海底床内部沉积物泵送再悬浮量的原位长期观测装置与方法与流程

本发明涉及一种海底床内部沉积物泵送再悬浮量的原位长期观测装置与方法，能够在海底原位长期观测沉积物“泵送”现象，属于海洋工程地质与沉积动力学领域。

背景技术：

沉积物“泵送”作用是由于波致海床孔隙水压力的累积所导致的海床渗流甚至液化所引发的一种沉积物上涌现象。已有研究表明，粉质土海床会在波浪荷载循环作用之下发生孔压累积，引起海床垂向渗流甚至液化。该过程中孔隙水的垂向渗流会携带海床内部细颗粒沉积物以类似“泥火山”的形式“泵送”上输到海床表面，进而进入上覆水体成为再悬浮物质。这种沉积物再悬浮的机制不同于目前被普遍接受的表层沉积物冲刷再悬浮的观点，具有重要的科学研究价值。同时，这种“泵送”作用所导致的海床内部沉积物流失，很可能是造成海底塌陷凹坑等地质灾害的控制因素，因此，研究该过程也具有重要的工程意义。

海床沉积物在水动力作用下的侵蚀再悬浮一直是海洋工程地质与沉积动力学研究中的主要问题。严重的海底侵蚀会导致海底管缆的暴露、悬空甚至断裂，引发溢油、井喷等工程事故，造成巨大的经济损失。海底侵蚀的发生机制与防治措施也因此成为了海洋工程地质学家与沉积学家共同面对的难题。

早期对于该科学问题的探索主要依赖于海底沉积物的取样与实验室测试分析。近年来，随着科学与技术的同步发展，海底原位长期观测越来越发展为主流的研究手段。不同的科学问题决定了不同的观测项目，也决定了搭载平台的设计。目前最为广泛应用的是坐底式三脚架/四脚架观测平台，比如国家海洋局第一海洋研究所设计的“用于海底观测的三脚架搭载平台”(201610068081.8)；锚系观测链，比如青岛海洋地质研究所设计的“海底观测潜标”(201230267035.3)；海床基观测平台，比如中国海洋大学设计的“海底观测平台”(03218037.3)、“深海海底观测平台”(200420007429.5)与国家海洋局北海海洋技术保障中心设计的“双重回收保障多功能海底观测平台”(201420203694.4)等。以及一系列针对具体科学问题而设计的观测装置，比如浙江海洋学院设计的一种沉降式海底观测装置(201410002902.9)、国家海洋局第二海洋研究所设计的“一种海底地球物理观测装置”(201310365737.9)、中国海洋大学设计的深海原位近海底剖面观测装置(201010204376.6)与中国海洋大学设计的“一种海底地形地貌近距离探测装置”(201320520662.2)等。目前，沉积物“泵送”作用已经在潮间带地区与室内水槽模拟实验中得到证实与初步研究。更进一步的海底原位探测与研究工作则非常依赖于研发一种新的装置及方法。

技术实现要素：

本发明为一种针对上述具体科学问题而专门设计的海底床内部沉积物泵送再悬浮量的原位长期观测装置与方法，能够在海底对海底床内部垂向渗流导致的沉积物“泵送”上输再悬浮量进行原位长期测量。

海底床内部沉积物泵送再悬浮量的原位长期观测装置，其特征在于包括一个不锈钢半球形工作舱，该工作舱底部设有一圆环形的防沉降法兰，防沉降法兰上开设一圈孔洞；工作舱底部还安装有一圆筒形防滑支筒，该防滑支筒外径与所述防沉降法兰的内径相等，且防滑支筒的外侧面与防沉降法兰的内缘相连接，防滑支筒的顶部与工作舱内侧的凹面相连接；防滑支筒内部预留搭载各种商业化仪器的若干卡槽及若干仪器的探头卡槽，并通过可拆卸的保险钢丝网将商业化仪器封存于工作舱之中；防滑支筒的下缘为锋利刀口；工作舱顶部通过4个倒置的U形管将外部与舱内防滑支筒中的空间连通；U形管一端与工作舱相通，另一端中安装沉积物过滤网；工作舱顶部正中央还设有起吊环。

所述装置还包括浮球，在装置布放后所述浮球通过缆绳系挂在所述起吊环上。

本发明装置适用于波浪与海床相互作用剧烈的近岸海底工作环境。采集到的数据分析与科学问题解答，还依赖于与外部辅助系统坐底三脚架观测平台上搭载的同类仪器数据的对比与分析。

本发明中主要运用了连通器原理：在海底时，由于工作舱通过U型管将舱外与舱内空间相连通，所以理论上舱外与舱内同一高程位置处的水压力是相同的。这就保证了工作舱下覆海床所承受的波压力与附近海床相同，进而保证了舱下覆海床中的孔隙水压力变化不受上覆装置的影响。即海床内部的波致孔隙水向上渗流仍然有可能将内部沉积物“泵送”再悬浮，这一点通过舱内外的波潮仪压力数据也可以进行验证。

由于本发明所针对的科学问题十分前沿，目前仅见本研究团队于2016年获得授权的相关专利“潮滩海床内部垂向泵送输运的沉积物的捕获装置及方法”(201410389538.6)。该专利与本专利所针对的科学问题相同，然而前者为前期探索过程中设计的捕获装置，主要运用的反滤层原理，将泵送沉积物捕获在装置之中。因此该装置仅适用于周期性淹没和暴露的潮间带海床，因为涨落潮水进出捕获器是一个相对缓慢的过程，试验证明其不足以将已捕获的沉积物带出捕获器。然而，在长期被海水淹没的海底，目前无法解决回收时捕获器中海水渗漏将已捕获沉积物带走流失的问题。因此，将研究思路从捕获“泵送”沉积物发展到原位测量“泵送”沉积物量，基于巧妙的外形设计与仪器配合，将原位测量的“泵送”沉积物量数据自容存储于装置搭载的仪器之中。

本发明较之前专利具有使用范围更广，不再局限于潮间带地区；此外，还可以实现原位长期自动观测。该装置如果与坐底式三脚架观测平台相互配合，则可以形成一套“海底床内部垂向渗流导致沉积物泵送上输再悬浮量的原位长期观测系统”，可以更好的揭示更多的科学问题。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的俯视图。

图4是本发明的仰视图。

图5是本发明的剖视图。

图6是本发明的布放示意图。

图7是本发明的工作原理图。

其中，1.工作舱，2.卡槽，3.导水通道，4.沉积物过滤网，5.防滑支筒，6.锋利刀口，7.防沉降法兰，8.法兰孔洞，9.起吊环，10.商业化仪器，11.保险钢丝网，12.探头卡槽。

具体实施方式

如图1-5，海底床内部沉积物泵送再悬浮量的原位长期观测装置，其特征在于包括一个不锈钢半球形工作舱1，该工作舱1底部设有一圆环形的防沉降法兰7，防沉降法兰7上开设一圈孔洞8；工作舱1底部还安装有一圆筒形防滑支筒5，该防滑支筒5外径与所述防沉降法兰7的内径相等，且防滑支筒5的外侧面与防沉降法兰7的内缘相连接，防滑支筒5的顶部与工作舱1内侧的凹面相连接；防滑支筒5内部预留搭载各种商业化仪器10的若干卡槽2及若干仪器的探头卡槽12，并通过可拆卸的保险钢丝网11将商业化仪器10封存于工作舱1之中；防滑支筒5的下缘为锋利刀口6；工作舱1顶部通过4个倒置的U形管3将外部与舱内防滑支筒5中的空间连通；U形管3一端与工作舱1相通，另一端中安装沉积物过滤网4；工作舱1顶部正中央还设有起吊环9。

如图6，所述装置还包括浮球，在装置布放后所述浮球通过缆绳系挂在所述起吊环9上。

所述的不锈钢流线型工作舱1，流线型外形设计可以在海底有效地弱化应力集中效应，减弱装置附近海床的侵蚀冲刷现象。

所述的舱内若干卡槽2，可以配合搭载的各种商业化仪器的尺寸进行自由收缩。

所述的倒置的U型管3设计，能够有效的防止舱外悬浮泥沙进入舱内，影响舱内悬沙测量精度。

所述的沉积物过滤网4，能够进一步阻止了舱外悬浮泥沙进入舱内、影响舱内悬沙测量精度。

所述的防滑支筒5，能够在插入海床后有效地保证装置的水平向稳定性。

所述的锋利刀口6设计，能够最大限度的保证该装置的支筒插入海床。

所述的外部防沉降法兰7，能够有效地防止装置沉降，从而保证装置的垂向稳定性。

所述的法兰孔洞8，能够减小海床对法兰的吸附面积，从而减小装置回收时的阻力。

所述的起吊环9，既能在装置布放时作为起吊环，同时能够作为装置上覆浮球缆绳的固定端。

所述的浮球，能够在装置长期原位观测工作时漂浮于附近海面，以便在回收时快速有效地锁定装置在海底的位置。

所述的保险钢丝网11，能够在舱内仪器脱落时，将仪器封闭在工作舱中，防止仪器丢失。同时网格结构又不影响沉积物“泵送”输运过程。

本装置的布放方法如下：

第一步：拆卸保险钢丝网11，将设置好采集参数的仪器固定到卡槽2之中，探头固定到仪器探头卡槽12之中；

第二步：重新安装保险钢丝网11；

第三步：在装置上方的导水通道中，安置沉积物过滤网4，并利用螺栓紧固；

第四步：将浮球系挂于起吊环9，并用船载吊车通过起吊环9起吊整个装置，布放到海床表面；

第五步：借助潜水员协助，使防滑支筒5完全进入海床，防沉降法兰7紧贴海床表面；并使浮球漂浮于海面。

本装置的回收及数据采集方法如下：

第一步：借助GPS定位信息将船开至海面浮球附近；

第二步：潜水员顺浮球缆绳下潜锁定装置，将装置通过钢缆挂于船载吊车吊钩上，起吊装置；

第三步：将装置吊至船甲板，依次拆卸保险钢丝网11与各个仪器，读取仪器数据；

第四步：组装装置，装箱保存。

如图7，基本原理是通过屏蔽传统认识上近底剪切应力引起的沉积物水平冲刷再悬浮量，定量测量海床内部渗流引起的沉积物垂向泵送再悬浮量，来实现科学问题与测量技术两个方面的进步与突破。

“泵送”再悬浮量可以通过内置浊度计进行长期的自动测量与自容存储。与此同时，工作舱1的水平向封闭设计有效地屏蔽了海流的冲刷切应力与波浪的轨道切应力，从而在工作舱1的封闭空间内屏蔽了表层冲刷再悬浮量。

此外，工作舱1上部设计的U形管3也有效的阻止了舱外悬浮沉积物进入舱内引入误差。一方面U形管3的倒置设计于设计长度30cm，有效地限制了进入管口的沉积物的继续上升；另一方面，U形管3中的沉积物过滤网4进一步保证了外部沉积物的进入。

工作舱1下部一体连接的防滑支筒5下端具有锋利刀口6设计，有效地保证了防滑支筒5插入海床内部，进而保持装置的水平稳定性。支筒直径100cm、高度15cm，上下均开口，且下部开口为锋利刀口设计，便于支筒坐底后插入土体。外部防沉降法兰外径140cm，内径100cm，焊接于工作仓与支筒分界处；法兰上设置12个直径为10cm孔洞。

外部防沉降法兰7设计可以有效地控制装置的垂向位移，起到防止装置下沉的目的。工作舱的流线型外形设计，可以有效的减弱装置在海底对海流的阻挡作用，从而有效地减弱装置附近的海床冲刷侵蚀，整个装置的比例设计与防位移设计也保证了装置可以平稳有效地在海底原位长期工作。

此外，法兰上预设的一排孔洞8则可以减弱法兰与海床土的吸附面积，减小回收阻力。整个装置的顶部预留的起吊环9，同时作为浮球的缆绳固定端。装置在海底进行原位长期观测期间，浮球始终漂浮于附近水面，回收时可快速有效地沿浮球缆绳定位装置在海底的位置。

本发明基于前沿科学问题，原理简单可行，加工成本低廉。如与同样搭载有波潮仪、浊度计、海流计等商业化仪器的常规坐底式三脚架观测平台进行联合观测与数据对比分析，可以更好地实现一系列相关科学问题的探索。