近日，实验室姚鹏副教授为第一作者在期刊《Water Resources Research》上发表了题为“Erosion Behavior of Sand-Silt Mixtures: Revisiting the Erosion Threshold”（粉砂-砂混合物的冲刷特性：再议临界冲刷阈值）的学术论文，该研究合作者包括荷兰代尔夫特理工大学Marcel Stive教授和Wang Zhengbing教授，乌特勒支大学Leo van Rijn教授和河海大学陈永平教授、苏敏副教授、许春阳副教授。

临界冲刷阈值是泥沙运动理论的经典问题，也是计算泥沙输移量的关键参数，常用泥沙起动切应力来表征。河口海岸泥沙多为由黏土（< 4 μm）、粉砂（4-62.5 μm）、细砂（62.5-500 μm）以及一些有机质组成的非均匀细颗粒泥沙混合物，如何确定非均匀沙的起动切应力是准确模拟河口海岸泥沙运动的前提。

非均匀沙中若细砂组分占优，其冲刷展现出单颗粒冲刷特征，起动切应力可使用经典的希尔兹（Shields）曲线计算；而黏土组分占优的泥沙则展现出块状群体冲刷特征，且黏土组分含量是刻画非均匀沙起动过程的关键，其黏结力作用可将泥沙起动切应力提高数倍。粉砂粒径介于黏土与细砂之间，已有实验研究表明其存在两种冲刷行为：或为单颗粒冲刷，或为群体块状冲刷，即存在明显的过渡性特征。本研究通过环形水槽冲刷，对粉砂占优的非均匀沙底床开展了系列冲刷实验，旨在厘清粉砂的过渡性冲刷机理，推导适用于粉砂质泥沙的起动切应力表达式。

研究表明，对于黏土含量较小的非均匀沙而言，粉砂含量是控制底床过渡性冲刷行为的关键，临界值约为35%。当非均匀沙中的粉砂组分含量小于35%时，其冲刷类似于砂质泥沙，且其起动切应力可以使用希尔兹曲线计算；而当粉砂含量大于35%，泥沙起动切应力首先突然增大，其后随粉砂含量的增加而保持相对稳定。进一步研究表明，当粉砂组分含量超过临界值，底床性质由砂质泥沙主导转变为粉砂主导，形成稳定的粉砂颗粒骨架，粉砂颗粒间的弱吸引力会加强骨架的稳定性，增强底床抗冲刷性，进而提高临界起动阈值。基于此，本研究进一步改进了非均匀泥沙起动切应力计算公式，在粉砂粒径域的计算误差降至10%以内。研究成果可直接应用到现有泥沙运动数学模型中，进一步提高目前非均匀泥沙运动的模拟精度。

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https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021WR031788