耦合二维水沙模型与示踪剂流动能力评估的临界床面剪应力确定方法

这篇研究提出了一种创新方法，通过结合二维水沙模型与示踪剂流动能力评估（θcr），解决了砾石河床临界希尔兹参数（Shields parameter）的精准测定难题。研究基于野外实测数据（涂色斑块和RFID示踪剂）与高分辨率模型计算，揭示了颗粒运动的临界阈值（θcr,D50=0.035）和隐藏因子（b=-0.6），为河床动力学模拟提供了可靠参数，对河流生态修复与工程管理具有重要实践意义。

　　

Highlight

本研究提出了一种结合二维水沙模型与示踪剂流动能力评估的创新方法，用于精确测定砾石河床中颗粒运动的临界希尔兹参数（θ_cr）。通过涂色斑块和RFID示踪剂的双重验证，揭示了颗粒启动的力学阈值与隐藏效应（hiding effects）的定量关系。

Flow competence estimation

2018年8月对涂色斑块（E₀）和示踪剂（S₀）的监测显示，仅在小洪水（峰值流量90 m³/s，约0.4倍满岸流量）期间未发生显著运动。后续大洪水事件中，通过斑块侵蚀程度和示踪剂位移数据，结合模型计算的颗粒剪切应力（τ′），首次实现了θ_cr的时空动态标定。

Conclusion

该方法通过多源数据融合与高精度建模，成功确定了颗粒直径D_i对应的临界希尔兹参数θ_cr,Di。其中，涂色斑块法量化了D₉₅颗粒的启动阈值（θ_cr,D95），而示踪剂数据则揭示了隐藏因子b=-0.6的最优值。模型验证表明，80%以上的侵蚀区域中，计算剪切应力均超过θ_cr,D50=0.035的临界值，证实了方法的可靠性。

CRediT authorship contribution statement

Guillaume Piasny：主导研究设计、数据分析和论文撰写；Pierre-André Garambois：负责模型验证与理论指导；Laurent Schmitt：提供项目资源与跨学科协作支持。

Declaration of competing interest

作者声明无利益冲突。

Acknowledgment

感谢法国莱茵-默兹水务署（Agence de l’eau Rhin-Meuse）和大东部大区（Région Grand Est）的资助，以及斯特拉斯堡大学计算中心的技术支持。