风暴事件作用下黄河水下三角洲浮泥层的形成与运动过程研究

Fluid mud layers (FML) are the undersea region where fine sediments are gathered on the seabed surface under specific marine hydrodynamic conditions. During the extreme storm events, the seabed sediment resuspension supported by wave-induced shear stress, and their gravity-driven transport within FML are the common concerned hotspot of marine science and engineering field. Limited by methods of observation and analysis, the role of wave-induced liquefaction and pore pressure support for formation and movement of FML has not been considered in existing researches. This proposal performs a detailed research into its processes under storm events on the Yellow River subaqueous delta, where submarine cable are widely distributed. By conducting field investigation and sampling, samples tests and model experiments, in-situ long-term observations, and numerical simulation, this proposal will study the engineering properties and observation method of FML on the Yellow River subaqueous delta; mechanism and key factors in the formation of FML under storm events; and quantitative assessment of FML. The research aims to reveal the mechanisms of formation and movement of FML and establish the quantitative prediction methods. It has important scientific contribution in better understanding the process of gravity-driven flows on small slopes, and is of important value in assessing the engineering safety of exploitation activities of offshore oil fields in the Yellow River delta, China.

海底浮泥层是细颗粒沉积物在特定海洋动力条件下聚集于海床表面形成的流体层。特别在极端风暴事件中，强波浪产生的剪切力支撑沉积物悬浮，并沿斜坡以重力流形式运动是科学与工程界共同关注的热点问题。已有研究受限于观测与分析方法，尚未考虑波土相互作用的液化响应与孔压支撑在其形成与运动演化中的角色和贡献。本项目针对风暴事件作用下浮泥层的形成与运动过程这一前沿科学问题，以海底电缆分布的黄河水下三角洲为研究对象，通过开展典型研究区现场调查与采样、样品测试与模型试验、原位长期观测、数值模拟计算，研究黄河水下三角洲浮泥层的工程特性与观测判定方法、风暴事件作用下浮泥层的形成机理与关键影响因素、黄河水下三角洲浮泥层沿坡运动的定量评估。研究成果将揭示风暴事件中浮泥层的形成与运动过程机理，并建立定量预测方法，对深入认识海底斜坡重力流过程具有重要科学意义，同时在黄河三角洲海上油田开采工程安全评价方面具有重要应用价值。

海底浮泥层是细颗粒沉积物在特定海洋动力条件下聚集于海床表面形成的流体层。特别在极端风暴事件中，强波浪产生的剪切力支撑沉积物悬浮，并沿斜坡以重力流形式运动是科学与工程界共同关注的热点问题。本项目提出：在风暴事件中，黄河水下三角洲沉积物受到强烈的波浪循环荷载作用而产生的沉积物液化是诱发浮泥层形成及运动的重要原因。项目组选取黄河水下三角洲为典型研究区，利用现场原位观测及取样、室内模拟试验及样品测试、理论分析与数值模拟计算，系统研究了黄河水下三角洲浮泥沉积物的分布及工程特性、浮泥层发育过程、特征及液化成因机理、浮泥层沿坡运动过程及冲击管线致灾预测模型。研究发现，黄河水下三角洲埕岛海域呈块状广泛分布8-20 cm浮泥层，浮泥层沉积物呈现剪切增稠特性。与传统静水条件下泥沙沉降的浮泥成因认识不同，研究区在冬季风暴期间潮汐、波浪及液化的共同作用下，频繁发育近底悬浮泥沙浓度超过30 g/L、泥沙浓度剖面呈多种类型的波浪支撑浮泥层。在此过程中，黄河水下三角洲沉积物液化可降低表面沉积物抗侵蚀性，显著增加表层剪切再悬浮量，同时孔压驱动的渗流作用导致内部沉积物向上输运，是风暴期间浮泥层发育的重要物源。在波浪支撑及重力作用下，浮泥层沉积物可沿黄河水下三角洲低角度斜坡（＜1°）运动形成重力流，其形成初期运动速度约2 cm/s，波浪轨道速度与液化位置是影响其运动速度与形态的关键因素。在此基础上采用不可压缩两相流计算流体动力学（CFD）方法，提出了一种基于不同浮泥条件和总初始动能预测海底浮泥层运动距离的方法，定量评估了海底浮泥层运动形成重力流对固定悬浮管道的瞬时冲击。研究成果在本领域国内外权威期刊共发表学术论文19篇，其中SCI源刊收录14篇，EI源刊收录2篇；授权发明专利13项（含国际专利3项），实用新型专利4项（含国际专利1），登记软件著作权1项；有3名博士研究生、4名硕士研究生就本项目研究撰写学位论文；先后6次在国内外具有重要影响的学术会议上受邀做学术报告；获科研奖励8项。研究成果对深入认识黄河水下三角洲浮泥层发育与沉积物运动演化机制具有重要科学意义，对海底地质灾害预防具有指导意义。