本發(fā)明涉及一種海底床內(nèi)部沉積物泵送再懸浮量的原位長(zhǎng)期觀測(cè)裝置與方法，能夠在海底原位長(zhǎng)期觀測(cè)沉積物“泵送”現(xiàn)象，屬于海洋工程地質(zhì)與沉積動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

沉積物“泵送”作用是由于波致海床孔隙水壓力的累積所導(dǎo)致的海床滲流甚至液化所引發(fā)的一種沉積物上涌現(xiàn)象。已有研究表明，粉質(zhì)土海床會(huì)在波浪荷載循環(huán)作用之下發(fā)生孔壓累積，引起海床垂向滲流甚至液化。該過程中孔隙水的垂向滲流會(huì)攜帶海床內(nèi)部細(xì)顆粒沉積物以類似“泥火山”的形式“泵送”上輸?shù)胶４脖砻?，進(jìn)而進(jìn)入上覆水體成為再懸浮物質(zhì)。這種沉積物再懸浮的機(jī)制不同于目前被普遍接受的表層沉積物沖刷再懸浮的觀點(diǎn)，具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。同時(shí)，這種“泵送”作用所導(dǎo)致的海床內(nèi)部沉積物流失，很可能是造成海底塌陷凹坑等地質(zhì)災(zāi)害的控制因素，因此，研究該過程也具有重要的工程意義。

海床沉積物在水動(dòng)力作用下的侵蝕再懸浮一直是海洋工程地質(zhì)與沉積動(dòng)力學(xué)研究中的主要問題。嚴(yán)重的海底侵蝕會(huì)導(dǎo)致海底管纜的暴露、懸空甚至斷裂，引發(fā)溢油、井噴等工程事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。海底侵蝕的發(fā)生機(jī)制與防治措施也因此成為了海洋工程地質(zhì)學(xué)家與沉積學(xué)家共同面對(duì)的難題。

早期對(duì)于該科學(xué)問題的探索主要依賴于海底沉積物的取樣與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析。近年來，隨著科學(xué)與技術(shù)的同步發(fā)展，海底原位長(zhǎng)期觀測(cè)越來越發(fā)展為主流的研究手段。不同的科學(xué)問題決定了不同的觀測(cè)項(xiàng)目，也決定了搭載平臺(tái)的設(shè)計(jì)。目前最為廣泛應(yīng)用的是坐底式三腳架/四腳架觀測(cè)平臺(tái)，比如國家海洋局第一海洋研究所設(shè)計(jì)的“用于海底觀測(cè)的三腳架搭載平臺(tái)”(201610068081.8)；錨系觀測(cè)鏈，比如青島海洋地質(zhì)研究所設(shè)計(jì)的“海底觀測(cè)潛標(biāo)”(201230267035.3)；海床基觀測(cè)平臺(tái)，比如中國海洋大學(xué)設(shè)計(jì)的“海底觀測(cè)平臺(tái)”(03218037.3)、“深海海底觀測(cè)平臺(tái)”(200420007429.5)與國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心設(shè)計(jì)的“雙重回收保障多功能海底觀測(cè)平臺(tái)”(201420203694.4)等。以及一系列針對(duì)具體科學(xué)問題而設(shè)計(jì)的觀測(cè)裝置，比如浙江海洋學(xué)院設(shè)計(jì)的一種沉降式海底觀測(cè)裝置(201410002902.9)、國家海洋局第二海洋研究所設(shè)計(jì)的“一種海底地球物理觀測(cè)裝置”(201310365737.9)、中國海洋大學(xué)設(shè)計(jì)的深海原位近海底剖面觀測(cè)裝置(201010204376.6)與中國海洋大學(xué)設(shè)計(jì)的“一種海底地形地貌近距離探測(cè)裝置”(201320520662.2)等。目前，沉積物“泵送”作用已經(jīng)在潮間帶地區(qū)與室內(nèi)水槽模擬實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)與初步研究。更進(jìn)一步的海底原位探測(cè)與研究工作則非常依賴于研發(fā)一種新的裝置及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為一種針對(duì)上述具體科學(xué)問題而專門設(shè)計(jì)的海底床內(nèi)部沉積物泵送再懸浮量的原位長(zhǎng)期觀測(cè)裝置與方法，能夠在海底對(duì)海底床內(nèi)部垂向滲流導(dǎo)致的沉積物“泵送”上輸再懸浮量進(jìn)行原位長(zhǎng)期測(cè)量。

海底床內(nèi)部沉積物泵送再懸浮量的原位長(zhǎng)期觀測(cè)裝置，其特征在于包括一個(gè)不銹鋼半球形工作艙，該工作艙底部設(shè)有一圓環(huán)形的防沉降法蘭，防沉降法蘭上開設(shè)一圈孔洞；工作艙底部還安裝有一圓筒形防滑支筒，該防滑支筒外徑與所述防沉降法蘭的內(nèi)徑相等，且防滑支筒的外側(cè)面與防沉降法蘭的內(nèi)緣相連接，防滑支筒的頂部與工作艙內(nèi)側(cè)的凹面相連接；防滑支筒內(nèi)部預(yù)留搭載各種商業(yè)化儀器的若干卡槽及若干儀器的探頭卡槽，并通過可拆卸的保險(xiǎn)鋼絲網(wǎng)將商業(yè)化儀器封存于工作艙之中；防滑支筒的下緣為鋒利刀口；工作艙頂部通過4個(gè)倒置的U形管將外部與艙內(nèi)防滑支筒中的空間連通；U形管一端與工作艙相通，另一端中安裝沉積物過濾網(wǎng)；工作艙頂部正中央還設(shè)有起吊環(huán)。

所述裝置還包括浮球，在裝置布放后所述浮球通過纜繩系掛在所述起吊環(huán)上。

本發(fā)明裝置適用于波浪與海床相互作用劇烈的近岸海底工作環(huán)境。采集到的數(shù)據(jù)分析與科學(xué)問題解答，還依賴于與外部輔助系統(tǒng)坐底三腳架觀測(cè)平臺(tái)上搭載的同類儀器數(shù)據(jù)的對(duì)比與分析。

本發(fā)明中主要運(yùn)用了連通器原理：在海底時(shí)，由于工作艙通過U型管將艙外與艙內(nèi)空間相連通，所以理論上艙外與艙內(nèi)同一高程位置處的水壓力是相同的。這就保證了工作艙下覆海床所承受的波壓力與附近海床相同，進(jìn)而保證了艙下覆海床中的孔隙水壓力變化不受上覆裝置的影響。即海床內(nèi)部的波致孔隙水向上滲流仍然有可能將內(nèi)部沉積物“泵送”再懸浮，這一點(diǎn)通過艙內(nèi)外的波潮儀壓力數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行驗(yàn)證。

由于本發(fā)明所針對(duì)的科學(xué)問題十分前沿，目前僅見本研究團(tuán)隊(duì)于2016年獲得授權(quán)的相關(guān)專利“潮灘海床內(nèi)部垂向泵送輸運(yùn)的沉積物的捕獲裝置及方法”(201410389538.6)。該專利與本專利所針對(duì)的科學(xué)問題相同，然而前者為前期探索過程中設(shè)計(jì)的捕獲裝置，主要運(yùn)用的反濾層原理，將泵送沉積物捕獲在裝置之中。因此該裝置僅適用于周期性淹沒和暴露的潮間帶海床，因?yàn)闈q落潮水進(jìn)出捕獲器是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，試驗(yàn)證明其不足以將已捕獲的沉積物帶出捕獲器。然而，在長(zhǎng)期被海水淹沒的海底，目前無法解決回收時(shí)捕獲器中海水滲漏將已捕獲沉積物帶走流失的問題。因此，將研究思路從捕獲“泵送”沉積物發(fā)展到原位測(cè)量“泵送”沉積物量，基于巧妙的外形設(shè)計(jì)與儀器配合，將原位測(cè)量的“泵送”沉積物量數(shù)據(jù)自容存儲(chǔ)于裝置搭載的儀器之中。

本發(fā)明較之前專利具有使用范圍更廣，不再局限于潮間帶地區(qū)；此外，還可以實(shí)現(xiàn)原位長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)。該裝置如果與坐底式三腳架觀測(cè)平臺(tái)相互配合，則可以形成一套“海底床內(nèi)部垂向滲流導(dǎo)致沉積物泵送上輸再懸浮量的原位長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)”，可以更好的揭示更多的科學(xué)問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體圖。

圖2是本發(fā)明的主視圖。

圖3是本發(fā)明的俯視圖。

圖4是本發(fā)明的仰視圖。

圖5是本發(fā)明的剖視圖。

圖6是本發(fā)明的布放示意圖。

圖7是本發(fā)明的工作原理圖。

其中，1.工作艙，2.卡槽，3.導(dǎo)水通道，4.沉積物過濾網(wǎng)，5.防滑支筒，6.鋒利刀口，7.防沉降法蘭，8.法蘭孔洞，9.起吊環(huán)，10.商業(yè)化儀器，11.保險(xiǎn)鋼絲網(wǎng)，12.探頭卡槽。

具體實(shí)施方式

如圖1-5，海底床內(nèi)部沉積物泵送再懸浮量的原位長(zhǎng)期觀測(cè)裝置，其特征在于包括一個(gè)不銹鋼半球形工作艙1，該工作艙1底部設(shè)有一圓環(huán)形的防沉降法蘭7，防沉降法蘭7上開設(shè)一圈孔洞8；工作艙1底部還安裝有一圓筒形防滑支筒5，該防滑支筒5外徑與所述防沉降法蘭7的內(nèi)徑相等，且防滑支筒5的外側(cè)面與防沉降法蘭7的內(nèi)緣相連接，防滑支筒5的頂部與工作艙1內(nèi)側(cè)的凹面相連接；防滑支筒5內(nèi)部預(yù)留搭載各種商業(yè)化儀器10的若干卡槽2及若干儀器的探頭卡槽12，并通過可拆卸的保險(xiǎn)鋼絲網(wǎng)11將商業(yè)化儀器10封存于工作艙1之中；防滑支筒5的下緣為鋒利刀口6；工作艙1頂部通過4個(gè)倒置的U形管3將外部與艙內(nèi)防滑支筒5中的空間連通；U形管3一端與工作艙1相通，另一端中安裝沉積物過濾網(wǎng)4；工作艙1頂部正中央還設(shè)有起吊環(huán)9。

如圖6，所述裝置還包括浮球，在裝置布放后所述浮球通過纜繩系掛在所述起吊環(huán)9上。

所述的不銹鋼流線型工作艙1，流線型外形設(shè)計(jì)可以在海底有效地弱化應(yīng)力集中效應(yīng)，減弱裝置附近海床的侵蝕沖刷現(xiàn)象。

所述的艙內(nèi)若干卡槽2，可以配合搭載的各種商業(yè)化儀器的尺寸進(jìn)行自由收縮。

所述的倒置的U型管3設(shè)計(jì)，能夠有效的防止艙外懸浮泥沙進(jìn)入艙內(nèi)，影響艙內(nèi)懸沙測(cè)量精度。

所述的沉積物過濾網(wǎng)4，能夠進(jìn)一步阻止了艙外懸浮泥沙進(jìn)入艙內(nèi)、影響艙內(nèi)懸沙測(cè)量精度。

所述的防滑支筒5，能夠在插入海床后有效地保證裝置的水平向穩(wěn)定性。

所述的鋒利刀口6設(shè)計(jì)，能夠最大限度的保證該裝置的支筒插入海床。

所述的外部防沉降法蘭7，能夠有效地防止裝置沉降，從而保證裝置的垂向穩(wěn)定性。

所述的法蘭孔洞8，能夠減小海床對(duì)法蘭的吸附面積，從而減小裝置回收時(shí)的阻力。

所述的起吊環(huán)9，既能在裝置布放時(shí)作為起吊環(huán)，同時(shí)能夠作為裝置上覆浮球纜繩的固定端。

所述的浮球，能夠在裝置長(zhǎng)期原位觀測(cè)工作時(shí)漂浮于附近海面，以便在回收時(shí)快速有效地鎖定裝置在海底的位置。

所述的保險(xiǎn)鋼絲網(wǎng)11，能夠在艙內(nèi)儀器脫落時(shí)，將儀器封閉在工作艙中，防止儀器丟失。同時(shí)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)又不影響沉積物“泵送”輸運(yùn)過程。

本裝置的布放方法如下：

第一步：拆卸保險(xiǎn)鋼絲網(wǎng)11，將設(shè)置好采集參數(shù)的儀器固定到卡槽2之中，探頭固定到儀器探頭卡槽12之中；

第二步：重新安裝保險(xiǎn)鋼絲網(wǎng)11；

第三步：在裝置上方的導(dǎo)水通道中，安置沉積物過濾網(wǎng)4，并利用螺栓緊固；

第四步：將浮球系掛于起吊環(huán)9，并用船載吊車通過起吊環(huán)9起吊整個(gè)裝置，布放到海床表面；

第五步：借助潛水員協(xié)助，使防滑支筒5完全進(jìn)入海床，防沉降法蘭7緊貼海床表面；并使浮球漂浮于海面。

本裝置的回收及數(shù)據(jù)采集方法如下：

第一步：借助GPS定位信息將船開至海面浮球附近；

第二步：潛水員順浮球纜繩下潛鎖定裝置，將裝置通過鋼纜掛于船載吊車吊鉤上，起吊裝置；

第三步：將裝置吊至船甲板，依次拆卸保險(xiǎn)鋼絲網(wǎng)11與各個(gè)儀器，讀取儀器數(shù)據(jù)；

第四步：組裝裝置，裝箱保存。

如圖7，基本原理是通過屏蔽傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)上近底剪切應(yīng)力引起的沉積物水平?jīng)_刷再懸浮量，定量測(cè)量海床內(nèi)部滲流引起的沉積物垂向泵送再懸浮量，來實(shí)現(xiàn)科學(xué)問題與測(cè)量技術(shù)兩個(gè)方面的進(jìn)步與突破。

“泵送”再懸浮量可以通過內(nèi)置濁度計(jì)進(jìn)行長(zhǎng)期的自動(dòng)測(cè)量與自容存儲(chǔ)。與此同時(shí)，工作艙1的水平向封閉設(shè)計(jì)有效地屏蔽了海流的沖刷切應(yīng)力與波浪的軌道切應(yīng)力，從而在工作艙1的封閉空間內(nèi)屏蔽了表層沖刷再懸浮量。

此外，工作艙1上部設(shè)計(jì)的U形管3也有效的阻止了艙外懸浮沉積物進(jìn)入艙內(nèi)引入誤差。一方面U形管3的倒置設(shè)計(jì)于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度30cm，有效地限制了進(jìn)入管口的沉積物的繼續(xù)上升；另一方面，U形管3中的沉積物過濾網(wǎng)4進(jìn)一步保證了外部沉積物的進(jìn)入。

工作艙1下部一體連接的防滑支筒5下端具有鋒利刀口6設(shè)計(jì)，有效地保證了防滑支筒5插入海床內(nèi)部，進(jìn)而保持裝置的水平穩(wěn)定性。支筒直徑100cm、高度15cm，上下均開口，且下部開口為鋒利刀口設(shè)計(jì)，便于支筒坐底后插入土體。外部防沉降法蘭外徑140cm，內(nèi)徑100cm，焊接于工作倉與支筒分界處；法蘭上設(shè)置12個(gè)直徑為10cm孔洞。

外部防沉降法蘭7設(shè)計(jì)可以有效地控制裝置的垂向位移，起到防止裝置下沉的目的。工作艙的流線型外形設(shè)計(jì)，可以有效的減弱裝置在海底對(duì)海流的阻擋作用，從而有效地減弱裝置附近的海床沖刷侵蝕，整個(gè)裝置的比例設(shè)計(jì)與防位移設(shè)計(jì)也保證了裝置可以平穩(wěn)有效地在海底原位長(zhǎng)期工作。

此外，法蘭上預(yù)設(shè)的一排孔洞8則可以減弱法蘭與海床土的吸附面積，減小回收阻力。整個(gè)裝置的頂部預(yù)留的起吊環(huán)9，同時(shí)作為浮球的纜繩固定端。裝置在海底進(jìn)行原位長(zhǎng)期觀測(cè)期間，浮球始終漂浮于附近水面，回收時(shí)可快速有效地沿浮球纜繩定位裝置在海底的位置。

本發(fā)明基于前沿科學(xué)問題，原理簡(jiǎn)單可行，加工成本低廉。如與同樣搭載有波潮儀、濁度計(jì)、海流計(jì)等商業(yè)化儀器的常規(guī)坐底式三腳架觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)與數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以更好地實(shí)現(xiàn)一系列相關(guān)科學(xué)問題的探索。