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《Water》期刊2021年关于泥沙侵蚀/沉积对泥石流传播影响的数值研究
第一作者及机构
本研究由浙江大学海洋学院港口海岸与近海工程研究所的Abiola Abraham Adebiyi和Peng Hu（通讯作者）共同完成，发表于《Water》期刊2021年第13卷，论文标题为《A Numerical Study on Impacts of Sediment Erosion/Deposition on Debris Flow Propagation》。
学术背景
泥石流（debris flow）是一种高浓度固液混合体沿斜坡运动的自然灾害现象，在陆地（subaerial）和水下（subaqueous）环境均可发生。其巨大的动量会对沿途生命财产（如海底电缆、钻井平台等）造成严重破坏。传统数值模型多忽略泥石流与床面之间的泥沙交换（erosion/deposition）过程，而实际观测表明，侵蚀和沉积会显著改变泥石流体积和流变特性（rheological properties）。为此，本研究旨在通过开发新型数值模型，量化泥沙侵蚀/沉积对泥石流传播的影响，并揭示浊流（turbidity current）与泥石流的本质差异。
研究基于以下关键科学问题：
1. 传统模型假设床面不可侵蚀（non-erodible bed），但实际泥石流路径多为可侵蚀床面（erodible bed）；
2. 泥石流的非牛顿流体特性（Herschel-Bulkley模型描述的屈服应力τ_yield和动力粘度μ）与浊流的牛顿流体特性存在显著差异；
3. 泥沙粒径、床面坡度、浓度和孔隙率等参数对床面变形的影响尚未系统量化。
研究流程与方法
研究分为四个核心环节：
1. 模型开发
构建了三个耦合模型：
- QDnew模型：传统泥石流模型，忽略床面变形，采用Herschel-Bulkley流变模型；
- TCQD模型：改进模型，引入床面变形方程，耦合泥沙侵蚀/沉积过程；
- TC模型：简化浊流模型，忽略屈服应力和粘度，作为对比基准。
模型控制方程基于层平均质量-动量守恒定律，采用有限体积法（Finite Volume Method, FVM）和二阶斜率限制中心格式（SLIC scheme）求解，并加入加权表面-深度梯度法（WSDGM）保证数值稳定性。
2. 实验验证
选取三组实验室数据校准模型：
- WK87实验（Wright & Krone, 1987）：Subaerial环境，斜率0.06，验证泥石流前沿运动；
- M2A/M3A实验（Mohrig et al., 1999）：斜坡转折工况（6°→1°），测试模型对坡度变化的响应。
通过敏感性分析确定关键参数（如泥沙浓度c=0.6时TCQD模型与实验数据吻合最佳）。
3. 大陆架应用模拟
构建理想化大陆架地形（4000×2000 m，坡度6°→0°），对比三种模型在7200秒内的流态差异：
- QDnew：无床面交互，沉积厚度最低；
- TCQD：垂向沉积（vertical deposit），尾部保持临界高度（critical depth h_c）；
- TC：水平扩散（horizontal deposit），尾部厚度趋近于零。
4. 参数敏感性分析
通过9组数值实验（表2）量化以下因素的影响：
- 泥沙粒径（37–100 μm）：粗颗粒（100 μm）侵蚀深度最大；
- 床面坡度（3°–9°）：9°坡度下侵蚀最显著；
- 孔隙率（0.2–0.7）：高孔隙率（0.7）床面更易破坏；
- 浓度（0.27–0.8）：高浓度（0.8）导致更大规模侵蚀。
主要结果
1. 模型验证：TCQD在c=0.6时与WK87实验的跑动距离（runout distance）误差仅2.4%，而TC模型因忽略屈服应力高估29.3%（表1）。
2. 流态差异：
- 浊流（TC）因无屈服应力，流速更快（图7b），头部薄而尾部扩散（图6d）；
- 泥石流（TCQD）因屈服应力存在，沉积呈垂向堆积（图9d），剪切应力更高。
3. 参数影响：所有测试参数均与床面变形呈正相关（图10），其中坡度与跑动距离的直接关系验证了Qian & Das (2019)的结论。
结论与价值
1. 科学价值：首次在二维模型中耦合泥石流-床面交互过程，揭示了屈服应力和动态粘度对沉积形态的控制机制。
2. 应用价值：为海底设施（如管道）的侵蚀风险评估提供量化工具，例如TCQD预测的垂向沉积可能增加设施受压风险。
3. 理论创新：提出基于Herschel-Bulkley模型的床面剪切应力近似解法（公式23），相比Newton-Raphson迭代计算效率提升40%。
研究亮点
1. 方法创新：TCQD模型首次整合了非牛顿流体特性和床面变形方程；
2. 发现创新：明确浊流与泥石流在沉积形态（水平vs垂直）和临界高度效应上的差异；
3. 工程启示：敏感性分析证明粗颗粒、陡坡和高孔隙率床面需优先防护。
其他价值
研究数据可通过ZJU HPC中心（舟山校区）获取，模型代码已开源（未注明仓库），可供地质灾害模拟社区进一步开发。