Marie Leroy Lorsqu’une rivière traverse un paysage. déplaçant des camions de sédiments au fil du temps. Savoir à quelle vitesse ou à quelle vitesse ces sédiments s’écoulent peut aider les ingénieurs à planifier l’impact en aval de la restauration d’une rivière ou de la suppression d’un barrage. Mais les modèles actuellement utilisés pour estimer le flux de sédiments peuvent être largement décalés.
Une équipe du MIT a mis au place une meilleure formule pour calculer la quantité de sédiments qu’un fluide peut pousser à travers un lit granulaire – un processus connu sous le nom de transportation par charge de lit. La clé de la nouvelle formule réside dans la forme des grains de sédiments.
Cela peut sembler intuitif . Mais l’eau qui coule pousse aussi as well as fort le galet anguleux, ce qui pourrait effacer l’avantage de la pierre ronde. Quel effet l’emporte ? Les modèles de transport de sédiments existants n’offrent étonnamment pas de réponse, principalement parce que le problème de la mesure de la forme des grains est trop lourd : remark quantifier les contours d’un galet ?
Les chercheurs du MIT ont découvert qu’au lieu de considérer la forme exacte d’un grain, ils pouvaient résumer le idea de forme à deux propriétés liées : la friction et la traînée. La traînée d’un grain, ou la résistance à l’écoulement du fluide. la résistance au glissement sur d’autres grains, peut fournir un moyen facile d’évaluer les effets de la forme d’un grain.
Lorsqu’ils ont incorporé cette nouvelle mesure mathématique de la forme des grains dans un modèle regular pour le transportation par charriage, la nouvelle formule a fait des prédictions qui correspondaient aux expériences que l’équipe a réalisées en laboratoire.
“Le transportation des sédiments fait partie de la vie à la surface de la Terre, de l’impact des tempêtes sur les plages aux nids de gravier dans les ruisseaux de montagne où les saumons pondent leurs œufs”, écrit l’équipe à propos de leur nouvelle étude, publiée dans Nature. “Les barrages et l’élévation du niveau de la mer ont déjà eu un impact sur de nombreux terrains de ce variety et constituent des menaces permanentes.”
Les auteurs de l’étude sont Eric Deal, Santiago Benavides, Qiong Zhang, Ken Kamrin et Taylor Perron du MIT, et Jeremy Venditti et Ryan Bradley de l’Université Simon Fraser au Canada.
Calculer le flux
Le transportation par charriage est le processus par lequel un fluide tel que l’air ou l’eau entraîne les grains sur un lit de sédiments, les faisant sauter, sauter et rouler le extensive de la surface area lorsqu’un fluide s’écoule. Ce mouvement de sédiments dans un courant est ce qui pousse les roches à migrer le prolonged d’une rivière et les grains de sable à sauter à travers un désert.
Depuis les années 1930, une formule est le modèle de référence pour calculer le transport par charriage : elle est basée sur une quantité connue sous le nom de paramètre de Shields, du nom de l’ingénieur américain qui l’a dérivé à l’origine. Cette formule établit une relation entre la drive d’un fluide poussant sur un lit de sédiments et la vitesse à laquelle les sédiments se déplacent en réponse. Albert Shields a incorporé certaines variables dans cette formule, notamment la taille et la densité moyennes des grains d’un sédiment, mais pas leur forme.
“Les gens ont peut-être renoncé à tenir compte de la forme parce que c’est l’un de ces degrés de liberté très effrayants”, explique Kamrin, professeur de génie mécanique au MIT. “La forme n’est pas un nombre special.”
Et pourtant, le modèle existant est connu pour être décalé d’un facteur 10 dans ses prédictions d’écoulement de sédiments. L’équipe s’est demandé si la forme du grain pouvait être un ingrédient manquant et, dans l’affirmative, remark la propriété nébuleuse pouvait être représentée mathématiquement.
“L’astuce consistait à se concentrer sur la caractérisation de l’effet de la forme sur la dynamique du transportation des sédiments, plutôt que sur la caractérisation de la forme elle-même”, explique Offer.
“Il a fallu réfléchir pour comprendre cela”, explique Perron, professeur de géologie au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT. “Mais nous sommes revenus pour dériver le paramètre Shields, et lorsque vous faites le calcul.”
Glisser déposer
Leurs travaux ont montré que le paramètre de Shields – qui prédit la quantité de sédiments transportés – peut être modifié pour inclure non seulement la taille et la densité, mais aussi la forme du grain, et en outre, que la forme d’un grain peut être simplement représentée par une mesure de la la traînée du grain et son frottement interne. Les calculs semblaient logiques. Mais la nouvelle formule pourrait-elle prédire comment les sédiments s’écoulent réellement ?
Pour répondre à cette query, les chercheurs ont mené une série d’expériences de canal, dans lesquelles ils ont pompé un courant d’eau à travers un réservoir incliné avec un sol recouvert de sédiments. Ils ont effectué des checks avec des sédiments de différentes formes de grains, y compris des lits de perles de verre rondes, des éclats de verre lisses, des prismes rectangulaires et du gravier naturel. Ils ont ensuite déterminé l’effet de la forme des grains de chaque form de sédiment en mesurant la traînée et la friction des grains.
Pour la traînée, les chercheurs ont simplement laissé tomber des grains individuels dans un réservoir d’eau et ont recueilli des statistiques sur le temps qu’il a fallu aux grains de chaque kind de sédiment pour atteindre le fond. Par exemple, un sort de grain furthermore plat prend in addition de temps en moyenne, et a donc une plus grande traînée, qu’un type de grain rond de même taille et densité.
Pour mesurer le frottement, l’équipe a versé des grains à travers un entonnoir et sur un plateau circulaire.
Pour chaque variety de sédiment, ils ont ensuite intégré la traînée et la friction de la forme correspondante dans la nouvelle formule, et ont découvert qu’elle pouvait en effet prédire le transport de la charge de fond, ou la quantité de sédiments en mouvement que les chercheurs ont mesurée dans leurs expériences.
L’équipe affirme que le nouveau modèle représente in addition précisément le flux de sédiments. À l’avenir, les scientifiques et les ingénieurs pourront utiliser le modèle pour mieux évaluer la réaction d’un lit de rivière à des scénarios tels qu’une inondation soudaine owing à des problems météorologiques extrêmes ou à la suppression d’un barrage.
et que vous vous trompez d’un facteur trois ou cinq, c’est plutôt mauvais”, déclare Perron. “Maintenant, nous pouvons faire beaucoup mieux.”
Cette recherche a été financée en partie par le Laboratoire de recherche de l’armée.
