火山碎屑沉积物上火山泥流的侵蚀过程：物理与数值模拟的启示

针对火山泥流（lahar）侵蚀火山沉积物的机制不明问题，研究人员通过水槽实验与CFD-DEM耦合模拟，揭示了火山浮石（pumice）上涌等四种侵蚀模式及其对灾害规模的放大效应，为灾害预测提供了微观运动数据支撑。

　　

火山喷发后，火山泥流（lahar）对下游区域的威胁可能持续数年甚至数十年。这些由火山碎屑和水混合形成的快速流动体，能够通过侵蚀沿途沉积物急剧扩大规模，但侵蚀过程的具体机制始终是科学界的未解之谜。传统观测受限于灾害的突发性和野外环境复杂性，而现有模型对火山沉积物这种特殊介质的侵蚀特性缺乏针对性研究。

吉林大学的研究团队创新性地采用水槽实验与计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）耦合模拟相结合的方法，首次系统揭示了火山泥流侵蚀火山碎屑沉积物的多尺度机制。研究发现，侵蚀过程呈现四种典型模式：颗粒逐粒剥离、局部整体侵蚀、浮石上涌侵蚀和溯源侵蚀。其中浮石上涌现象通过CFD-DEM模拟被证实能显著增强侵蚀强度——当浮石含量达30%时，侵蚀深度比低浮石含量条件增加47%。微观层面，离散元追踪显示浮石颗粒的运动轨迹受流速影响较小，其垂向速度在上升阶段呈现先急剧增加后平缓的特征，与传统的碎屑颗粒运动规律截然不同。

关键技术包括：1）可调节坡度的2.4米长水槽实验系统；2）采用彩色砂层标记法的侵蚀形态可视化技术；3）基于EDEM 2018和Ansys/Fluent 19.2的CFD-DEM耦合建模；4）火山碎屑沉积物（浮石含量0-30%）的梯度设计。

【侵蚀模式】
通过分层染色沉积物的水槽实验，发现侵蚀呈现空间分异特征：上游以溯源侵蚀为主，中游形成侵蚀坑并伴随浮石上涌，下游则趋于平滑。CFD-DEM模拟再现了浮石颗粒在流场作用下的"喷泉效应"，其上升高度可达流深的1.8倍。

【侵蚀强度】
对比实验显示，高浮石含量（30%）沉积物形成的侵蚀沟窄而深（深宽比增加62%），数值模拟中定义的监测区域显示浮石颗粒碰撞应力峰值比碎屑颗粒高35%。

【颗粒运动】
DEM追踪表明，碎屑颗粒离开床面前流向速度先增后减，而浮石颗粒流向速度持续增加。两者垂向速度差异更显著：碎屑颗粒呈现震荡特征，浮石颗粒则保持单向上升。

【演化过程】
纵向演化遵循"浮石上涌→侵蚀坑形成→碰撞应力累积→下游平滑化→溯源侵蚀"的序列；横向演化表现为近垂直岸壁持续坍塌补给通道，导致侵蚀平台侧向迁移。

该研究首次建立了火山沉积物侵蚀的微观运动-宏观形貌关联模型，其提出的浮石上涌增强机制修正了传统侵蚀预测模型。发表于《CATENA》的这项成果，不仅为火山泥流灾害评估提供了新参数，其CFD-DEM多尺度研究方法更可推广至滑坡-碎屑流等地质流体研究领域。特别值得注意的是，研究发现火山喷发后松散堆积体中的浮石含量可作为灾害潜势的重要指标，这对火山监测预警具有直接指导价值。