CN109253968B - 一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置及其方法。通过在小型环形水槽中预留柱状样置放槽，搭配浊度（OBS）、三维流速（ADV）与声波测距（Altimeter）等商业化传感器，实现沉积物柱状样抗侵蚀性的有效测量；进一步通过在置放槽底部设计升降托盘与控制转阀，以自由调节柱状样高程，从而实现柱状样抗侵蚀性的分层测量。目前业界主要利用粘结力仪（CSM）测量柱状样沉积物的抗侵蚀性，但由于其基于喷发气体来模拟底切应力，不可避免的具有一定“射流”效应，测试结果具有争议，且测试成本较高。本发明将打破这一技术局限，为原位沉积物柱状样抗侵蚀性的分层测量提供一种更为真实、有效、快捷、经济的测量装置与数据分析方法。

Description

一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种原位沉积物柱状样抗侵蚀性分层测量装置及其方法，属于海洋工程地质领域，并将直接应用服务于近岸沉积物动力过程科研与工程领域。

背景技术

海底沉积物的抗侵蚀性是预测海床侵蚀淤积演变、沉积物动力循环的重要指标，主要通过临界侵蚀切应力(τ_cr)与侵蚀速率(E_r)两个指标来进行表征。无黏性砂质沉积物的抗侵蚀性研究已比较成熟，而黏性沉积物的抗侵蚀性由于受到黏聚力、固结状态以及生物等因素的综合影响，更加复杂。目前尚未形成普适性高的黏性沉积物抗侵蚀性预测模型，更多地依赖实际测量。

目前，海底黏性沉积物抗侵蚀性的测试主要依赖三种技术手段：(1)原位环形水槽实地测量；(2)原位采集柱状样，在船甲板或带回实验室测量；(3)现场采集沉积物样品，带回实验室，重塑后开展实验测量。显然，第3种方式破坏了沉积物样品的原始结构，难以获得与现场实际情况一致的定量结果，因而常被用来开展物理模拟试验，进行定性研究；目前国内外已有的环形水槽，绝大多数服务于第3种测量方式。例如：中国海洋大学曾设计“模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置”(201710061388.X)。

与之对比，第1种方式能够最大限度地保证测试对象的原始状态，然而，“水下原位环形水槽”已经形成商业化产品，且价格高达200万/台，测量成本昂贵，难以开展大批量的实测工作，此外其工作水深也受到限制。

综合对比而言，第2种方式是性价比最高的测试手段，既可保证测试对象的原始状态，测量成本也较低。然而，目前搭载科考船取回的沉积物柱状样更多地被用来开展元素测年、颗粒组分、物理力学性质与生物化学指标分析，很少被用于侵蚀性测量。少数团队曾开展抗侵蚀性测试，但技术手段主要依靠粘结力仪(CSM)。CSM基于气体喷发原理模拟近底切应力，具有一定的“射流”效应，因而测试结果有一定争议，且测试成本也较高。环形水槽是基于流体速度模拟近底切应力的重要工具，可以避免CSM的“射流”效应。但目前的环形水槽更多地用于水流性质的模拟，如：同济大学曾设计“一种可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置”(201310120205.9)和“一种消除环形水槽横向环流的调试方法”(201510093276.3)等。近年来也出现了一些研究水流与沉积物相互作用的环形水槽装置，如：上海大学曾设计“一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置”(201410057326.8)，中国海洋大学曾设计“模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置”(201710061388.X)。然而，目前尚未见到利用环形水槽原理直接测试原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性的发明出现，更缺乏可以实现甲板快速测试的小型便携式环形水槽装置。众所周知，从海底原位采集的柱状样，在船甲板及时开展测试，要比带回实验室测试的结果更加可靠，因其可以最小化运输过程中对原状样品的扰动，以及由于温压条件改变所导致的土性变化；而准确测试原位柱状样的分层抗侵蚀性，是海岸科学家与工程师判别海床侵蚀发生与持续时间的重要指标，本发明则旨在为海岸蚀积演变预测提供可靠的侵蚀评价参数。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种原位沉积物柱状样抗侵蚀性分层测量装置及其方法。

一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，包括一个小型环形水槽与造流装置，其特征在于环形水槽中，设置多个柱状样沉积物的置放槽，且每个置放槽上端均设有封盖，试验时不被采用的置放槽可被密封；环形水槽中固定有浊度传感器、三维流速传感器，置放槽上方设置有回声测距传感器，以同步测量水体悬沙浓度、水流流速(切应力)与柱状样侵蚀深度，其中固定于柱状样品正上方的回声测距(Altimeter)传感器，可实时记录侵蚀深度的变化。轻便的小型水槽设计避免了大型环形水槽与沉积物柱状样品尺寸比例悬殊而引起的测试误差。

所述环形水槽可以是外径小于2m的小型环形水槽，即本设计可以兼容小型环形水槽，整体上可以实现小型化，以满足随船搭载的需要。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的置放槽底部设有可拆卸式的下端盖，柱状样品可从下方放入；放入置放槽底部后将下端盖拧紧密封，从而防止实验过程中漏水；所述下端盖底部设有一个带连接杆的升降阀，连接杆自底部伸入到下端盖内部，连接杆上端设有柱状样沉积物的升降托盘，从而使升降托盘受高程升降阀控制，可以自由调节样品高程，以实现样品抗侵蚀性的分层测量。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于环形水槽中内置多个柱状样沉积物的置放槽。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于置放槽内径设计为60、100、150、200mm，可以满足常规柱状样尺寸的测试需求。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的造流装置的造流方式采用水面十字交叉四拨片均匀造流法，可以最大限度地减小“二次流”的影响；具有“单向流”与“往复流”两种造流模式；且流速可调，以在柱状样表面施加不同大小的近底切应力。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量与数据处理方法，包括基于水体悬沙浓度与柱状样侵蚀深度的两种侵蚀速率计算方法，相互补充、互为验证。

利用上述装置进行基于侵蚀深度的原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量，其特征在于包括以下步骤：

第一步：根据柱状样沉积物的直径选择相应的置放槽，将该置放槽底部的下端盖拆卸，将取自海底的柱状样沉积物放至升降托盘，然后拧紧下端盖，使柱状样沉积物盛放于置放槽中并防止实验过程中漏水，转动升降调节阀，直至柱状样表面与水槽的底面平齐；用封盖将其他不用的置放槽封闭；在选取的置放槽正上方固定回声测距传感器；将回声测距传感器以及位于水槽中的三维流速传感器设置采样模式；

第二步：向水槽中加水至预定的实验液位线；

第三步：开始选择第一级流速进行造流冲刷柱状样，实时查看侵蚀深度数据曲线，通过回声测距传感器测得当侵蚀深度骤然增大时，所对应的底部切应力即为该层位样品的临界侵蚀切应力(τ_cr)；若侵蚀未发生，即该级流速不足以侵蚀该层柱状样，则证明该层沉积物的临界侵蚀切应力大于第一级流速产生的切应力，则选择高一级的流速继续监测，直至侵蚀发生，再进行第四步；

第四步：侵蚀停止后，通过高程升降阀调整一次沉积物柱状样高程，使其表面重新与水槽的底面平齐；结合柱状样沉积物上方声波测距仪的测量数据，可通过公式(1)计算同样得到每一层沉积物的侵蚀速率；

对于每一级流速，基于单位时间内(Δt)侵蚀深度的变化量(Δh)与土体密度(ρ)的乘积，计算得到侵蚀速率E_r(kg·m^-2·s^-1)：

第五步：当该柱状样沉积物被侵蚀完毕，结束测量。

利用上述装置进行基于悬沙浓度的原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量，其特征在于包括以下步骤：

第一步：根据柱状样沉积物的直径选择相应的置放槽，将该置放槽底部的下端盖拆卸，将取自海底的柱状样沉积物放至升降托盘，然后拧紧下端盖，使柱状样沉积物盛放于置放槽中并防止实验过程中漏水，转动升降调节阀，直至柱状样表面与水槽的底面平齐；用封盖将其他不用的置放槽封闭；将位于水槽中的浊度传感器、三维流速传感器设置采样模式；

第二步：向水槽中加水至预设的实验液位线；

第三步：开始选择第一级流速进行造流冲刷柱状样，实时查看侵蚀深度数据曲线，通过浊度传感器测得当悬沙浓度骤然增大时，所对应的底部切应力即为该样品的临界侵蚀切应力(τ_cr)；若侵蚀未发生，即该级流速不足以侵蚀该层柱状样，则证明该层沉积物的临界侵蚀切应力大于第一级流速产生的切应力，则选择高一级的流速继续监测，直至侵蚀发生，再进行第四步；

第四步：侵蚀停止后，通过高程升降阀调整一次沉积物柱状样高程，使其重新与水槽的底面平齐；结合浊度传感器测量的悬沙浓度数据，可通过公式(2)计算得到每一层沉积物的侵蚀速率；

对于每一级流速，基于单位时间内(Δt)水体悬沙浓度的变化量(Δc)与水深(H)的乘积，计算得到侵蚀速率E_r(kg·m^-2·s^-1)：

第五步：当该柱状样沉积物被侵蚀完毕，结束测量。

发明人长期从事“海洋沉积动力过程”与“近岸沉积物输运”研究工作，深知测试海床沉积物的抗侵蚀性，尤其是分层抗侵蚀性，即抗侵蚀性沿深度的剖面分布，具有重要的科学与工程意义。本发明志在革新基于粘结力仪(CSM)的传统测量思路，希望可以为海底沉积物柱状样抗侵蚀性的测定，提供一种有效、快速、经济的测量工具与配套数据分析方法。

本发明设计的环形水槽，重点服务于海底柱状样抗侵蚀性的分层测量，与前人专利在外形设计、服务领域、工作原理、数据分析方法等方面均有明显区别与进步。更为重要地，本发明打破了以往依赖粘结力仪(CSM)测量柱状样抗侵蚀性的技术局限，小体积、轻便的设计使得本装置方便携带出海，首创地实现了对于海底柱状样抗侵蚀性的分层测量，进而为原位沉积物柱状样抗侵蚀性的测量提供了一种更为有效、快捷、经济的测量装置及配套数据分析方法。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的正视图。

图3是本发明的A-A剖视图。

图4是本发明的俯视图。

图5是本发明的仰视图。

其中，1、环形水槽，2、柱状样置放槽，3、浊度传感器，4、三维流速传感器，5、回声测距传感器，6、可拆卸底盖，7、升降托盘，8、升降转阀，9、十字交叉旋转造流杆，10、造流拨片，11、支撑底座，12、置放槽封盖，13、造流装置。

具体实施方式

如图1-5所示，一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，包括一个外径小于2m的小型环形水槽1与造流装置13，其特征在于环形水槽1中，设置多个柱状样沉积物的置放槽2，且每个置放槽2上端均设有封盖12，试验时不被采用的置放槽2可被密封；环形水槽1中固定有浊度传感器3、三维流速传感器4，置放槽2上方设置有回声测距传感器5，以同步测量水体悬沙浓度、水流流速(切应力)与柱状样侵蚀深度，其中固定于柱状样品正上方的回声测距(Altimeter)传感器，可实时记录侵蚀深度的变化。轻便的小型水槽设计避免了大型环形水槽与沉积物柱状样品尺寸比例悬殊而引起的测试误差。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的置放槽2底部设有可拆卸式的下端盖6，柱状样品可从下方放入；放入置放槽底部后将下端盖6拧紧密封，从而防止实验过程中漏水；所述下端盖6底部设有一个带连接杆的升降阀8，连接杆自底部伸入到下端盖6内部，连接杆上端设有柱状样沉积物的升降托盘7，从而使升降托盘7受高程升降阀8控制，可以自由调节样品高程，以实现样品抗侵蚀性的分层测量。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于环形水槽1中内置多个柱状样沉积物的置放槽2。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于置放槽2内径设计为60、100、150、200mm，可以满足常规柱状样尺寸的测试需求。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的造流装置13的造流方式采用水面十字交叉四拨片均匀造流法，可以最大限度地减小“二次流”的影响；具有“单向流”与“往复流”两种造流模式；且流速可调，以在柱状样表面施加不同大小的近底切应力。

所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量与数据处理方法，包括基于水体悬沙浓度与柱状样侵蚀深度的两种侵蚀速率计算方法，相互补充、互为验证。

利用上述装置进行基于侵蚀深度的原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量，其特征在于包括以下步骤：

第一步：根据柱状样沉积物的直径选择相应的置放槽2，将该置放槽2底部的下端盖6拆卸，将取自海底的柱状样沉积物放至升降托盘7，然后拧紧下端盖6，使柱状样沉积物盛放于置放槽2中并防止实验过程中漏水，转动升降调节阀8，直至柱状样表面与水槽1的底面平齐；用封盖12将其他不用的置放槽2封闭；在选取的置放槽2正上方固定回声测距传感器5；将回声测距传感器5以及位于水槽1中的三维流速传感器4设置采样模式；

第二步：向水槽中加水至预定的实验液位线；

第三步：开始选择第一级流速进行造流冲刷柱状样，实时查看侵蚀深度数据曲线，通过回声测距传感器5测得当侵蚀深度骤然增大时，所对应的底部切应力即为该层位样品的临界侵蚀切应力(τ_cr)；若侵蚀未发生，即该级流速不足以侵蚀该层柱状样，则证明该层沉积物的临界侵蚀切应力大于第一级流速产生的切应力，则选择高一级的流速继续监测，直至侵蚀发生，再进行第四步；

第四步：侵蚀停止后，通过高程升降阀8调整一次沉积物柱状样高程，使其表面重新与水槽1的底面平齐；结合柱状样沉积物上方声波测距仪5的测量数据，可通过公式(1)计算同样得到每一层沉积物的侵蚀速率；

对于每一级流速，基于单位时间内(Δt)侵蚀深度的变化量(Δh)与土体密度(ρ)的乘积，计算得到侵蚀速率E_r(kg·m^-2·s^-1)：

第五步：当该柱状样沉积物被侵蚀完毕，结束测量。

利用上述装置进行基于悬沙浓度的原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量，其特征在于包括以下步骤：

第一步：根据柱状样沉积物的直径选择相应的置放槽2，将该置放槽2底部的下端盖6拆卸，将取自海底的柱状样沉积物放至升降托盘7，然后拧紧下端盖6，使柱状样沉积物盛放于置放槽2中并防止实验过程中漏水，转动升降调节阀8，直至柱状样表面与水槽1的底面平齐；用封盖12将其他不用的置放槽2封闭；将位于水槽1中的浊度传感器3、三维流速传感器4设置采样模式；

第二步：向水槽中加水至预设的实验液位线；

第三步：开始选择第一级流速进行造流冲刷柱状样，实时查看侵蚀深度数据曲线，通过浊度传感器3测得当悬沙浓度骤然增大时，所对应的底部切应力即为该样品的临界侵蚀切应力(τ_cr)；若侵蚀未发生，即该级流速不足以侵蚀该层柱状样，则证明该层沉积物的临界侵蚀切应力大于第一级流速产生的切应力，则选择高一级的流速继续监测，直至侵蚀发生，再进行第四步；

第四步：侵蚀停止后，通过高程升降阀8调整一次沉积物柱状样高程，使其重新与水槽1的底面平齐；结合浊度传感器3测量的悬沙浓度数据，可通过公式(2)计算得到每一层沉积物的侵蚀速率；

对于每一级流速，基于单位时间内(Δt)水体悬沙浓度的变化量(Δc)与水深(H)的乘积，计算得到侵蚀速率E_r(kg·m^-2·s^-1)：

第五步：当该柱状样沉积物被侵蚀完毕，结束测量。

Claims (8)

1.一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，包括一个小型环形水槽(1)与造流装置(13)，其特征在于环形水槽(1)中，设置多个柱状样沉积物的置放槽(2)，且每个置放槽(2)上端均设有封盖(12)，试验时不被采用的置放槽(2)可被密封；环形水槽(1)中固定有浊度传感器(3)、三维流速传感器(4)，置放槽(2)上方设置有回声测距传感器(5)，以同步测量水体悬沙浓度、水流流速与柱状样侵蚀深度，其中固定于柱状样品正上方的回声测距传感器，可实时记录侵蚀深度的变化；轻便的小型水槽设计避免了大型环形水槽与沉积物柱状样品尺寸比例悬殊而引起的测试误差。

2.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的置放槽(2)底部设有可拆卸式的下端盖(6)，柱状样品可从下方放入；放入置放槽底部后将下端盖(6)拧紧密封，从而防止实验过程中漏水；所述下端盖(6)底部设有一个带连接杆的升降阀(8)，连接杆自底部伸入到下端盖(6)内部，连接杆上端设有柱状样沉积物的升降托盘(7)，从而使升降托盘(7)受高程升降阀(8)控制，可以自由调节样品高程，以实现样品抗侵蚀性的分层测量。

3.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述环形水槽(1)中内置多个柱状样沉积物的置放槽(2)。

4.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的置放槽(2)内径设计为60、100、150、200mm，可以满足常规柱状样尺寸的测试需求。

5.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的造流装置(13)的造流方式采用水面十字交叉四拨片均匀造流法，以最大限度地减小“二次流”的影响；具有“单向流”与“往复流”两种造流模式；且流速可调，以在柱状样表面施加不同大小的近底切应力。

6.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述环形水槽(1)是外径小于2m的小型环形水槽。

7.权利要求1所述的装置进行基于侵蚀深度的原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：根据柱状样沉积物的直径选择相应的置放槽(2)，将该置放槽(2)底部的下端盖(6)拆卸，将取自海底的柱状样沉积物放至升降托盘(7)，然后拧紧下端盖(6)，使柱状样沉积物盛放于置放槽(2)中并防止实验过程中漏水，转动升降调节阀(8)，直至柱状样表面与水槽(1)的底面平齐；用封盖(12)将其他不用的置放槽(2)封闭；在选取的置放槽(2)正上方固定回声测距传感器(5)；将回声测距传感器(5)以及位于水槽(1)中的三维流速传感器(4)设置采样模式；

第二步：向水槽中加水至预定的实验液位线；

第三步：开始选择第一级流速进行造流冲刷柱状样，实时查看侵蚀深度数据曲线，通过回声测距传感器(5)测得当侵蚀深度骤然增大时，所对应的底部切应力即为该层位样品的临界侵蚀切应力τ_cr；若侵蚀未发生，即该级流速不足以侵蚀该层柱状样，则证明该层沉积物的临界侵蚀切应力大于第一级流速产生的切应力，则选择高一级的流速继续监测，直至侵蚀发生，再进行第四步；

第四步：侵蚀停止后，通过高程升降阀(8)调整一次沉积物柱状样高程，使其表面重新与水槽(1)的底面平齐；结合柱状样沉积物上方声波测距仪(5)的测量数据，可通过公式(1)计算同样得到每一层沉积物的侵蚀速率；

对于每一级流速，基于单位时间Δt内侵蚀深度的变化量Δh与土体密度ρ的乘积，计算得到侵蚀速率E_r(kg·m^-2·s^-1)：

第五步：当该柱状样沉积物被侵蚀完毕，结束测量。

8.利用权利要求1所述装置进行基于悬沙浓度的原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：根据柱状样沉积物的直径选择相应的置放槽(2)，将该置放槽(2)底部的下端盖(6)拆卸，将取自海底的柱状样沉积物放至升降托盘(7)，然后拧紧下端盖(6)，使柱状样沉积物盛放于置放槽(2)中并防止实验过程中漏水，转动升降调节阀(8)，直至柱状样表面与水槽(1)的底面平齐；用封盖(12)将其他不用的置放槽(2)封闭；将位于水槽(1)中的浊度传感器(3)、三维流速传感器(4)设置采样模式；

第二步：向水槽中加水至预设的实验液位线；

第三步：开始选择第一级流速进行造流冲刷柱状样，实时查看侵蚀深度数据曲线，通过浊度传感器(3)测得当悬沙浓度骤然增大时，所对应的底部切应力即为该样品的临界侵蚀切应力τ_cr；若侵蚀未发生，即该级流速不足以侵蚀该层柱状样，则证明该层沉积物的临界侵蚀切应力大于第一级流速产生的切应力，则选择高一级的流速继续监测，直至侵蚀发生，再进行第四步；

第四步：侵蚀停止后，通过高程升降阀(8)调整一次沉积物柱状样高程，使其重新与水槽(1)的底面平齐；结合浊度传感器(3)测量的悬沙浓度数据，可通过公式(2)计算得到每一层沉积物的侵蚀速率；

对于每一级流速，基于单位时间Δt内水体悬沙浓度的变化量Δc与水深H的乘积，计算得到侵蚀速率E_r(kg·m^-2·s^-1)：

第五步：当该柱状样沉积物被侵蚀完毕，结束测量。

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