（环境工程专业论文）基于电阻率测量的海床蚀积过程原位监测技术研究.pdf

基于电阻率测量的海床蚀积过程原位监测技术研究 摘要 本论文基于国家8 6 3 项目“风暴过程中海底沉积物再悬浮通量原位监测技术 编号2 0 0 8 从0 9 2 1 0 9 ) 开展研究，研制了一套基于电阻率测量的海床侵蚀淤积过程 现场动态原位监测系统，该系统能够实施海水一沉积物界面位置的原位监测。 本文研究内容主要包括以下两个方面：1 系统设计：设计电阻率蚀积监 测系统整体结构；完成该系统三个部分的设计：机械探杆、主控部分及分析 处理软件部分，通过实验选择探杆的直径、材料和极距，确定环形电极电阻率计 算方法，完成探杆设计，对主控部分划分模块完成硬件和软件设计，对分析处理 软件划分模块完成设计；对系统进行误差和精度分析；系统参数实验测试 与调整；进行系统机械组合总装，完成整个系统的设计；2 系统实验验证： 室内对比实验：和现有的商业化仪器测试数据进行对比分析，验证系统测试 数据正确性；室内实验验证系统的有效性；进行现场原位实验，进一步对 系统进行原位测试的有效性验证。 本论文采用的研究方法：在整个系统的设计中，采用了自上而下、分模块的 设计方式，保证了系统具有很好的整体性；在系统调试和实验验证过程中，设计 了多种实验，采用分步骤进行验证的方式，确保系统验证过程有序进行和经过验 证系统的测试稳定性。 本文主要结论概括如下： 1 系统设计：探杆：通过实验对比分析，选择探杆电极布设方法为环形 布设、探杆直径7 c m 和电极间距l c m ；主控部分：采样频率6 4 次s ，采样间 隔初步确定为8 s ，经误差分析可以达到静态0 0 1 2q m 电阻率精度。上位 机数据处理软件：开发完成了仪器参数设置、数据处理和曲线拟合三个模块，采 用的v c + + 6 0 完成界面部分和计算部分，m a t c o m4 5 完成曲线绘制及曲线拟合。 2 系统实验验证：室内对比实验：与商业化e 6 0 b n 高密度电法仪和电导率 仪数据对比，验证了本系统测试土体和海水电阻率数据的有效性：室内界面 测试实验：经实验确定自制系统界面测定误差在o 8 0 e r a 以内，提出了中间值 直线界面分析方法，对得到的数据进行了分析，获得的界面位置和实际观察到的 结果具有很好的一致性，在多次反复实验中验证了系统电阻率数据测试的有效 性、测试界面的正确性，和系统的工作稳定性；现场测试实验：实验结果表 明，在海洋水动力条件较为平静时，测试结果很好的反映海水沉积物界面；当 水动力作用较强时，目前仪器所用电极的极化效应对测试结果影响较大，将在下 一步研究中通过改变电极材料来完善。 本论文创新点主要包括以下三个方面：1 多电极自动切换自动记录，基于电 阻率测量的海床蚀积监测系统设计；2 分级电极开关转换结构和相应的主控软 件，极大的减小了多电极电路的硬件开销，缩小了整个系统的体积；3 提出了海 水一沉积物界面的中间值一直线分析方法，并在多次实验中验证了其分析数据的有 效性。 本论文设计的系统有待进一步工作改进系统设计，主要包括：系统的软硬件 功能的进一步完善、系统电极探杆的材料改进，及系统整体结构的进一步调整。 关键词：海床蚀积；动态过程；现场原位；高密度电阻率；监测系统 i n s i t um o n i t o r i n gt e c h n o l o g ys t u d yo fs e a b e de r o s i o na n d d e p o s i t o np r o c e s sb a s e do nr e s i s t i v i t ym e t h o d a b s t r a c t t h ew o r ki nt h i st h e s i sw r i t sb a s e do nn a t i o n a l8 6 3p r o j e c t m a r i n es e d i m e n t r e s u s p e n s i o nf l u xi n - s i t um o n i t o r i n gt e c h n i q u e sd u r i n gt h es t o r mp r o c e s s ”( n o 2 0 0 8 a a 0 9 z10 9 ) as e to fi ns i t us y s t e mm o n i t o r i n gs e a b e de r o s i o na n dd e p o s i t i o n d y n a m i cp r o c e s s ，b a s e do nt h er e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n t , w a sd e v e l o p e d i tc o u l d i m p l e m e n ti ns i t um o n i t o r i n gw a t e r s e d i m e n ti n t e r f a c el o c m i o n i nt h i st h e s i s ，t h ew o r kc o n s i s t so ft w op a r t s ，1 m o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n ： d e s i g nt h ew h o l es t r u c t u r eo fm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n t ； c o m p l e t i o nt h et h r e ec o m p o n e n t sd e s i g no ft h es y s t e m ，t h a ti sm e c h a n i c a lr o dp a r t ， c o n t r o lp a r ta n da n a l y s i ss o f t w a r ep a r t r o dd e s i g nw a sc o m p l e t e db yc h o o s i n gr o d d i a m e t e r , m a t e r i a la n de l e c t r o d ed i s t a n c et h r o u g he x p e r i m e n t sa n dd e t e r m i n i n gt h e r i n ge l e c t r o d er e s i s t i v i t yc a l c u l a t i n gm e t h o d c o n t r o lp a r tw a sr e a l i z e db yd i v i d i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t om o d u l e st od e s i g nr e s p e c t i v e l y p r o c e s s i n ga n da n a l y s i s s o f t w a r ew a sc o m p l e t e d t h r o u g hm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n ；s y s t e me r r o ra n d p r e c i s i o na n a l y s i s ；e x p e r i m e n t a l i z ef o rt e s t i n ga n da d j u s t i n gs y s t e mp a r a m e t e r s ； a s s e m b l et h ew h o l es y s t e m a n df i n i s h s y s t e md e s i g n 2 s y s t e mv e r i f y i n g e x p e r i m e n t s ： i n d o o r c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t ：1 1 1 em e a s u r e dd a t af r o m s e l f - d e s i g n e di n s t r u m e n tw a sc o m p a r e dw i t ht h ed a t af r o mc o m m e r c i a l i z a t i o ne 6 0 b n m g h - d e n s i t ye l e c t r i c a li n s t r u m e n tt ov e r i f yt h es y s t e mt e s t i n gd a t av a l i d i t yo fs o i la n d w a t e rr e s i s t i v i t y i n d o o rt e s t i n g e x p e r i m e n tt ov e r i f ys y s t e me f f e c t i v e n e s s ； f i e l de x p e r i m e n tt ov e r i f ys y s t e mi n s i t um o n i t o r i n gv a l i d i t y t h er e s e a r c hm e t h o d si nt h i st h e s i s ：t h et o p d o w n ，d i v i d i n gm o d u l e sd e s i g n m a n n e rw a su s e di nt h ed e s i g no ft h ee n t i r es y s t e m ，w h i c he n s u r e dt h es y s t e ma v e r y g o o do v e r a l l ；i nt h es y s t e md e b u ga n dt e s tv a l i d a t i o np r o c e s s ，aw i d er a n g eo f e x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e d ，a n ds t e p b y s t e p v a l i d a t em a n n e rw a su s e d ，w h i c h e n s u r e dv e r i f i c a t i o np r o c e s sc o n d u c t i n go r d e r l ya n dt e s t i n gs t a b i l i t yo ft h ev e r i f i e d s y s t e m t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sc o u l db es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 s y s t e md e s i g n ：m e c h a n i c a lr o d ：r i n ge l e c t r o d ec o l l o c a t i o nm a n n e r , d i a m e t e r7 c ma n de l e c t r o d es p a c i n g1c m ； d a t a l o g g e r ：s a m p l i n gr a t e6 4t i m e s | s 、 t h et o t a ls y s t e me r r o r 一0 012q m ，s a m p l i n gi n t e r v a l8 s ；h o s tc o m p u t e r d a t a p r o c e s s i n gs o f t w a r e ：v c + + 6 0w a su s e di n t h ei n t e r f a c ea n dt h ec a l c u l a t i o n p a r t s ，a n dm a t c o m4 5c o m p l e t e dc u r v ed r a w i n ga n dc i l r v ef i t t i n g 2 s y s t e m e x p e r i m e n tv e r i f y ：i n d o o rc o m p a r a t i v ee x p m e r i m e n t ：t h em e a s u r e dd a t aw a s c o m p a r e dw i t ht h e d a t af r o mc o m m e r c i a l i z a t i o ne 6 0 b nh i g h - d e n s i t ye l e c t r i c a l i n s t r u m e n t ，w h i c hv e r i f i e dt h es y s t e mt e s t i n gd a t av a l i d i t yo fs o i la n dw a t e rr e s i s t i v i t y ； i n d o o ri n t e r f a c et e s t i n ge x p e r i m e n t ：t h ea p p a r a m sd e v e l o p e di nt h i st h e s i sw a s u s e dt oc o n d u c tt h ei n d o o rc o n t r a s te x p e r i m e n tt ot e s tt h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t so f e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ；a n dt e s te f f e c t i v e n e s so fs e d i m e n t w a t e ri n t e r f a c el o c a t i o n ， w h i c hw a sp r o v e dt ob eal e s st h a n0 8 0 c me r r o r ；f i e l dt e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t w h e nt h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n si nt h eo c e a nw a sr e l a t i v e l yc a l m ，t h et e s tr e s u l t s r e f l e c t e dav e r yg o o dw a t e r - s e d i m e n ti n t e r f a c e ；w h e ni th a ss t r o n gh y d r o d y n a m i c e f f e c t ，t h ee l e c t r o d eu s e db yt h ec u r r e n te q u i p m e n th a sp o l a r i z a t i o ne f f e c t so nt h e i m p a c to ft e s tr e s u l t s c h a n g i n gt h ee l e c t r o d em a t e r i a li nt h en e x ts t e pw o u l db e e x e c u t e dt oi m p r o v ei t t h em a i ni n n o v a t i o n si nt h i st h e s i s ：1s e a b e dl o n g t i m em o n i t o r i n gs y s t e mw h i c h c o u l d ea u t o m a t i c l ys w i t c hb e t w e e nm u l t i t r o d e ；2c l a s s i f i y e de l e c t r o d es w i t c h i n g s t r u c t u r ea n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls o f t w a r e ，w o u l dg r e a t l yr e d u c et h eh a r d w a r ec o s t o fm u l t i e l e c t r o d ec i r c u i t ，a n dr e d u c et h e s i z eo ft h ee n t i r e s y s t e m ；3 i n t e r m i d i a t e v a l u e - s t r a i g h t l i n e ( i v - s l ) w a t e r - s e d i m e n ti n t e r f a c ea n a l y s i sm e t h o dw a s a d v a n c e d ，a n di t sv a l i d i t yw a sv e r i f i e di nan u m b e ro fe x p e r i m e n t s t h es y s t e md e s i g n e di nt h i st h e s i sw o u l db ef a r t h e ri m p r o v e di nf u t u r ew o r k ， i n c l u d i n g ：f u r t h e rp e r f e c t i n gt h e f u n c t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i m p r o v i n g e l e c t r o d er o dm a t e r i a l ，a n df u r t h e ra d ju s t i n gt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：s e a b e de r o s i o na n dd e p o s i t i o n ，i n s i t ua n df i e l dt e s t ，h i g h r e s o l u t i o nr e s i s t i v i t y ，m o n i t o r i n gs y s t e m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注! 垫没直墓丝盖蔓缱别直明的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学雠文储虢饥签字日期：2 哆年乡月ly 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：铷导师签字： 答字日期砌乡年月1 硼 签字日期：年月日 基于电阻率测量的海床蚀积过程原位监测技术研究 1 绪论 1 1 研究背景 沉积物的蚀积过程及在波浪作用下发生再悬浮运移是非常普遍的现象。其传 输与运移对分析在潮流作用下沉积物的稳定性，生态状况的可持续性，相关污染 物的迁移、贮存、消散等过程具有十分重要的意义。因此沉积物蚀积过程的研究 对于保护生态环境至关重要。 河口岸滩地区细颗粒粘性沉积物的侵蚀淤积通常不能通过了解沉积物的几 个有限可方便测得的参数来预测蚀积量，如粒度、比重、水或有机物含量等n 2 】。 对于河口附近细颗粒粘性沉积物泥沙运移情况复杂，给出再悬浮特性和蚀积状况 的主要困难在于，粘性沉积物的传输受多种因素的影响n 3 吲。研究发现，对河口 地区沉积物侵蚀及泥沙运移影响最为严重的，是风暴潮等极端海况n 叫引。而在此 极端海况下，沉积物侵蚀淤积过程的监测十分困难n5 1 。因此，科学家对极端海况 进行的直接观测稀少，长期以来缺乏简单可靠的能在正常海况及风暴事件过程中 都能实施海床沉积物蚀积过程现场观测的装置，影响了对事件过程中形成的沉积 物运移与地层记录的认识6 1 ，制约了对地质记录中保存事件的沉积物特征形成过 程及通量的深入认识1 。 为解决以上难题，国家8 6 3 项目资助了“风暴过程中沉积物再悬浮通量原位监 测技术”的研究，开发一套基于电阻率方法的海床沉积物再悬浮通量自动观测分 析系统，实现风暴过程中海洋沉积物水界面沉积物通量监测。 本论文结合此8 6 3 项目开展研究。 1 2 海床蚀积过程原位监测技术国内外研究现状 国内外学者都对河口泥沙的运移和岸滩侵蚀淤积状况开展了大量的研究工 作，包括观测仪器的研制、模型的建立、测定运移和侵蚀情况的方法等。目前已 有的原位设备，有些适用于监测侵蚀，有些适用于监测淤积，有些既可以监测侵 蚀又可以监测淤积。现场监测方法，按照监测时间连续性，可分为非连续监测和 第1 页共1 4 8 页 基于电阻率测量的海床蚀积过程原位监测技术研究 半连续一连续监测；按照监测原理，分为悬砂量测量或沉降量测量和沉积物一水界 面高程变化测量。目前主要的原位蚀积监测方法概括在表1 - 1 中： 表1 - 1 海床蚀积监测方法 非连续监测方法 悬砂量或沉积量测量高程变化测量 半连续连续监测方法 悬砂量或沉积量测量高程变化方测量 1 2 1 非连续测试方法 非连续监测方法，该方法监测周期一般大于2 4 小时，通常采用简单的机械 设施，在退潮的时候选择合适位置布设在岸滩浅水地区。在一个或者多个潮周期 后，观察岸滩高程变化或测试悬砂量和沉积量，得到一段时间内的蚀积量。测量 时间分辨率低是它们的共同特点和缺点。下面对主要的非连续测试方法进行简 介。 1 2 1 1 测试沉积量或悬沙量的称重方法 1 ) 泥沙捕获法 利用泥沙捕获装置，结合流速测量，经室内分析计算得出沉积物通量，该 类方法一直沿用至今n8 j 。此类观测方法设备简单，随时可以实施测试，但自动化 程度低，同步性差，恶劣海况时无法开展工作。 2 ) 沉积物陷阱方法( s e d i m e n tt r a p ) 又称为沉降管( s e t t i n gt u b e ) ，低波能量环境下的垂直沉积物通量可以通 过采集下沉颗粒的沉积物陷阱来估计。e m e r s o n ( 1 9 9 1 ) 设计了一个进行侵蚀淤 积测试的沉积物陷阱，如图卜1 所示。该设备采用透明玻璃材料进行沉积物采集， 在多个潮周期持续进行采集后，可以看到沉积物的固结分层现象n 9 | 。 虽然沉积物陷阱已经获得了广泛应用，但采样偏移是一个问题，因而陷阱得 到的沉积物蚀积量需要仔细推断解释。该方法允许收集移动颗粒样品，并保留以 备今后分析：实旌简单，造价低廉，易于在潮滩地区使用n 训；比较适用于测量净 运移量，不能记录沉积物运移随着时间变化的过程，因而也很难进行沉积物运移 第2 页共1 4 8 负 拈十r u 阻术测硅的海殊蚀积过程胤位盟剽技术研究 机理分析；更适合测量淤积情况，而不很适合于测试侵蚀状况，尤其是皿l 暴海况 下的大量侵蚀状况。因为，侵蚀情况下，测试设备周围的沉积物被侵蚀掉，设备 和沉积物就不在一个水平面下；设各突出于沉积物的存在会改变其周围的流状 态，影响沉积物运移产生而较大误差，侵蚀越严重误差越大。 6 c - 誊乖采囊刊的沉识钧 l 。一j ：旦一丹层结柯 一_ _ 。一 3 c 幽卜t 沉积物| 辚阱采样设备的纵剖面削( e m e r s 帆，1 9 9 ” 沉积物陷阱方法设计巧妙，但很难获得基于过程的实时数据。在没有更好的 精密采样仪器的条件下，对于。个潮周期的数据获取还是很方便实用的方法。另 外，为确定沉积物的在一段时间内的沉秘量，可以经常添加标记粒珠等方法”。 3 ) 示踪剂方法 r i c h a r d s o n ( 1 9 0 2 ) 最先在科学传感里面使用了示踪技术，2 0 世纪5 0 年代 和6 0 年代早期，这一技术得以快速发展”1 。沉积物颗粒示踪方法是把示踪剂放 入环境中，经过一段时b j 后，在周围区域进行沉积物或者水采样。实际中可以采 用各种各样的采样方案，也可以采用上述的沉积物陷阱方法。采样方法的设计十 分关键，最后处理和分析采样数据，也对结果有很大影响”。示踪剂可以采用 荧光或者磁性的。也有采用放射性核的“。放射性核示踪剂，还可以用来确定 沉积物的年代等信息，及通过长期监测重建沉积的季节及年变化等情况。示踪剂 方法虽然采样方便，但后续数据处理工作烦琐。 1 2 1 2 测量沉积物海水界面高程变化的方法 1 ) 木桩方法 很多人采用过木桩和杆的方法实施岸滩蚀积过程测试，如：p e s t r o n g ( 1 9 6 5 ) r e e d ( 1 9 8 9 ) ，d a b o r ne ta 】( 1 9 9 1 ) 。这些方法是在沉积物中设立木桩，或者 第3 “# 1 4 8 早十一u 叭半测量的街睐蚀积过程原位监“挫术f 究 测距塔尺”作为参照物定期观测海底面高度相列变化量柬确定蚀积状况。对 该方法的一个改进方注是桥方法”1 ，如图1 2 所示。木桩方法是简单易行，成本 低廉的一个测试方案但木桩会对周田环境广：生扰动从而影响其附近的侵蚀淤 积变化情况。 播【夏至五日j 董量 一 蚓1 1 2 桥 浩示意削( p e r i 】i o ，2 0 0 3 ) 2 ) 水平标记注( m a r k e rh o r jz o n ) 在自然沉积物表面用一些稀有物质或者埋置会属板，扩展一个水平面。段 b c i e j 以后一般为6 个月，采样或用直尺测量并记录扩展水下面距离表面的高度 h 浚片法可以达到l m m 数量级的分辨率，但只能测量出淤积量而不能测量 侵蚀量。通过c a h o o n1 1 9 9 5 年) 的测试对比，从图卜3 的测试数据对比也可以 看出这点。侵蚀的不能测量导致了基准平面发生变化，从而导致其后续数据出 现相对错误。 等1 等19 3u i9 9 4 9 9 9 2g * 雹 幽卜3 水平标记 圭测得数据与s e t 方泣测得数据对比幽( c a h o o ne la l ，1 9 9 5 ： 沉积物侵蚀台方法( s e m i m e 兀te r o s i o nt a b l e ，s e ) 缸4 - ：# 1 4 8 5 l 5 0 5 l 0 0 0)(0v晕制睁怔s耻露班-：旺 v0v嘶蜉怔啭雹耻藕搬骝雌牛 杀f i u m 耙蔚的街眯蚀积过程隙位剥技术研究 s e t 侵蚀台是适用于潮i 带地区的便携式测试仪器，c a h o o n ( 2 0 0 3 ) 研制的 , s e t 如图卜4 所示。测量台放在预先用水泥吲定存岸滩底部的底座管中。底座管 有连续均匀删隔的4 8 个凹槽，允许s e t 锁定在不同水平位置。锁定s e t 高度 后，需要仔细的将台面校准使其处于水平，然后从台面放下探引到海床沉积物表 面，这时就可以记录探针在t a m e 上面的长度。在四个方向上蕈复这个测量，可 以给出3 6 个数据。该方注可以给咄1 4 2 栅的测量分辨率。 可菩动臂 顶税雷 。 水表面 ， 一下降| 针 一 i 1 耋棒蕊辇掰 圈】4s e t 沉积物侵蚀台( c a h o o ne ta 1 。2 0 0 2 a ) 侵蚀台方法和木桩疗法相比测试更为复杂些，成奉也更高点，而且测量前 需蓦仔细的保持侵蚀台的水平状态，但其测试的是距离底座管一小段距离处的岸 滩蚀积状况，这在一定程度上避 了底座管周围受底座管影响的区域，测量数据 和真实情况更为接近。 1 2 1 3 非连续监测方法特点 卜述非连续测试方法，目前为l p 应用和研究最广泛的为木桩方法和沉积物陷 阱方法。从总体j 二看，此类方法具有简单易行、成本低廉、实施方便的优点，因 而这屿方法报多都得到了广泛的应用，且一直沿用至今，升在使用过程中不断的 改进和创新，得到了很好的发展。但这些方法存在的共性问题是：洲试靠人 操作和人工记录测试数掘属劳动密集型，测试过程简单，但测试耗费的时州 和人力都很多，后续数掘处理_ 作烦琐，需记录后输入计算机然后处理测 试时i 倒分辨车低，一般测试问隔为几天到几个月不等，无法得到海床蚀积的精确 变化过程，只能得到上次测量到本次测量的净变化量“： 测量数据的不精确， 辩5 “# i4 8m 基于电阻率测量的海床蚀积过程原位豁测技术研究 也导致了无法分析波浪作用及不同水动力条件乜们与海床蚀积的关系及影响，和分 析蚀积变化的机理。 1 2 2 半连续连续测试方法 高时间分辨率的仪器设备的缺乏，导致很多相关的研究受到阻碍汹3 。d m l a w l e r 在其文中也特别指出了低时间分辨率的危险性和高时间分辨率的重要性 乜7 1 。1 9 9 1 年出现了最早的半连续一连续监测设备l a w l e r 的p e e p 监测系统及 s e d i m e t e r 。 半连续一连续监测方法监测周期在几分钟到几小时时间范围，一般采用电子 监测仪器，布设在选定位置，次命设，长期监测，数据在测试结束后可直接读 入计算机。半连续一连续监测方法相对于上述的非连续监测方法最大的优势就是 时间分辨率高。 1 2 2 1 测量悬沙量或者沉积量的方法 1 ) 测量悬浮沉积物含量( s u s p e n d e ds e d i m e n tc o n t e n t ，s s c ) 变化的方法 该方法是用s s c 的值来推断沉积物的沉积量，前提假设测量区域的沉积为均 一的沉积，具体实施方法有以下三种： 出入相减法 现场采用该方法通常是在盔测区域的出入口处分别进行s s c 和流监测。出口 处颗粒通量减去入口处颗粒通量，即为监测区域内泥沙沉积量。该方法通常进行 沉积量数量级的估计，而非精确的测量沉积量陋8 1 。 侵蚀水槽方法 很多人应用s s c 数据，采用水槽方法进行实验室和现场实验，测得侵蚀率。 从1 9 7 8 年y o u n g 的第一次应用水槽进行实验测试后，先后产生了很多种不同 结构的水槽恤氆，并有相应的计算侵蚀率的公式。图1 - 5 给出了常用的四种不同 类型的水槽的结构，具体的水槽原理等这里不在详述，请参考有关文献。水槽方 法通过构造流，启动水槽底部的泥沙，模拟实际的水流，然后用流速计和s s c 设备实施测试。测试数据很大程度上依赖于水槽结构的设计，因而多种水槽方法 测得的数据结果相差较大m 3 7 1 。值得一提的是，1 9 9 2 年，a m o s 采用环形水槽 第6 页共1 4 8 页 基于电阻率测量的海床蚀积过程原位监测技术研究 ( f l u m e ，s e ac a r o u s e l ) 对两个自然条件完全不同的区域进行了测试，并根据 观察到的侵蚀过程和测量结果，在前人划分的基础上，把侵蚀分成了类型ia ， 类型ib ，类型i ，类型i i 等不同的类型，这种分类方式被很多人借鉴，如呻1 。 分 符号说明： ( a ) a ：测试舱，b ：3 0 v 电 机及注水的中空桶，c ：沉 积物陷阱，d ：注水到中空 桶的1 2 v 水泵，e ：流速计， f ：电源，箭头指明了水流 的方向； ( b ) b ：侵蚀舱，d ：扩散 区，p ：泵，r ：蓄水池，c ： 控制单元； ( d ) t ：测试舱，j ：喷嘴， 1 b ：水瓶，a s ：压缩空气 舱，c p ：控制面板。 图卜5 ( a ) m i c r o c o s m 系统不意图；( b ) s e d e r o d e 示意图：( c ) i s e f 示意图：( d ) c s m 示意图( t o l h u r s t ，2 0 0 0 ) 三脚架方法 将自容式浊度计、激光粒度仪、流速计、压力计等传感器，固定在三脚架不 同位置上，三脚架的底部有防止三脚架陷入泥沙中的承重板。将三脚架放置在海 底，经过一段时间的自动观测记录后( 一般记录时间长达几个月) ，取回三脚架， 对记录的数据进行输出、处理，计算得出观测期间观测点位置处的海洋沉积物通 量口引。图卜6 给出了一个典型的三脚架结构。d a c a c c h i o n e 把三脚架方法发 展过程划分为三个阶段：1 9 6 0 s 早期到1 9 7 0 s 中期；1 9 7 0 s 中期到1 9 8 0 s 中期； 1 9 8 0 s 中期到现在。其发展主要体现在三脚架上配置电子仪器的升级换代和沉积 第7 页共1 4 8 页 单十u 刚 搠锄均海睐蚀h 过程原位船珐木目f 究 物传输理论方面的进展”。当然，除了三脚架，也有叫脚架等类似的测量方式1 。 利用此技术，s qr a t a f o r l ；t 项目枉美国e e lr lv e t 河口开展为期l 年的研究。 现场观测了海洋沉积物的传输过程”。基于类似方法技术，南京大学研发r 用丁潮滩同步测董多层位流速和悬沙浓度的现场高分辩年数据采集j 分析系统 精确地测量了江苏t 滩港潮濉沉积物通量! ”。存过去的年甲，海洋沉秘物通 最的二角架观测装胃在世界各地被广泛应用，对揭示海底沉积物传输过程起到 了车荚重要的作用“。 蚓】6 1 9 9 6 年拟丁恫金山帕u s b s f i e o p r o b e 二脚架( c a c c h i o n e s t e r n b e r ge la l ， 2 0 0 6 ) 2 ) 光学反射测量法( o p t i c a lb a c k s c a t t e rs e t l s o i s ，o b s ) 把o b s 面向上放置，这样沉积物就会沉积在o r s 表面，随着颗粒聚集量的增 加，o b s 的响应也会增加，即可测得沉积物的沉积吊“。i t i d d 在仪器卜附加了 个自动清洁器，在选择的间隔清除o b s 上面的沉秘物，限o b s 结构如图卜7 。优 点：高时问分辨率和高垂 分辨率、可以长期使用f 长这几个月的时间) 。缺点 是出于传感器表面和周围沉秘物表面的差异性导致沉积物沉积到瞄表面的情 况和实际情况会有所差别。 # f t e r + t ：+ i 测量的海床蚀积过程衄m 】测# 术咒 酗卜7 带有白动清沾刷的0 b s 沉积物测试仪器( t h o m a sn8 】，2 0 0 2 1 2 2 2 测量沉积物海水界面高程变化的方法 1 ) 光电方法 沉积测量杆 e r l ir t g s s o n ( 1 蚴1 年) 研制丁一个沉积测量杆( s e d l m e | e r ) ，是采用红外 l e d 及带红外滤波的光电j 极管构成的光电探测装置如陶1 8 所示o ，该仪器 由传感器及放在密封舱里面的数据采集已录仪构成。如果探杆外部有沉积物阻 隔，就会反射红外光，从而被光电三极管接收。 碾据采集 记录仪 反射探 测毫皇 吲卜8s e d l m e t e r 仪器( e r l ir l g s s o n ，1 9 9 1 ) 光电沉积物陷阱 传统沉积物陷阱的甚阿缺陷足，它们是被动测试系统，不能确定沉积物何酬 沉积。l ，a l l l o u f e u x ( 2 0 0 5 ) 研制了一个采刖发光管阵列和对应的光敏_ _ 三极管阵列 构成的沉积物沉积传感器，却设在。个沉积物采集管两侧测量沉积物的沉积量， 从而确定沉积物通景的仪器陶l 一9 给出了该设备的结构示意陶山。右端的光敏 基于电阻率测量的海床蚀积过程原位监测技术研究 三极管，根据是否接受光照给出不同的电流信号，所有这些电流信号连接在一起 给出一个输出是从0 到最大值之间的一个电流。根据输出信号的大小来判定接受 是否到光照，即没有被沉积物阻隔的光敏三极管的个数，从而确定沉积物的高度 变化。该系统测量沉积物深度的分辨率依赖于转换三极管的个数。 1 | i 冒 钼 蛹 图卜9 沉积物沉积传感器结构图( l a m o u r e u x ，2 0 0 5 ) 光电侵蚀杆( p h o t o e l e c t r o n i ce r o s i o np i n ，p e e p ) 1 9 9 1 年l a w l e r 研制了一个p e e p 系统，自称是第一个半连续一连续记录侵蚀 情况的电子设施。事实上，l a w l e r 的p e e p 系统和e r l i n g s s o n 的s e d i m e t e r 几 乎同时出现乜6 删。p e e p 系统由一列封装在防水透明聚丙烯管中的多个光电单元 构成，这些单元在有光入射时会产生一个小的模拟电压，并输入到数据记录仪以 进行持续不断的监测。另外还有一个参考光电单元，对测得的数据按照环境光照 情况进行归一化处理。应用该仪器，l a w l e r 在1 9 9 2 、1 9 9 4 及1 9 9 7 年，分别在 不同的地区进行了监测试验，期间不断的对该仪器进行改进，2 0 0 8 年产生了 p e e p - 3 t 啦7 瑚例。在原有仪器基础上，添加了一个参考单元，整合t c t ( t h e r m a l c o n s o n a n c et i m i n g ) 概念，实现了夜间的监测，这样就构成了一个日夜连续监 测系统，如图1 - 1 0 所示h ，其光电单元安放位置具有相互重叠区域，可以产生 连续响应。 p e e p 一3 管缝续 首端首端熟敏电阻后端热敏电阻 【6 6 c w 长c ) 1 6l b 匿? 墨壶：= 羔兰三兰釜兰兰童= = 釜= 兰= = 乏7 岛_ 如。+ ? 曩栓 一6 8 一 囊丙烯管 莆端参考单元 后端参考单元 图卜1 0 重新设计的p e e p 一3 t 自动侵蚀淤积监测传感器( l a w i e r ，2 0 0 8 ) 沉积测量杆、光电沉积物陷阱及光电侵蚀杆( 包括p e e p 一3 和p e e p - 3 t ) 这三 第1 0 页共1 4 8 页 基于电阻章测量的海床蚀积过程原位监测技术研究 种方法都是利用光电监测原理，实现海底沉积物侵蚀和淤积的监测。监测系统的 输出都是所有感光器件信号的和，根据这一和信号得到侵蚀淤积情况。在侵蚀发 生时，会引起海水的高浊度，导致水的透光度变差，影响该类型的方法测试数据 的正确性，这是该类方法最大不足。 2 ) 声学方法 采用声纳高度计测量海床平面高度的变化，数据自动记录和存储，结构示意 图如图卜1 l 所示。声学监测仪器在实施监测过程中需要固定在一个距离海床底 面有一定距离的支架上，。该仪器体积小，易于实施测量，但测得参数唯 一。只能在海水以下区域实施测试，如果因为退潮导致仪器露出水面，则无法实 施测试：该仪器测试的垂向范围小，测量准确性不高。 固定杆 凹卜1 l 海床面声学监测系统( a l t u s ) 示意图( b a s s o u l l e t ，h i te ta 1 2 0 0 0 ) 3 ) 电阻率方法 电阻率方法最初主要应用于地质勘探中，通过探测介质深层电阻率来探测矿 藏和地下水等地层资源。一些学者发现电阻率和沉积物的很多参数存在密切关 系，可以采用电阻率方法来测量沉积物的孔隙度、渗透性及含水量、结构因子等 物理参数。 w o n 于1 9 8 7 年首次采用环形电极，实施了现场测试海底沉积物电性探测。将 电板放置在沉积物上的方法是，在一个p v c 、玻璃纤维或者是其它电绝缘体的垂 直探杆上，沿着探杆表面以等间距放置环形电极。这样的探测器可以附在振动取 样器或者是一个常规取样设备上面，在外加重力的帮助下，投入海底。探测器放 好以后，就可以选择任意四个连续的电极构成w e n n e r 配黄进行测量。如果探测 器包吉很多个电极，就可以滚动测量电阻率得到电阻率随深度变化的函数。 基于电阻率渊量舳海床蚀积过程厦位监铡技术研究 w o n 的这种采用环形电极垂直布设在探杆上的方法，可以方便的进行海底电阻率 的探测。w o n 电极探杆典型的直径选择2 l o c m ，典型的电极间距选择为5 3 0 c m 。 四个电极的探测器结构如图卜1 2 所示。 图卜1 2w e n n e r 配制电阻率探测器结构图( w o n 1 9 5 7 ) 1 9 9 2 年，r i d d 采用在w o n ( 1 9 8 7 ) 设计的电极布设方式基础上，进行了海床 侵蚀和沉积作用的测试。r i d d 利用海水和沉积物电阻率的明显差异，把电阻率 方法用于海底沉积物一水界面的测量哪“1 。r i d d 仪器结构如图卜1 3 所示。t h o m a s e ta 1 于2 0 0 2 年又改进了该测试仪器8 “，仪器结构如图卜1 4 所示。 * l2 贝共1 4 8 页 赫零 筚ru 雕牛删艟沲昧蚀积过程原啦：n 测挫术究 年