內(nèi)孤立波作用下海床動力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究綜述

喬路正郭秀軍田壯才

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內(nèi)孤立波作用下海床動力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究綜述

喬路正1，郭秀軍1，2，田壯才1，

（1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266100；2.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266100）

研究表明，內(nèi)孤立波對海床的動力作用對海洋工程和海底底質(zhì)作用造成重要影響。本文綜述了近年來內(nèi)孤立波與海床交互作用的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)研究方面所取得成果，并探討當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究的一些值得關(guān)注的問題。

內(nèi)孤立波；動力響應(yīng)；現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)；室內(nèi)試驗(yàn)

當(dāng)前研究表明，內(nèi)孤立波對海床的動力作用不僅能夠引發(fā)沉積物的再懸浮、促進(jìn)沙波、沉積物波的發(fā)育，還會促使海底滑坡的產(chǎn)生，對海洋工程和海底底質(zhì)作用造成重要影響。越來越多的研究者聚焦在內(nèi)孤立波導(dǎo)致的海床動力響應(yīng)研究上。因此，本文根據(jù)近年來內(nèi)孤立波與海床交互作用的實(shí)驗(yàn)研究就行總結(jié)，并探討當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究的一些值得關(guān)注的問題。

1 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

1.1 原位實(shí)驗(yàn)研究

原位試驗(yàn)研究理論上是最令人信服的研究手段，原位實(shí)驗(yàn)有直觀可靠、貼近實(shí)際的特點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也相對明顯，原位實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場布置技術(shù)難度非常大，且成本很高，一直制約其發(fā)展進(jìn)程。迄今為止較為典型的研究論述如下：

Bogucki等是世界上第一個(gè)在現(xiàn)場觀測到內(nèi)孤立波作用下沉積物再懸浮現(xiàn)象的團(tuán)隊(duì)，觀測點(diǎn)在加利福尼亞大陸架，觀測到內(nèi)孤立波在沉積物海床上逆流和沉積物層分離的現(xiàn)象，推測內(nèi)孤立波產(chǎn)生的逆壓梯度（ARG）導(dǎo)致了逆流現(xiàn)象，而內(nèi)孤立波對沉積物的作用就像是“底泵”，抽取并攪混海底沉積物。Moum等在俄勒岡州大陸架觀測到內(nèi)孤立波與沉積物作用時(shí)，內(nèi)孤立波在密度界面上的翻騰和攪動，改變了其波形。Klymak和Moum在同一區(qū)域觀測到一個(gè)內(nèi)孤立波包作用在沉積物海床上，與單個(gè)內(nèi)孤立波相比，動力響應(yīng)作用更強(qiáng)，懸浮量更大。Ramp等也在南海北部陸坡觀測到了下凹型（a型）內(nèi)孤立波在北部陸坡上的破碎，并轉(zhuǎn)換成上凹型（b型）內(nèi)孤立波，且與陸坡沉積物作用引發(fā)了沉積物再懸浮。Moum等嘗試量化分析內(nèi)孤立波與海床作用的能量交換，他們利用速度和邊界摩擦法測量沉積物內(nèi)的耗散損失。但未能觀測到海床表層沉積物中的能量耗散。Benjamin等[1]在南海北部陸坡上陸坡水深160~600 m觀測到一個(gè)因內(nèi)孤立波與海底沉積物交互作用，使沉積物再懸浮并重新分配而形成的沙丘，并詳細(xì)分析了這些沙丘獨(dú)特的形成機(jī)制。

1.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)與原位實(shí)驗(yàn)相比具有針對性、可重復(fù)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，而且內(nèi)孤立波的某些機(jī)制在現(xiàn)場研究非常困難，室內(nèi)試驗(yàn)作為一種有效的研究手段，與現(xiàn)場觀測研究相結(jié)合，有利于針對而全面的研究內(nèi)孤立波的作用過程和機(jī)制。

早期內(nèi)孤立波與海底底質(zhì)作用的室內(nèi)試驗(yàn)，特別是與斜坡沉積物地形的作用研究中，多集中在內(nèi)孤立波自身的破碎轉(zhuǎn)換上。Kao等通過內(nèi)孤立波在斜坡上破碎的研究，發(fā)現(xiàn)足夠大的內(nèi)孤立波能夠在均勻坡度的緩坡地形上發(fā)生破碎，破碎引發(fā)的剪切作用會產(chǎn)生紊流混合，導(dǎo)致海床沉積物的不穩(wěn)定發(fā)生。Helfrich通過實(shí)驗(yàn)研究了非線性內(nèi)孤立波與尖頂斜坡地形時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，觀測到剪切流和破碎翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。隨后，Helfrich通過實(shí)驗(yàn)觀測雙層流體下凹型內(nèi)孤立波傳播至斜坡地形的變化情況，認(rèn)為內(nèi)孤立波在斜坡地形上的作用會產(chǎn)生破碎與湍斑，并得到了其發(fā)生位置。McPhee通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)對于海底霧狀層進(jìn)行研究，通過和現(xiàn)場觀測結(jié)果對比表明，內(nèi)孤立波在斜坡上的破碎作用可能是海洋霧狀層的成因之一。Chen等通過室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)，研究了上凸型和下凹型兩種內(nèi)孤立波傳播至緩坡地形時(shí)發(fā)生的反射現(xiàn)象。此外，Chen等還系統(tǒng)研究了內(nèi)孤立波作用斜坡上后，分層水的變化情況以及坡度對內(nèi)孤立波作用的影響。Boegman 和Ivey研究了內(nèi)孤立波對一個(gè)陡峭的斜坡海床的動力作用，觀測到因迅速變化的斜率產(chǎn)生的逆壓梯度導(dǎo)致了波型變陡，產(chǎn)生的分流和底部渦旋使海床沉積物懸浮的現(xiàn)象。杜輝[2]等對內(nèi)孤立在緩坡地形上的傳播進(jìn)行了定性分析和定量測量，得出內(nèi)孤立波振幅與下層真實(shí)水深比值大于0.4時(shí)發(fā)生完全破碎的判據(jù)。Aghsaee和Boegman[3]設(shè)計(jì)了一個(gè)考慮內(nèi)孤立波振幅、海床土類型、上下層密度等變量的水槽實(shí)驗(yàn)，研究了內(nèi)孤立波導(dǎo)致沉積物再懸浮的起動公式。

2 總結(jié)

當(dāng)前內(nèi)孤立波-海床沉積物交互作用的現(xiàn)場研究主要集中于利用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）等設(shè)備采集內(nèi)孤立波作用在沉積物時(shí)的壓力場、流速場、懸浮物濃度等數(shù)據(jù)，從而推斷內(nèi)孤立波對沉積物的動力響應(yīng)作用導(dǎo)致的沉積物再懸浮、能量損耗和轉(zhuǎn)換等方面。由于內(nèi)孤立波與海床作用在海底深部，通常水深在幾十米甚至幾百米以上，尚未有能力像表面波-沉積物動力響應(yīng)原位觀測實(shí)驗(yàn)研究一樣，在海床內(nèi)部埋設(shè)水壓力、應(yīng)力以及位移等采集探頭，從而得到波至海床響應(yīng)中孔隙水壓力、垂向和豎向應(yīng)力場的變化情況。這只能揭示了內(nèi)孤立波對海床沉積物的動力響應(yīng)結(jié)果，并不能反映出其作用過程特征和機(jī)制，需要結(jié)合其他研究手段進(jìn)行分析。

室內(nèi)試驗(yàn)研究方面，關(guān)于作用時(shí)內(nèi)孤立波的變化過程已經(jīng)相當(dāng)成熟，但對于海床的動力響應(yīng)研究相對比較薄弱，大多數(shù)研究研究者聚焦在作用時(shí)內(nèi)孤立波的形態(tài)改變及能量損失，對海床的研究僅限于表層沉積物的再懸浮上，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中大多采用剛性板或剛性板鋪設(shè)一層沉積物來模擬沉積物海床，實(shí)際上，內(nèi)孤立波對海床的動力響應(yīng)不僅僅是海床表層的剪切作用，還有對海床內(nèi)的垂向荷載作用，因此當(dāng)前水槽實(shí)驗(yàn)方式可能會低估內(nèi)孤立波的動力作用。

[1]Reeder D B, Ma B B, Yang Y J. Very large subaqueous sand dunes on the upper continental slope in the South China Sea generated by episodic, shoaling deep-water internal solitary waves[J]. Marine Geology, 2011, 279(1): 12-18.

[2]杜輝, 魏崗, 曾文華, 等. 緩坡地形上內(nèi)孤立波的破碎及能量分析[J]. 海洋科學(xué), 2014, 10: 98-104.

[3]Aghsaee P, Boegman L. Experimental investigation of sediment resuspension beneath internal solitary waves of depression[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2015.

Summary of internal solitary wave-induced seabed dynamic response experiment research

QIAO Lu-zheng, GUO Xiu-jun, TIAN Zhuang-cai

(1 College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China 2 Key Laboratory of Marine Environment & Ecology Ministry of Education of Ocean University of China, Qingdao, 266100, China)

Recent studies show that internal solitary wave-induced seabed dynamic response can cause significant impact marine engineering and submarine geological action. This paper reviews the recent internal solitary waves and seabed interaction field experiments and laboratory research results achieved, and to explore some of the issues of concern of the current experimental study.

Internal solitary wave; Dynamic response; Field experiments; Laboratory experiment

（責(zé)任編輯：施 芮）

G353.11

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.06.044

1672–7304(2016)06–0099–02

喬路正（1990-），男，山東菏澤人，研究方向：環(huán)境地質(zhì)工程。