว้ าง (wide valleys)
หุบเขาแคบรูปตัววี แสดงให้ เห็นถึง การทางานในขัน้ แรกๆ ของ
ทางนา้
โดยการกร่ อนลึกลงไปในแนวดิ่งเพื่อให้ ถึงระดับอยู่ตวั
ลักษณะที่สาคัญที่พบได้ ในหุบเขาแคบรูปตัววี คือ เกาะแก่ ง
(rapids) และนา้ ตก (waterfalls) ซึ่งเกิดขึน้ ในบริเวณที่มีการ
เปลี่ยนแปลงท้ องนา้ อย่ างรวดเร็ว
เมื่อทางนา้ กร่ อนเข้ าใกล้ ระดับอยู่ตวั การกร่ อนในแนวดิ่งจะเริ่ม
ลดบทบาทลง ทางนา้ เริ่มมีโค้ งตวัด ไปมาตามแนวราบ ทาให้ ทาง
นา้ เริ่มมีขนาดกว้ างขึน้
เกิดเป็ นพืน้ ที่ราบในหุบเขาที่เรียกว่ าที่
ราบนา้ ท่ วมถึง
(f l o o d p l a i n)
ทางนา้ ที่ไหลอยู่ในที่ราบนา้ ท่ วมถึง ซึ่งอาจทาให้เกิดการกร่ อน
หรือการสะสมตัว จะมีลักษณะโค้ งตวัดไปมา ซึ่งเรียกว่ าลักษณะ
นีว้ ่ า ทางนา้ โค้ งตวัด (meander) การเกิดทางนา้ โค้ งตวัด จะมีการ
เปลี่ยนแปลงตาแหน่ งตลอดเวลา โดยการกร่ อนทางนา้ ด้ านหนึ่ง
และพัดพาตะกอนไปกับทางนา้
แต่ ในบางครัง้ การย้ ายตาแหน่ งบริเวณปลายนา้ เริ่มเคลื่อนที่ช้าลง
อาจเนื่องจากไปพบบริเวณที่เป็ นหินแข็งที่ยากต่ อการกร่ อนของ
ท้ องนา้ การย้ ายตาแหน่ งบริเวณต้ นนา้ สามารถไล่ ตามมาทัน คอ
คอดระหว่ างการคดโค้ งสองส่ วนเริ่มแคบลง ในที่สุดทางนา้ ก็ไหล
ตัดคอคอด ช่ องทางนา้ สายสัน้ ๆที่เกิดขึน้ ใหม่ เรียกว่ า cutoff
ส่ วนช่ องทางนา้ สายเก่ า บริเวณโค้ งจะเรียกว่ า ทะเลสาบรู ปแอก
(o
x
b
o
w
l
a
k
e)
รู ปแบบทางนา้
(Drainage patterns)
ระบบทางนา้ ทัง้ หลายประกอบด้ วย ทางนา้ เชื่อมต่ อกันเป็ นระบบ
เครือข่ าย (network) ธรรมชาติของรูปแบบทางนา้ ในแต่ ละพืน้ ที่
มีความเฉพาะเจาะจงที่อาจแตกต่ างไปจากพืน้ ที่อ่ นื ซึ่งจะ
สะท้ อนให้ เห็นหินแข็งหรือโครงสร้ างทางธรณีวิทยา ที่รองรับทาง
นา้ อยู่ด้านล่ าง
รูปแบบทางนา้ ซึ่งมีลักษณะคล้ ายกิ่งก้ านสาขาของต้ นไม้ ท่ ผี ลัดใบ
เรียกว่ า รูปแบบทางนา้ กิ่งไม้ (dendritic drainage pattern)
รูปแบบทางนา้ ในลักษณะนีพ้ บได้ ท่ วั ไป มักเกิดขึน้ ในบริเวณที่
หินที่รองรับทางนา้
เป็ นหินที่ต้านทานการกร่ อนในทุกทิศทาง
ใกล้ เคียงกัน มักพบในบริเวณที่เป็ นหินตะกอนที่วางตัวอยู่ใน
แนวราบหรือหินอัคนีและหินแปรเนือ้ แน่ น
รูปแบบทางนา้ รัศมี (radial drainage pattern) เป็ นรูปแบบทาง
นา้ ที่มีทศิ ทางการไหลออกไปในทุกทิศทุกทางจากจุดที่สูงสุด มัก
พบในบริเวณที่เป็ นภูเขาไฟเกิดใหม่ หรือบริเวณโดม ทางนา้ และ
ทางนา้ สาขาไหลลงจากยอดเขาหรือยอดโดมออกไปในทุก
ทิศทาง
รูปแบบทางนา้ ตัง้ ฉาก (rectangular drainage pattern) ทางนา้
สายหลักและทางนา้ สาขาจะไหลเป็ นมุมฉาก เกิดขึน้ บนหินที่มี
ชุดของรอยแตกหรือรอยเลื่อนตัดสลับกัน ซึ่งเป็ นบริเวณที่ง่าย
ต่ อการกร่ อนมากกว่ าบริเวณที่ไม่ มีรอยแตก
รูปแบบทางนา้ ร้ านเถาองุ่น (trellis drainage pattern) มีลักษณะ
คล้ ายรูปแบบทางนา้ ตัง้ ฉากแต่ ทางนา้ สาขาวางตัวขนานกัน ซึ่ง
เกิดขึน้ บนหินรองรับที่มีความแตกต่ างกันในความต้ านทานการ
กร่ อน
มีการแทรกสลับกันระหว่ างหินที่มีความต้ านทานการ
กร่ อนมากกับหินที่มีความต้ านทานการกร่ อนน้ อย
การพัฒนาหุบเขาทางนา้
(Stages of valley development)
การพัฒนาลักษณะของหุบเขาแบ่งออกได้ เป็ น 3 ระยะ คือ ปฐมวัย
(youth) มัชฌิมวัย (maturity) และ ขันอายุ
้ มาก (old age)