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火山泥石流对火山沉积物的侵蚀过程：来自物理实验和数值模拟的见解

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研究背景：火山泥石流对生命和财产构成重大威胁，全球超过 10% 的人口面临火山泥石流的潜在风险。侵蚀作用直接影响火山泥石流的规模与速度，进而扩展其传播距离和危险范围。研究火山泥石流如何侵蚀火山沉积物，对于预测火山泥石流危害和制定应对决策具有重要意义。尽管学术界已开展了广泛的火山泥石流研究，但火山泥石流对火山沉积物的侵蚀过程仍不清楚。

研究内容：本研究通过水槽实验和 CFD-DEM数值模拟从宏观和微观角度研究了火山泥石流对火山沉积物的侵蚀过程。

物理实验：实验装置由供水箱、水槽、堆积板和数据采集系统组成（图1）。用于可侵蚀床的材料取自长白山火山地区的火山泥石流沉积物。为研究浮石对侵蚀的影响，分别选取浮石含量3%和32%的两组土壤进行试验。使用四种颜色的砂子（黄、绿、红和蓝）来标记和跟踪可侵蚀床颗粒的运动，以分析火山泥石流侵蚀模式。实验参数详见表 1。



图1  实验装置：（a） 示意图，（b） 现场照片

        表 1  水槽实验变量

编号	侵蚀床浮石含量 (%)	试验时长 (s)	水槽坡度 (°)	侵蚀床厚度 (cm)	流量(m3/h)
F1	32	8	15	10	2.5
F2	32	16
F3	3	8
F4	3	16

数值模拟：采用计算流体动力学与离散元相结合的 CFD-DEM 模型来研究火山泥石流侵蚀过程以及侵蚀床颗粒的运动过程，实验模型如图 2所示。数值模拟的控制参数为侵蚀床的坡度、流体速度和流体密度，实验编号和参数如表 2 所示。