內孤立波作用下海床動力響應實驗研究綜述

喬路正郭秀軍田壯才

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內孤立波作用下海床動力響應實驗研究綜述

喬路正1，郭秀軍1，2，田壯才1，

（1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島 266100；2.山東省海洋環境地質工程重點實驗室，山東青島 266100）

研究表明，內孤立波對海床的動力作用對海洋工程和海底底質作用造成重要影響。本文綜述了近年來內孤立波與海床交互作用的現場實驗和室內研究方面所取得成果，并探討當前實驗研究的一些值得關注的問題。

內孤立波；動力響應；現場實驗；室內試驗

當前研究表明，內孤立波對海床的動力作用不僅能夠引發沉積物的再懸浮、促進沙波、沉積物波的發育，還會促使海底滑坡的產生，對海洋工程和海底底質作用造成重要影響。越來越多的研究者聚焦在內孤立波導致的海床動力響應研究上。因此，本文根據近年來內孤立波與海床交互作用的實驗研究就行總結，并探討當前實驗研究的一些值得關注的問題。

1 實驗研究進展

1.1 原位實驗研究

原位試驗研究理論上是最令人信服的研究手段，原位實驗有直觀可靠、貼近實際的特點，但其缺點也相對明顯，原位實驗現場布置技術難度非常大，且成本很高，一直制約其發展進程。迄今為止較為典型的研究論述如下：

Bogucki等是世界上第一個在現場觀測到內孤立波作用下沉積物再懸浮現象的團隊，觀測點在加利福尼亞大陸架，觀測到內孤立波在沉積物海床上逆流和沉積物層分離的現象，推測內孤立波產生的逆壓梯度（ARG）導致了逆流現象，而內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孤立波與沉積物作用時，內孤立波在密度界面上的翻騰和攪動，改變了其波形。Klymak和Moum在同一區域觀測到一個內孤立波包作用在沉積物海床上，與單個內孤立波相比，動力響應作用更強，懸浮量更大。Ramp等也在南海北部陸坡觀測到了下凹型（a型）內孤立波在北部陸坡上的破碎，并轉換成上凹型（b型）內孤立波，且與陸坡沉積物作用引發了沉積物再懸浮。Moum等嘗試量化分析內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觀測到一個因內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，并詳細分析了這些沙丘獨特的形成機制。

1.2 室內實驗研究

室內模擬實驗與原位實驗相比具有針對性、可重復性較強的特點，而且內孤立波的某些機制在現場研究非常困難，室內試驗作為一種有效的研究手段，與現場觀測研究相結合，有利于針對而全面的研究內孤立波的作用過程和機制。

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

2 總結

當前內孤立波-海床沉積物交互作用的現場研究主要集中于利用聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）等設備采集內孤立波作用在沉積物時的壓力場、流速場、懸浮物濃度等數據，從而推斷內孤立波對沉積物的動力響應作用導致的沉積物再懸浮、能量損耗和轉換等方面。由于內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-沉積物動力響應原位觀測實驗研究一樣，在海床內部埋設水壓力、應力以及位移等采集探頭，從而得到波至海床響應中孔隙水壓力、垂向和豎向應力場的變化情況。這只能揭示了內孤立波對海床沉積物的動力響應結果，并不能反映出其作用過程特征和機制，需要結合其他研究手段進行分析。

室內試驗研究方面，關于作用時內孤立波的變化過程已經相當成熟，但對于海床的動力響應研究相對比較薄弱，大多數研究研究者聚焦在作用時內孤立波的形態改變及能量損失，對海床的研究僅限于表層沉積物的再懸浮上，實驗設計中大多采用剛性板或剛性板鋪設一層沉積物來模擬沉積物海床，實際上，內孤立波對海床的動力響應不僅僅是海床表層的剪切作用，還有對海床內的垂向荷載作用，因此當前水槽實驗方式可能會低估內孤立波的動力作用。

[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. 緩坡地形上內孤立波的破碎及能量分析[J]. 海洋科學, 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：環境地質工程。