<p>當(dāng)河流穿過景觀時，它可以像傳送帶一樣運(yùn)行，隨著時間的推移移動一卡車的沉積物。了解這些沉積物流動的快慢可以幫助工程師規(guī)劃恢復(fù)河流或拆除大壩對下游的影響。但目前用于估算沉積物流量的模型可能存在很大偏差。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院的一個研究小組提出了一個更好的公式來計算一種流體能在顆粒床上推多少沉積物&mdash;&mdash;這個過程被稱為床載運(yùn)輸。新公式的關(guān)鍵在于沉積物顆粒的形狀。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這似乎很直觀:一塊光滑的圓形石頭應(yīng)該比棱角分明的鵝卵石更快地跳過河床。但是流動的水對有棱角的卵石施加的壓力也更大，這可能會抵消圓形石頭的優(yōu)勢。哪種效果勝出?令人驚訝的是，現(xiàn)有的沉積物運(yùn)輸模型并沒有給出答案，主要是因為測量顆粒形狀的問題太麻煩了:如何量化鵝卵石的輪廓?</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以將形狀的概念歸結(jié)為兩個相關(guān)的性質(zhì):摩擦和阻力，而不是考慮顆粒的確切形狀。顆粒的阻力，或流體流動的阻力，相對于它的內(nèi)摩擦，滑動通過其他顆粒的阻力，可以提供一個簡單的方法來衡量顆粒形狀的影響。</p> <p>&nbsp;</p> <p>當(dāng)他們將這種新的顆粒形狀的數(shù)學(xué)測量方法納入床載運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)模型中時，新公式做出的預(yù)測與團(tuán)隊在實驗室進(jìn)行的實驗相匹配。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;沉積物運(yùn)輸是地球表面生命的一部分，從風(fēng)暴對海灘的影響到山澗中鮭魚產(chǎn)卵的礫石巢，&rdquo;研究小組在今天發(fā)表在《自然》雜志上的新研究中寫道。&ldquo;筑壩和海平面上升已經(jīng)影響了許多這樣的地形，并構(gòu)成持續(xù)的威脅。很好地了解床載運(yùn)輸對我們維持這些景觀或使它們恢復(fù)自然狀態(tài)的能力至關(guān)重要。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究的作者是麻省理工學(xué)院的Eric Deal、Santiago Benavides、張瓊、Ken Kamrin和Taylor Perron，以及加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)的Jeremy Venditti和Ryan Bradley。</p> <p>&nbsp;</p> <p>計算流<img src="https://news.mit.edu/sites/default/files/styles/news_article__image_gallery/public/images/202301/grain-flows.gif?itok=1UWigRZX" alt="Video of glass spheres (top) and natural river gravel (bottom) undergoing bed load transport in a laboratory flume, slowed down 17x relative to real time." width="500" height="280" />&nbsp;</p> <p>玻璃球(上)和天然河流礫石(下)在實驗室水槽中進(jìn)行床載運(yùn)輸?shù)囊曨l，相對于實時速度放慢了17倍。平均晶粒直徑約5毫米。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這個視頻展示了滾動和滾動的天然顆粒如何相互作用，而這種相互作用是不可能發(fā)生在球體上的。不太容易看到的是，自然顆粒也比球體受到更大的水流阻力。</p> <p><br />圖片來源:研究人員提供</p> <p><br />床載運(yùn)輸是指流體(如空氣或水)將顆粒拖過沉積物床，導(dǎo)致顆粒在流體流過時沿著表面跳躍、跳躍和滾動的過程。水流中沉積物的移動驅(qū)使巖石沿著河流移動，沙粒跳過沙漠。</p> <p>&nbsp;</p> <p>能夠估算床載運(yùn)輸可以幫助科學(xué)家為城市洪水和海岸侵蝕等情況做好準(zhǔn)備。自20世紀(jì)30年代以來，一個公式一直是計算床載運(yùn)輸?shù)氖走x模型;它是基于一個被稱為希爾茲參數(shù)的量，以最初推導(dǎo)它的美國工程師命名。這個公式設(shè)定了流體對沉積物床的推力與沉積物移動速度之間的關(guān)系。阿爾伯特&middot;希爾茲在這個公式中加入了一些變量，包括沉積物顆粒的平均大小和密度，但不包括它們的形狀。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授卡姆林說:&ldquo;人們可能已經(jīng)放棄了對形狀的解釋，因為這是一個非?？膳碌淖杂啥取?amp;rdquo;&ldquo;形狀不是一個單一的數(shù)字。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>然而，已知現(xiàn)有模型在預(yù)測沉積物流量時誤差達(dá)10倍。研究小組想知道，顆粒形狀是否可能是一個缺失的成分，如果是的話，這種模糊的性質(zhì)如何在數(shù)學(xué)上表示。</p> <p>&nbsp;</p> <p>迪爾說:&ldquo;訣竅在于專注于描述形狀對沉積物運(yùn)輸動力學(xué)的影響，而不是描述形狀本身。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系的地質(zhì)學(xué)教授Perron說:&ldquo;這需要一些思考才能弄清楚。&rdquo;&ldquo;但我們回過頭來推導(dǎo)了Shields參數(shù)，當(dāng)你進(jìn)行數(shù)學(xué)計算時，阻力與摩擦力的比值就消失了。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>拖放</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>他們的研究表明，用來預(yù)測沉積物運(yùn)輸量的Shields參數(shù)可以被修改，不僅包括大小和密度，還包括顆粒形狀，此外，顆粒的形狀可以簡單地通過測量顆粒的阻力和內(nèi)摩擦來表示。數(shù)學(xué)似乎是有道理的。但是新的公式能預(yù)測沉積物的實際流動方式嗎?</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了回答這個問題，研究人員進(jìn)行了一系列水槽實驗，在實驗中，他們將水流從一個傾斜的水池中泵出，水池的地板上覆蓋著沉積物。他們用各種顆粒形狀的沉積物進(jìn)行了測試，包括圓形玻璃珠層、光滑的玻璃碎片、矩形棱鏡和天然礫石。他們測量了在固定時間內(nèi)通過水槽的沉積物量。然后，他們通過測量顆粒的阻力和摩擦力來確定每種沉積物類型顆粒形狀的影響。</p> <p>&nbsp;</p> <p>對于阻力，研究人員只是將單個顆粒放入一個水箱中，然后收集每種沉積物類型的顆粒到達(dá)底部所需時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。例如，相對于同樣大小和密度的圓形顆粒類型，平坦的顆粒類型平均需要更長的時間，因此具有更大的阻力。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了測量摩擦，研究小組將顆粒通過漏斗倒到圓形托盤上，然后測量結(jié)果堆的角度或坡度&mdash;&mdash;這表明顆粒的摩擦或相互抓住的能力。</p> <p>&nbsp;</p> <p>對于每種沉積物類型，他們將相應(yīng)形狀的阻力和摩擦力計算到新公式中，并發(fā)現(xiàn)它確實可以預(yù)測床質(zhì)運(yùn)輸，或研究人員在實驗中測量的移動沉積物的數(shù)量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究小組表示，新模型更準(zhǔn)確地代表了沉積物流動。展望未來，科學(xué)家和工程師可以利用該模型更好地衡量河床對惡劣天氣引起的突然洪水或大壩拆除等情況的反應(yīng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Perron說:&ldquo;如果你試圖預(yù)測大壩拆除后所有沉積物將以多快的速度被疏散，而你卻錯了三到五倍，那就很糟糕了。&rdquo;&ldquo;現(xiàn)在我們可以做得更好。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究部分得到了美國陸軍研究實驗室的支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>