内孤立波作用下海床动力响应实验研究综述

乔路正郭秀军田壮才



内孤立波作用下海床动力响应实验研究综述

乔路正1，郭秀军1，2，田壮才1，

（1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100；2.山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东青岛 266100）

研究表明，内孤立波对海床的动力作用对海洋工程和海底底质作用造成重要影响。本文综述了近年来内孤立波与海床交互作用的现场实验和室内研究方面所取得成果，并探讨当前实验研究的一些值得关注的问题。

内孤立波；动力响应；现场实验；室内试验

当前研究表明，内孤立波对海床的动力作用不仅能够引发沉积物的再悬浮、促进沙波、沉积物波的发育，还会促使海底滑坡的产生，对海洋工程和海底底质作用造成重要影响。越来越多的研究者聚焦在内孤立波导致的海床动力响应研究上。因此，本文根据近年来内孤立波与海床交互作用的实验研究就行总结，并探讨当前实验研究的一些值得关注的问题。

1 实验研究进展

1.1 原位实验研究

原位试验研究理论上是最令人信服的研究手段，原位实验有直观可靠、贴近实际的特点，但其缺点也相对明显，原位实验现场布置技术难度非常大，且成本很高，一直制约其发展进程。迄今为止较为典型的研究论述如下：

Bogucki等是世界上第一个在现场观测到内孤立波作用下沉积物再悬浮现象的团队，观测点在加利福尼亚大陆架，观测到内孤立波在沉积物海床上逆流和沉积物层分离的现象，推测内孤立波产生的逆压梯度（ARG）导致了逆流现象，而内孤立波对沉积物的作用就像是“底泵”，抽取并搅混海底沉积物。Moum等在俄勒冈州大陆架观测到内孤立波与沉积物作用时，内孤立波在密度界面上的翻腾和搅动，改变了其波形。Klymak和Moum在同一区域观测到一个内孤立波包作用在沉积物海床上，与单个内孤立波相比，动力响应作用更强，悬浮量更大。Ramp等也在南海北部陆坡观测到了下凹型（a型）内孤立波在北部陆坡上的破碎，并转换成上凹型（b型）内孤立波，且与陆坡沉积物作用引发了沉积物再悬浮。Moum等尝试量化分析内孤立波与海床作用的能量交换，他们利用速度和边界摩擦法测量沉积物内的耗散损失。但未能观测到海床表层沉积物中的能量耗散。Benjamin等[1]在南海北部陆坡上陆坡水深160~600 m观测到一个因内孤立波与海底沉积物交互作用，使沉积物再悬浮并重新分配而形成的沙丘，并详细分析了这些沙丘独特的形成机制。

1.2 室内实验研究

室内模拟实验与原位实验相比具有针对性、可重复性较强的特点，而且内孤立波的某些机制在现场研究非常困难，室内试验作为一种有效的研究手段，与现场观测研究相结合，有利于针对而全面的研究内孤立波的作用过程和机制。

早期内孤立波与海底底质作用的室内试验，特别是与斜坡沉积物地形的作用研究中，多集中在内孤立波自身的破碎转换上。Kao等通过内孤立波在斜坡上破碎的研究，发现足够大的内孤立波能够在均匀坡度的缓坡地形上发生破碎，破碎引发的剪切作用会产生紊流混合，导致海床沉积物的不稳定发生。Helfrich通过实验研究了非线性内孤立波与尖顶斜坡地形时的不稳定现象，观测到剪切流和破碎翻转现象。随后，Helfrich通过实验观测双层流体下凹型内孤立波传播至斜坡地形的变化情况，认为内孤立波在斜坡地形上的作用会产生破碎与湍斑，并得到了其发生位置。McPhee通过室内模拟实验对于海底雾状层进行研究，通过和现场观测结果对比表明，内孤立波在斜坡上的破碎作用可能是海洋雾状层的成因之一。Chen等通过室内水槽实验，研究了上凸型和下凹型两种内孤立波传播至缓坡地形时发生的反射现象。此外，Chen等还系统研究了内孤立波作用斜坡上后，分层水的变化情况以及坡度对内孤立波作用的影响。Boegman 和Ivey研究了内孤立波对一个陡峭的斜坡海床的动力作用，观测到因迅速变化的斜率产生的逆压梯度导致了波型变陡，产生的分流和底部涡旋使海床沉积物悬浮的现象。杜辉[2]等对内孤立在缓坡地形上的传播进行了定性分析和定量测量，得出内孤立波振幅与下层真实水深比值大于0.4时发生完全破碎的判据。Aghsaee和Boegman[3]设计了一个考虑内孤立波振幅、海床土类型、上下层密度等变量的水槽实验，研究了内孤立波导致沉积物再悬浮的起动公式。

2 总结

当前内孤立波-海床沉积物交互作用的现场研究主要集中于利用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）等设备采集内孤立波作用在沉积物时的压力场、流速场、悬浮物浓度等数据，从而推断内孤立波对沉积物的动力响应作用导致的沉积物再悬浮、能量损耗和转换等方面。由于内孤立波与海床作用在海底深部，通常水深在几十米甚至几百米以上，尚未有能力像表面波-沉积物动力响应原位观测实验研究一样，在海床内部埋设水压力、应力以及位移等采集探头，从而得到波至海床响应中孔隙水压力、垂向和竖向应力场的变化情况。这只能揭示了内孤立波对海床沉积物的动力响应结果，并不能反映出其作用过程特征和机制，需要结合其他研究手段进行分析。

室内试验研究方面，关于作用时内孤立波的变化过程已经相当成熟，但对于海床的动力响应研究相对比较薄弱，大多数研究研究者聚焦在作用时内孤立波的形态改变及能量损失，对海床的研究仅限于表层沉积物的再悬浮上，实验设计中大多采用刚性板或刚性板铺设一层沉积物来模拟沉积物海床，实际上，内孤立波对海床的动力响应不仅仅是海床表层的剪切作用，还有对海床内的垂向荷载作用，因此当前水槽实验方式可能会低估内孤立波的动力作用。

[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]杜辉, 魏岗, 曾文华, 等. 缓坡地形上内孤立波的破碎及能量分析[J]. 海洋科学, 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

（责任编辑：施 芮）

G353.11

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.06.044

1672–7304(2016)06–0099–02

乔路正（1990-），男，山东菏泽人，研究方向：环境地质工程。