當河流穿過景觀時，它隨著時間的推移，像傳送帶一樣輸送大量泥沙。

這個過程被稱為

泥沙輸移

。

掌握這些泥沙流動的快慢，對工程師來說至關重要。因為這些過程作為

地球表面最活躍的部分，影響著地球生命的各個方面。

陸源沉積物輸移。（圖／Tris10myers， Wikimedia Commons， CC BY-SA）

但是，目前用於估計泥沙輸移的模型可能會出現很大的偏差，用

現有的模型在預測泥沙流動時，這種偏差甚至可高達10倍。

現在，一組研究團隊推到出了一種更精確的公式，來計算流體能夠推動多少泥沙穿過粒狀的河床，也就是所謂的

推移質輸移

的過程。他們將新的發現發表在了近日的《自然》雜誌上，表示這種

新公式的關鍵與泥沙顆粒的形狀有關

。

形狀的關鍵

推移質輸移指的是，當空氣或水等流體流過時，這些流體會拖動顆粒穿過沉積物床面，導致顆粒沿著表面跳躍和滾動的過程。

泥沙在流體中的這種運動，正是讓岩石沿著河流遷移，或者沙粒穿越沙漠的主要原因

。

自20世紀30年代以來，一則公式一直是計算推移質輸移的首選模型，它基於一個被稱為

希爾茲引數

的量，這個引數是以最初得出它的美國工程師

艾伯特·希爾茲

命名。

這則公式設定了對泥沙床面的流體推力，以及泥沙移動速度之間的關係。

希爾茲在公式中包含了某些特定的變數，

比如泥沙顆粒的平均大小和密度，但沒有它們的形狀

。這很可能是因為，形狀是非常令人頭疼的一個自由度，它不是一個單一的數字，因此非常難以衡量。

但是，形狀的影響似乎是不容忽視的：一個光滑的圓形石頭應該比一個有稜角的卵石更快躍過河床。但與此同時，有稜角的卵石又會被流動的水更用力地推送，這就可能抹消掉圓潤石頭的優勢。究竟哪種效應能獲勝？現有的模型並沒有提供答案。

團隊想知道，顆粒形狀是否可能是一個缺失的成分，如果真是這樣的話，如何用數學方表示這個模糊的屬性。換句話說，

如何量化一個卵石的輪廓

？

修改希爾茲引數

在新研究中，研究人員用一種巧妙的方法，

避開了

對顆粒的確切形狀進行直接描述，而是將形狀這一概念歸結為兩個相關的屬性，分別是摩擦和阻力

。

利用這種思路，他們發現不僅可以在顆粒的尺寸和密度的方面對預測了泥沙輸移動量的

希爾茲引數進行修改，還可以從顆粒的形狀方面對其進行修改。

但新的公式能否預測泥沙的實際流動情況

？

為了回答這個問題，研究人員進行了一系列的水槽實驗。在實驗中，他們讓水流過一個傾斜的水槽，水槽下方鋪滿了泥沙。他們用各種顆粒形狀的沉積物進行測試，包括圓形玻璃珠床、光滑的玻璃片、矩形的稜鏡和天然礫石。

實驗所用的不同形狀的顆粒材料。（圖／MIT）

他們測量了在一定時間內透過水槽運輸的泥沙量，然後，透過測量顆粒的阻力和摩擦力來確定顆粒形狀的影響。

對於阻力，研究人員只需簡單地將單個顆粒扔到水中，收集顆粒到達底部所需時間的統計資料。例如，比較扁平的顆粒型別，平均需要更長時間，因此它們就比有著一樣大小和密度的圓形顆粒具有更大阻力。

而為了測量摩擦力，團隊將顆粒透過漏斗倒在一個圓形托盤上，測量產生的堆積物的角度或坡度，這是一種顆粒的摩擦力

（相互“抓緊”的能力）

的指標。

（圖／MIT）

對於每種物質型別，他們將相應形狀的阻力和摩擦力帶入新公式中，並發現它確實可以預測推移質輸移，也就是研究人員在實驗中測量的移動物質量。

更準確的預測

團隊認為，

新的模型更準確地代表了泥沙流動

。對推移質輸移的良好理解對於我們維持這些地貌或將其恢復到自然狀態的能力至關重要。

它可以幫助科學家為城市洪水和海岸侵蝕等情況做好準備。未來，科學家和工程師們可以藉助這個模型更好地衡量河床將如何應對各種情況，比如惡劣天氣造成的突發洪水，或者水壩拆除的影響。

#創作團隊：

撰文：Måka

排版：雯雯

#參考來源：

https：//news。mit。edu/2023/grain-flow-sediment-transport-0111

https：//www。nature。com/articles/s41586-022-05564-6

#圖片來源：

封面圖&

首圖：

MIT

釋出於：江蘇