CN112464580B - 基于三维时序原位观测装置的沉积物输运通量动态分析方法 - Google Patents

基于三维时序原位观测装置的沉积物输运通量动态分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于三维时序原位观测装置的沉积物输运通量动态分析方法，对沉积物输运通量进行动态观测，根据三维时序原位观测装置的观测数据，建立以高程‑压力、流速‑浊度相互冗余的沉积物动态运输过程的分析方法，打破了传统利用流速与悬浮泥沙剖面测量间接估算沉积物通量的手段限制，通过分析获取悬浮沉积物输运通量，能够实现对悬砂样品的精细时序分割，直接收集的沉积物柱状样可以为物质元素循环的研究提供珍贵的时序样品，并且克服了传统的取水样化验分析的时空局限性，为海底沉积动力过程、物质循环过程等科学研究提供了更有效的技术支持。

Description

基于三维时序原位观测装置的沉积物输运通量动态分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于三维时序原位观测装置的沉积物输运通量动态分析方法。
背景技术
深海海底的沉积物对海洋生态学研究和深化采矿环境影响评价具有十分重要的意义。深海沉积物是海洋沉积作用形成的海底物质，包含大量的地质、生物信息，开展深海沉积物的类型与分布、搬运与动力过程、土工特性、微生物群落等调查研究，对于深海矿产资源环境评估和后期资源开采具有重要意义。目前，悬浮泥沙输运观测的主要原理是基于悬沙浓度与流速剖面的实测数据估算输运通量，即通过ADCP与ASM-IV、OBS等仪器分别测量流速与悬沙浓度剖面，配合粒度量测(如LISST)，分别计算在不同流向上输运通过沉积物的速率。
涉及物质输运的研究依赖于现场观测，然而上述观测方法涉及的仪器，无论是激光粒度仪、浊度计还是悬沙剖面仪等，均有严格的量程限制。在风暴潮等极端海况下，沉积物输运通量急剧增大，目前相关的主流声学、光学仪器对此均无能为力。风暴事件在物质再悬浮和输运过程中的作用知之甚少，再加上传统的沉积物捕获器缺乏时域、空间以及定量方面的可靠分辨率，难以实现长期高精度观测，因而不能有效的捕捉悬浮沉积物的远程输运。
申请公布号为【CN107478458A】的发明专利公开一种三维时序矢量沉积物捕获器，为海洋悬浮沉积物输运过程进行原位、长期、立体、动态的观测提供了支持。故而，基于该设计，亟待提出一种沉积物输运通量动态分析方法，以打破传统利用流速与悬浮泥沙剖面测量间接估算沉积物通量的手段限制，实现对高浓度悬浮沉积物输运通量的直接观测，并可与目前主流的声学、光学等间接、低浓度观测方法形成技术互补，为海底沉积动力过程、物质循环过程等科学研究提供一种更为有效的技术手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于三维时序原位观测装置的沉积物输运通量动态分析方法，以直接测量沉积物输运通量，精确获取时序悬浮沉积物样品。
本发明是采用以下的技术方案实现的：基于三维时序原位观测装置的沉积物输运通量动态分析方法，所述三维时序原位观测装置包括基座、控制舱、悬沙捕获管和贯入式插针，悬沙捕获管以等深梯度均匀布设在基座的各方向上，悬沙捕获管内设置有浊度计、海流计、沉积物滤网、高度计、压差传感器和沉降管，所述沉积物输运通量动态分析方法具体包括以下步骤：
步骤A、基于输入悬沙浓度对沉积物的输运通量进行分析：
1)海流计和浊度计连续采集并记录流经悬沙捕获管的水体的悬浮泥沙浓度SSC(d,h,t)与流速Vc(d,h,t)；
2)建立沉积物输运通量与流速-浊度的数学模型：
Figure GDA0003809432550000021
获得不同方向、不同深度、不同时刻的沉积物输运通量S1 (d,h,t)；其中，d为沉积物输运方向，h为悬沙捕获管管口中心点与海床底之间的距离，t为当前观测的对应时刻，k为相邻两次观测的时间间隔，Q为悬沙捕获管的管口面积；
步骤B、基于捕获的沉积物高程对沉积物的输运通量进行分析：
1)沉降管正上方安装的高度计连续测量并记录沉降管中堆积沉积物的高程H(d,h,t)，沉降管底部的压差传感器的一端测量沉降管内部沉积物与海水的总压力Fp A (d,h,t)，另一端测量沉降管外部等高程海水压力Fp B (d,h,t)，两端压力相互作用产生压差设为△Fp(d,h,t)；
则，
Figure GDA0003809432550000022
其中，ρ(d，h，t)为沉积管内t-1时刻到t时刻输入沉积物的平均密度，对应的沉积物高程为△H＝H(d,h,t)－H(d,h,t-1)，A为沉降管底部的截面积，g为重力加速度，d为沉积物输运方向；根据公式(2)分析该高程区间内的沉积物，获得各个时段内输入沉积物的平均密度ρ(d，h，t)；
2)基于捕获沉积物高程的沉积物输运通量
Figure GDA0003809432550000023
与t-k到t时刻的单位面积内的平均沉降量相等，即
Figure GDA0003809432550000024
建立沉积物输运通量
Figure GDA0003809432550000025
与高程-压力的数学模型：
Figure GDA0003809432550000026
其中，A为沉降管底部的截面积，g为重力加速度，d为沉积物输运方向；
步骤C、根据步骤A所获得的沉积物输运通量S1 (d,h,t)和步骤B所获得的沉积物输运通量
Figure GDA0003809432550000027
进行耦合冗余分析，即可得到沉降管内任意深度、任意时刻、任意方向的沉积物样品。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案基于三维时序原位观测装置对沉积物输运通量进行动态观测，根据三维时序原位观测装置的观测数据，建立以高程-压力、流速-浊度相互冗余的沉积物动态运输过程的分析方法，打破了传统利用流速与悬浮泥沙剖面测量间接估算沉积物通量的手段限制，通过分析获取悬浮沉积物输运通量，能够实现对悬砂样品的精细时序分割，直接收集的沉积物柱状样可以为物质元素循环的研究提供珍贵的时序样品，并且克服了传统的取水样化验分析的时空局限性，为海底沉积动力过程、物质循环过程等科学研究提供了更有效的技术支持。
附图说明
图1为本发明实施例所述三维时序原位观测装置的结构示意图；
图2为图1中悬沙捕获管结构示意图；
图3为本发明实施例所述分析方法原理图；
其中：1、悬沙捕获管；11、浊度计；12、海流计；13、沉积物滤网；14、高度计；15、沉积物反滤网；16、压差传感器；17、捕获沉积物；18、沉降管；2、配重；3、基座；4、贯入式插针。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例，如图1所示，悬沙捕获管1按正交方向、等深间距均匀布设在基座3的各个方向上，参考图2，悬沙捕获管的内部结构包括海流通道(图2中箭头所指方向)、沉积物滤网13、海流计(ADP)12、浊度计(OBS)11和高度计14等，控制舱内有九轴感测组件(三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计)、波潮仪以及电池组。通过对该装置各部分外形、尺寸、质量、相对位置等因素对海水流场、悬沙通量、捕获比例、自然沉降等条件的影响研究，贯入式插针4可在投放于海底之后插入海床，保证整个系统坐底稳定性，进而实现对海底多方向输运来源沉积物的成功捕获。
如图1所示，为三维时序原位观测装置的结构示意图，其主体结构包括悬沙捕获管1、配重2、基座3及贯入式插针4，在基座上水平4个方向均设计了3个等深梯度悬沙捕获管1，每三个悬沙捕获管组成一组悬沙捕获器，配重2设置在每两两悬沙捕获器之间，用于调整设备整体重量及重心，基座中央安装有控制舱(图中未示意)，其内包括采集控制器、九轴感测组件(三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计)、波潮仪以及电池组。悬沙捕获管的结构如图2所示，包括海流通道(图中箭头所指方向)与沉降管18，海流通道前端具有水平进水口，后端具有竖直向下的出水口，出水口处设置有沉积物反滤网，海流通道中部设有向进水口倾斜的沉积物滤网13，沉降管竖直固定在沉积物滤网13的下方，底部密封，顶端开口并与海流通道连通，悬沙捕获管的内部结构还包括海流计(ADP)12、浊度计(OBS)11、高度计14和压差传感器16。
本实施例基于三维时序原位观测装置对沉积物输运通量的动态分析方法进行研究，基于其结构设计，沉积物滤网13可将流经海流通道的沉积物进行拦截，随即进入沉降管18发生沉积，进而获得捕获沉积物17，每个方向包含的3个等深梯度悬沙捕获管1，其收集口距底高程不同，分别用于收集来自该方向不同层位的悬沙，被水流输运通过观测点不同层位不同方向的悬浮沉积物便全部得以立体式地捕获。
基于三维时序原位观测装置的结构设计本实施例提出一种对沉积物输运通量的动态分析方法，具体包括以下步骤(其中步骤A和步骤B在具体实施工程中并不存在严格的时间顺序关系，可根据实际情况同时进行)：
步骤A、基于输入悬沙浓度对沉积物的输运通量进行分析：
1)海流通道内搭载的海流计和浊度计在观测期间连续采集并记录流经悬沙捕获管的水体的悬浮泥沙浓度SSC(d,h,t)与流速Vc(d,h,t)；
2)建立沉积物输运通量与流速-浊度的数学模型：
Figure GDA0003809432550000041
进而获得不同方向、不同深度、不同时刻的沉积物输运通量S1 (d,h,t)；其中，d为沉积物输运方向，h为悬沙捕获管管口中心点位置与海床底之间的距离，t为当前观测的对应时刻，k为相邻两次观测的时间间隔，Q为悬沙捕获管的管口面积；
步骤B、基于捕获的沉积物高程对沉积物的输运通量进行分析：沉积物输运通量的时间序列也可以根据沉降管中泥沙样品进行解析，具体的：
1)沉降管正上方安装的高度计(声学反射高程测量仪)连续测量并记录沉降管中堆积沉积物的高程H(d,h,t)，沉降管底部的压差传感器的一端测量沉降管内部沉积物与海水的总压力Fp A (d,h,t)，另一端测量沉降管外部等高程海水压力Fp B (d,h,t)，两端压力相互作用产生压差设为△Fp(d,h,t)，则：
Figure GDA0003809432550000042
其中，ρ(d，h，t)为沉积管内t-1时刻到t时刻输入沉积物的平均密度，对应的沉积物高程为△H＝H(d,h,t)－H(d,h,t-1)，A为沉降管底部的截面积，g为重力加速度，d为沉积物输运方向；根据公式(2)分析该高程区间内的沉积物，获得各个时段内输入沉积物的平均密度ρ(d，h，t)；
2)基于捕获沉积物高程的沉积物输运通量
Figure GDA0003809432550000043
与t-k到t时刻的单位面积内的平均沉降量相等，即：
Figure GDA0003809432550000044
建立沉积物输运通量
Figure GDA0003809432550000045
与高程-压力的数学模型：
Figure GDA0003809432550000046
其中，A为沉降管底部的截面积，g为重力加速度，d为沉积物输运方向，k为时间间隔，Q为悬沙捕获管的管口面积；
步骤C、根据步骤A所获得的沉积物输运通量S1 (d,h,t)和步骤B所获得的沉积物输运通量
Figure GDA0003809432550000047
进行耦合冗余分析，即可得到沉降管内任意深度、任意时刻、任意方向的沉积物样品。
具体的，耦合利用步骤A和步骤B两种方法获得沉积物输运通量S1 (d,h,t)与S2 (d,h,t)，利用加权获得实际情况下S(d,h,t)，具体如下：
S(d,h,t)＝k1 S1 (d,h,t)+k2 S2 (d,h,t) (5)
其中，k1、k2为系数，在基于捕获沉积物高程的沉积物输运通量模型中，管内的沉积物会随着时间增长而发生自然沉降，则第二种模型(步骤B所述模型)中计算所得沉积物输运通量S2 (d,h,t)会随时间发展而导致误差变大，导致可信度降低，所以系数k2是关于时间t的函数。
根据自然固结经验可知，自然沉降前期发展较快，达到一定密实度后沉降速度逐渐趋向于稳定甚至为0，在此模型中，当t＝0时，两种模型的加权系数均为0.5，随时间发展S2 (d,h,t)可信度降低，S1 (d,h,t)可信度上升，结合自然固结经验公式，式(5)可以表达为
S(d,h,t)＝k1 S1 (d,h,t)+k2(t)S2 (d,h,t) (6)
其中，k1＝1-k2，k2＝1/(2+t)。
本方案通过对沉积物输运通量的动态观测，建立以高程-压力、流速-浊度相互冗余的沉积物动态输运过程的动态数据解析方法，将海流计与浊度计设为一组，能够有效获取沉积物输入通量，高度计与压差传感器为一组，能够获取沉降管内沉积物的沉降速率，同时也等于沉积物输入通量，显而易见，沉积物输运通量可通过两种方式实现解析，相互辅助对比验证并对悬砂样品进行精细时序分割，可直接获取时序悬沙取样，为海洋沉积动力研究提供技术支持。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.基于三维时序原位观测装置的沉积物输运通量动态分析方法，所述三维时序原位观测装置包括基座、控制舱、悬沙捕获管和贯入式插针，悬沙捕获管以等深梯度均匀布设在基座的各方向上，悬沙捕获管内设置有浊度计、海流计、沉积物滤网、高度计、压差传感器和沉降管，其特征在于，所述沉积物输运通量动态分析方法具体包括以下步骤：
步骤A、基于输入悬沙浓度对沉积物的输运通量进行分析，获得沉积物输运通量S1 (d,h,t)；
步骤B、基于捕获的沉积物高程对沉积物的输运通量进行分析，获得沉积物输运通量S2 (d,h,t)：
1)沉降管正上方安装的高度计连续测量并记录沉降管中堆积沉积物的高程H(d,h,t)，沉降管底部的压差传感器的一端测量沉降管内部沉积物与海水的总压力
Figure FDA0003809432540000014
另一端测量沉降管外部等高程海水压力
Figure FDA0003809432540000015
两端压力相互作用产生压差设为△Fp(d,h,t)，则：
Figure FDA0003809432540000011
其中，ρ(d,h,t)为沉积管内t-1时刻到t时刻输入沉积物的平均密度，对应的沉积物高程为△H＝H(d,h,t)－H(d,h,t-1)，ρ(d,h,i)为第i时刻的沉积物密度，H(d,h,i)为第i时刻的沉积物高程，A为沉降管底部的截面积，g为重力加速度，d为沉积物输运方向；根据上式分析该高程区间内的沉积物，获得各个时段内输入沉积物的平均密度ρ(d,h,t)；
2)基于捕获沉积物高程的沉积物输运通量S2 (d,h,t)，与t-k到t时刻的单位面积内的平均沉降量相等，即：
Figure FDA0003809432540000012
建立沉积物输运通量S2 (d,h,t)与高程-压力的数学模型：
Figure FDA0003809432540000013
其中，A为沉降管底部的截面积，g为重力加速度，Q为悬沙捕获管的管口面积，d为沉积物输运方向，h为悬沙捕获管管口中心点与海床底之间的距离，t为当前观测的对应时刻，k为相邻两次观测的时间间隔；
步骤C、根据步骤A所获得的沉积物输运通量S1 (d,h,t)和步骤B所获得的沉积物输运通量S2 (d,h,t)进行耦合冗余分析，进而得到沉降管内任意深度、任意时刻、任意方向的沉积物样品：
S(d,h,t)＝k1S1 (d,h,t)+k2(t)S2 (d,h,t)
其中，S(d,h,t)为耦合分析后的沉积物样品输运通量，k1、k2为系数，k1＝1-k2，k2＝1/(2+t)。
2.根据权利要求1所述的基于三维时序原位观测装置的沉积物输运通量动态分析方法，其特征在于：所述步骤A具体包括以下步骤：
1)海流计和浊度计连续采集并记录流经悬沙捕获管的水体的悬浮泥沙浓度SSC(d,h,t)与流速Vc(d,h,t)；
2)建立沉积物输运通量与流速-浊度的数学模型：
Figure FDA0003809432540000021
获得不同方向、不同深度、不同时刻的沉积物输运通量S1 (d,h,t)；
其中，d为沉积物输运方向，h为悬沙捕获管管口中心点与海床底之间的距离，t为当前观测的对应时刻，k为相邻两次观测的时间间隔，Q为悬沙捕获管的管口面积，SSC(d,h,i)为第i时刻的悬浮泥沙浓度，Vc(d,h,i)为第i时刻的流速。
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