当河流穿过景观时，它可以像传送带一样运行，随着时间的推移移动一卡车的沉积物。了解这些沉积物流动的快慢可以帮助工程师规划恢复河流或拆除大坝对下游的影响。但目前用于估算沉积物流量的模型可能存在很大偏差。

麻省理工学院的一个研究小组提出了一个更好的公式来计算一种流体能在颗粒床上推多少沉积物——这个过程被称为床载运输。新公式的关键在于沉积物颗粒的形状。

这似乎很直观:一块光滑的圆形石头应该比棱角分明的鹅卵石更快地跳过河床。但是流动的水对有棱角的卵石施加的压力也更大，这可能会抵消圆形石头的优势。哪种效果胜出?令人惊讶的是，现有的沉积物运输模型并没有给出答案，主要是因为测量颗粒形状的问题太麻烦了:如何量化鹅卵石的轮廓?

麻省理工学院的研究人员发现，他们可以将形状的概念归结为两个相关的性质:摩擦和阻力，而不是考虑颗粒的确切形状。颗粒的阻力，或流体流动的阻力，相对于它的内摩擦，滑动通过其他颗粒的阻力，可以提供一个简单的方法来衡量颗粒形状的影响。

当他们将这种新的颗粒形状的数学测量方法纳入床载运输的标准模型中时，新公式做出的预测与团队在实验室进行的实验相匹配。

“沉积物运输是地球表面生命的一部分，从风暴对海滩的影响到山涧中鲑鱼产卵的砾石巢，”研究小组在今天发表在《自然》杂志上的新研究中写道。“筑坝和海平面上升已经影响了许多这样的地形，并构成持续的威胁。很好地了解床载运输对我们维持这些景观或使它们恢复自然状态的能力至关重要。”

这项研究的作者是麻省理工学院的Eric Deal、Santiago Benavides、张琼、Ken Kamrin和Taylor Perron，以及加拿大西蒙弗雷泽大学的Jeremy Venditti和Ryan Bradley。

计算流 

玻璃球(上)和天然河流砾石(下)在实验室水槽中进行床载运输的视频，相对于实时速度放慢了17倍。平均晶粒直径约5毫米。

这个视频展示了滚动和滚动的天然颗粒如何相互作用，而这种相互作用是不可能发生在球体上的。不太容易看到的是，自然颗粒也比球体受到更大的水流阻力。

图片来源:研究人员提供

床载运输是指流体(如空气或水)将颗粒拖过沉积物床，导致颗粒在流体流过时沿着表面跳跃、跳跃和滚动的过程。水流中沉积物的移动驱使岩石沿着河流移动，沙粒跳过沙漠。

能够估算床载运输可以帮助科学家为城市洪水和海岸侵蚀等情况做好准备。自20世纪30年代以来，一个公式一直是计算床载运输的首选模型;它是基于一个被称为希尔兹参数的量，以最初推导它的美国工程师命名。这个公式设定了流体对沉积物床的推力与沉积物移动速度之间的关系。阿尔伯特·希尔兹在这个公式中加入了一些变量，包括沉积物颗粒的平均大小和密度，但不包括它们的形状。

麻省理工学院机械工程教授卡姆林说:“人们可能已经放弃了对形状的解释，因为这是一个非常可怕的自由度。”“形状不是一个单一的数字。”

然而，已知现有模型在预测沉积物流量时误差达10倍。研究小组想知道，颗粒形状是否可能是一个缺失的成分，如果是的话，这种模糊的性质如何在数学上表示。

迪尔说:“诀窍在于专注于描述形状对沉积物运输动力学的影响，而不是描述形状本身。”

麻省理工学院地球、大气和行星科学系的地质学教授Perron说:“这需要一些思考才能弄清楚。”“但我们回过头来推导了Shields参数，当你进行数学计算时，阻力与摩擦力的比值就消失了。”

拖放

他们的研究表明，用来预测沉积物运输量的Shields参数可以被修改，不仅包括大小和密度，还包括颗粒形状，此外，颗粒的形状可以简单地通过测量颗粒的阻力和内摩擦来表示。数学似乎是有道理的。但是新的公式能预测沉积物的实际流动方式吗?

为了回答这个问题，研究人员进行了一系列水槽实验，在实验中，他们将水流从一个倾斜的水池中泵出，水池的地板上覆盖着沉积物。他们用各种颗粒形状的沉积物进行了测试，包括圆形玻璃珠层、光滑的玻璃碎片、矩形棱镜和天然砾石。他们测量了在固定时间内通过水槽的沉积物量。然后，他们通过测量颗粒的阻力和摩擦力来确定每种沉积物类型颗粒形状的影响。

对于阻力，研究人员只是将单个颗粒放入一个水箱中，然后收集每种沉积物类型的颗粒到达底部所需时间的统计数据。例如，相对于同样大小和密度的圆形颗粒类型，平坦的颗粒类型平均需要更长的时间，因此具有更大的阻力。

为了测量摩擦，研究小组将颗粒通过漏斗倒到圆形托盘上，然后测量结果堆的角度或坡度——这表明颗粒的摩擦或相互抓住的能力。

对于每种沉积物类型，他们将相应形状的阻力和摩擦力计算到新公式中，并发现它确实可以预测床质运输，或研究人员在实验中测量的移动沉积物的数量。

研究小组表示，新模型更准确地代表了沉积物流动。展望未来，科学家和工程师可以利用该模型更好地衡量河床对恶劣天气引起的突然洪水或大坝拆除等情况的反应。

Perron说:“如果你试图预测大坝拆除后所有沉积物将以多快的速度被疏散，而你却错了三到五倍，那就很糟糕了。”“现在我们可以做得更好。”

这项研究部分得到了美国陆军研究实验室的支持。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。