摘要gydF4y2Ba
河床承载泥沙的运输，即风或水流经沉积物床，导致颗粒在河床上滚动或跳跃，是从河流恢复等各种情况下的一个至关重要的机制gydF4y2Ba1gydF4y2Ba到行星探索gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．尽管它的广泛存在，预测床载泥沙通量是出了名的不精确gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba．许多研究都集中在晶粒尺寸的变异性上gydF4y2Ba5gydF4y2Ba作为一个不确定的来源，但很少有人研究颗粒形状的作用，即使形状一直被怀疑会影响传输速率gydF4y2Ba6gydF4y2Ba．在这里，我们表明颗粒形状可以通过与许多沉积物传输数据集中的散点相当的量来修改床载传输速率gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba．我们提出了一个理论，解释了颗粒形状对流体阻力和颗粒摩擦的影响，并预测了运输的开始和效率取决于运输颗粒的阻力系数和体摩擦系数。实验室实验证实了这些预测，并揭示了颗粒形状对沉积物运输的影响很难从颗粒的外观直观地判断出来。我们提出了一种形状修正的沉积物运输规律，它使我们的实验测量结果崩溃。我们的研究结果使沉积物运移的预测更加准确，并有助于将球形颗粒的理论与自然沉积物颗粒的行为相协调。gydF4y2Ba
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水槽实验数据和颗粒特性测量以及用于支持结论和生成正文和扩展数据项中的图形的代码可在在线存储库中获得。水槽数据:gydF4y2Bahttps://doi.org/10.7910/DVN/GBSC2UgydF4y2Ba；纹理属性:gydF4y2Bahttps://doi.org/10.7910/DVN/31KT36gydF4y2Ba；主要图文:gydF4y2Bahttps://doi.org/10.7910/DVN/5PYJFPgydF4y2Ba；和扩展的数据项:gydF4y2Bahttps://doi.org/10.7910/DVN/NQ33ODgydF4y2Ba．gydF4y2Ba源数据gydF4y2Ba提供了这篇论文。gydF4y2Ba
参考文献gydF4y2Ba
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确认gydF4y2Ba
我们感谢C. Johnson和M. Jellinek的后勤支持，感谢M. Rushlow、M. Cantine、A. Perron和M. Perron在颗粒形状测量方面的协助，感谢M. Church讨论了颗粒形状和水槽实验。该研究由陆军研究实验室赞助，授权号为W911NF-16-1-0440。本文件中包含的观点和结论仅代表作者的观点和结论，不应被解释为代表陆军研究实验室或美国政府的官方政策，无论是明示的还是暗示的。美国政府被授权为政府目的复制和分发再版，尽管此处有任何版权标记。S.J.B.得到了NASA FINESST项目的部分资助。这个实验设施是用加拿大创新领袖基金会的机会基金资助建造的gydF4y2Ba
作者信息gydF4y2Ba
作者及隶属关系gydF4y2Ba
贡献gydF4y2Ba
e.d.， j.t.p.， K.K.和J.G.V.构想了这个项目。E.D.根据j.t.p.e.d.、J.T.P.、J.G.V、S.J.B.和R.B.的输入，发展了颗粒形状理论，并进行了实验室水槽实验。E.D.和J.T.P.测量了晶粒密度、形状、阻力系数和晶粒摩擦系数。e.d.、j.t.p.、S.J.B.和q.z对实验数据进行了分析。E.D.和J.T.P.根据其他作者的意见撰写了这篇论文。gydF4y2Ba
相应的作者gydF4y2Ba
道德声明gydF4y2Ba
相互竞争的利益gydF4y2Ba
作者声明没有利益竞争。gydF4y2Ba
同行评审gydF4y2Ba
同行评审信息gydF4y2Ba
自然gydF4y2Ba感谢Rebecca Hodge、Chris Paola和Manousous Valyrakis对本工作的同行评审所作的贡献。gydF4y2Ba
额外的信息gydF4y2Ba
出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba
扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba
扩展数据图1有倾角床层上单个颗粒的自由体图gydF4y2BaθgydF4y2Ba．gydF4y2Ba
所示的力向量对应于方程中的力(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)及(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)．这些不同的力是引力，gydF4y2BaFgydF4y2BaggydF4y2Ba，浮力，gydF4y2BaFgydF4y2BabgydF4y2Ba，流体阻力，gydF4y2BaFgydF4y2BaDgydF4y2Ba，升力，gydF4y2BaFgydF4y2BalgydF4y2Ba，床面接触力，gydF4y2BaFgydF4y2BacgydF4y2Ba，和摩擦力，gydF4y2BaFgydF4y2BafgydF4y2Ba．gydF4y2Ba
图2颗粒形状不同方面对流体阻力系数的影响。gydF4y2Ba
颗粒在静水中沉降时的阻力系数，gydF4y2BaCgydF4y2BaDsettlegydF4y2Ba，相对于计算得到的体积等效球的阻力系数，gydF4y2BaCgydF4y2BaogydF4y2Ba，作为Corey形状因子的函数，Corey形状因子是总晶粒形状的度量。彩色点表示水槽实验中使用的材料和扩展数据图中的附加材料。gydF4y2Ba3 a egydF4y2Ba．灰线是对大型编译的拟合gydF4y2Ba32gydF4y2Ba单粒沉降实验，已分类的颗粒角度，一个衡量小颗粒形状。关键的草图显示了不同角度的理想颗粒。红色虚线是趋势1/gydF4y2Ba年代gydF4y2BafgydF4y2Ba进行比较。误差条表示平均值的一个标准误差。gydF4y2Ba
扩展数据图3附加颗粒材料及其形状特性。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，钢化玻璃碎片。gydF4y2BabgydF4y2Ba，贝壳碎片。gydF4y2BacgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba、天然砾石，分别为2-5种，其总颗粒形状、角度和表面性质存在差异。所有材料之间以及水槽实验中使用的五种颗粒材料之间具有相似的平均尺寸和密度(扩展数据表)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．gydF4y2BaggydF4y2Ba，标准化摩擦系数，gydF4y2BaμgydF4y2Ba*，作为水槽实验中使用的五种颗粒材料和中所示的六种附加颗粒材料的科里形状因子的函数gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba．gydF4y2BahgydF4y2Ba，归一化阻力系数，gydF4y2BaCgydF4y2Ba*，作为Corey形状因子的函数，对于相同的11颗粒材料，如gydF4y2BaggydF4y2Ba．gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，两个归一化系数的比值gydF4y2BaggydF4y2Ba而且gydF4y2BahgydF4y2Ba，gydF4y2BaCgydF4y2Ba* /gydF4y2BaμgydF4y2Ba*，作为Corey形状因子的函数，对于相同的11颗粒材料，如gydF4y2BaggydF4y2Ba而且gydF4y2BahgydF4y2Ba．的参数gydF4y2BaCgydF4y2Ba*和gydF4y2BaμgydF4y2Ba*在许多被测材料中趋于相似的变化，以至于它们的比值接近于1。然而，有些材料的比例gydF4y2BaCgydF4y2Ba* /gydF4y2BaμgydF4y2Ba与一个明显不同。这就突出了基于对颗粒的定性检测来猜测颗粒形状对泥沙输运的净影响的困难。误差条表示平均值的一个标准误差。gydF4y2Ba
扩展数据图4颗粒形状对床层荷载输沙的竞争影响。gydF4y2Ba
同Fig。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，但包括扩展数据图中的六种颗粒材料。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，体积静摩擦系数与颗粒圆度测量的比较，gydF4y2Ba年代gydF4y2BacgydF4y2Ba= 4πgydF4y2Ba一个gydF4y2Ba/gydF4y2BaPgydF4y2Ba2gydF4y2Ba,在那里gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba投影的粮食面积和gydF4y2BaPgydF4y2Ba投影周长(值越接近1表示更圆的颗粒)是观测的汇编吗gydF4y2Ba47gydF4y2Ba，gydF4y2Ba48gydF4y2Ba，gydF4y2Ba49gydF4y2Ba这里测量的材料。gydF4y2BabgydF4y2Ba静水沉降阻力系数比较，gydF4y2BaCgydF4y2BaDsettlegydF4y2Ba，由相同体积球体的阻力系数归一化(gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)和另一种测量晶粒形状的方法，科里形状因子，gydF4y2Ba年代gydF4y2BafgydF4y2Ba＝gydF4y2BacgydF4y2Ba/ (gydF4y2BaabgydF4y2Ba）gydF4y2Ba1／2gydF4y2Ba,在那里gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba一个颗粒的长轴、中间轴和短轴(值越接近1表示颗粒更球形)，对于观察的汇编gydF4y2Ba32gydF4y2Ba这里测量的材料。摩擦系数和阻力系数均随颗粒球形的增大而减小。误差条表示平均值的一个标准误差。gydF4y2Ba
扩展数据图5实验室水槽示意图。gydF4y2Ba
在水槽中部2.5 m处测量了河床和水面坡度，那里没有明显的进出对颗粒运动的影响。水槽倾斜3°，但沉积物层可以形成一个比水槽更陡或不太陡的斜坡。gydF4y2Ba
图6变晶粒形状的颗粒材料的形状分布。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba，三轴直方图(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba)用来表征晶粒的形状。gydF4y2BadgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba，科里形状因子对应的直方图。gydF4y2BangydF4y2Ba是每种谷物类型的样本量。gydF4y2Ba
扩展数据图7水槽实验中所用颗粒类型的沉降速度分布。gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba是每种谷物类型的样本量。gydF4y2Ba
图8实验材料休止角的测量。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba,球体。gydF4y2BabgydF4y2Ba，刻面椭球。gydF4y2BacgydF4y2Ba，圆形芯片。gydF4y2BadgydF4y2Ba、漆成天然砂砾。实验中使用了涂漆砾石，以帮助自动识别颗粒。gydF4y2BaegydF4y2Ba，矩形棱镜。蓝色和红色为图像分析提取的桩廓形的左右边缘。黄线是这些边的最小二乘拟合，用于估计休止角。每个图像中心的垂直红线是用来确定重力方向的铅垂线。gydF4y2Ba
图9不同方法估计边界剪应力的比较。gydF4y2Ba
对于水槽实验的一个子集与球，流速测量使用激光粒子图像测速仪(PIV)。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，流体速度沿下游方向随颗粒层上方距离变化的剖面(蓝色虚线)，为清晰起见，在x轴上偏移，符合壁的规律(黑线)，gydF4y2BaugydF4y2Ba= (gydF4y2BaugydF4y2Ba* /gydF4y2BaκgydF4y2Baln (30)gydF4y2BazgydF4y2Ba/gydF4y2BadgydF4y2BaogydF4y2Ba),gydF4y2BaκgydF4y2Ba= 0.4是冯·卡门常数，gydF4y2BadgydF4y2BaogydF4y2Ba是颗粒直径，和gydF4y2BaugydF4y2Ba* =√(gydF4y2BaτgydF4y2Ba/gydF4y2BaρgydF4y2Ba)为剪切速度，可得到剪切应力的估计值。壁的规律适用于每个剖面最大速度的20%到80%之间的部分(蓝色实线)。gydF4y2BabgydF4y2Ba，由估算的无量纲床层剪应力图gydF4y2BaτgydF4y2Ba＝gydF4y2BaρgRSgydF4y2Ba根据墙体定律(蓝点)估计的无量纲剪应力和应用墙体修正因子计算的剪应力gydF4y2Ba53gydF4y2Ba到原来的估计gydF4y2BaτgydF4y2Ba＝gydF4y2BaρgRSgydF4y2Ba(绿色点)用于玻璃球水槽实验。gydF4y2BacgydF4y2Ba，同gydF4y2BabgydF4y2Ba，但对于采用天然砾石的水槽实验，且没有piv导出的剪应力。虚线是最小二乘拟合。球体和天然砾石的壁面修正剪应力估估值彼此之间以及piv导出的估估值之间都在误差范围内。两种晶粒类型的平均壁面修正系数为(2.7 + 2.1)/2 = 2.41。误差条显示剪应力估计中不确定性的最佳估计。对于piv导出的估计，这是对数线性拟合的不确定性gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba；对于其他估计，它是均值的传播标准误差。gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
补充视频1gydF4y2Ba
球经历低强度床载运输的视频。无因次剪应力为gydF4y2BaτgydF4y2Ba* = 0.056，无量纲输运率为gydF4y2Ba问gydF4y2Ba* = 0.018。gydF4y2Ba
补充视频2gydF4y2Ba
一段自然砾石1经历低强度床载运输的视频。无因次剪应力为gydF4y2BaτgydF4y2Ba* = 0.081，无量纲输运率为gydF4y2Ba问gydF4y2Ba* = 0.025。gydF4y2Ba
补充视频3gydF4y2Ba
球体经历中等强度床载运输的视频。无因次剪应力为gydF4y2BaτgydF4y2Ba* = 0.106，无量纲输运率为gydF4y2Ba问gydF4y2Ba* = 0.185。gydF4y2Ba
补充视频4gydF4y2Ba
一段天然砾石1经历中等强度床载运输的视频。无因次剪应力为gydF4y2BaτgydF4y2Ba* = 0.148，无量纲输运率为gydF4y2Ba问gydF4y2Ba* = 0.230。gydF4y2Ba
补充视频5gydF4y2Ba
中强度床载传输中面椭球的视频。无因次剪应力为gydF4y2BaτgydF4y2Ba* = 0.127，无量纲输运率为gydF4y2Ba问gydF4y2Ba* = 0.262。gydF4y2Ba
补充视频6gydF4y2Ba
矩形棱镜进行中等强度床载运输的视频。无因次剪应力为gydF4y2BaτgydF4y2Ba* = 0.123，无量纲传输速率为gydF4y2Ba问gydF4y2Ba* = 0.224。gydF4y2Ba
补充视频7gydF4y2Ba
圆形玻璃碎片进行中等强度床载运输的视频。无因次剪应力为gydF4y2BaτgydF4y2Ba* = 0.124，无量纲输运率为gydF4y2Ba问gydF4y2Ba* = 0.262。gydF4y2Ba
补充视频8gydF4y2Ba
球经历高强度床载运输的视频。无因次剪应力为gydF4y2BaτgydF4y2Ba* = 0.160，无量纲输运率为gydF4y2Ba问gydF4y2Ba* = 0.598。gydF4y2Ba
补充视频9gydF4y2Ba
一段天然砾石1经历高强度床载运输的视频。无因次剪应力为gydF4y2BaτgydF4y2Ba* = 0.206，无量纲输运率为gydF4y2Ba问gydF4y2Ba* = 0.543。gydF4y2Ba
源数据gydF4y2Ba
权利和权限gydF4y2Ba
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迪尔，E，文迪提，j.g.，贝纳维德斯，S.J.gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba沉积物输沙过程中颗粒形状的影响。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba613gydF4y2Ba， 298-302(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05564-6gydF4y2Ba
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