[发明专利]海底沉积物输运原位测试装置及其使用方法

权利要求书

1.一种海底沉积物输运原位测试装置，其特征在于，包括：

输运通道(1)，所述输运通道(1)设有开口向下的闭合通道，所述输运通道(1)的下端开口用于插入海床沉积物，形成闭合水流通道；

造流装置(2)，所述造流装置(2)设置在所述输送通道上，用于在所述输运通道(1)的闭合通道内形成海底稳定层流，所述造流装置(2)包括造流拨片(21)、潜水电机(22)和转向器(23)，所述造流拨片(21)设置在输运通道(1)的闭合通道内，所述潜水电机(22)设置在闭合通道外并与造流拨片(21)连接，所述潜水电机(22)和造流拨片(21)的连接处设有转向器(23)；

观测单元(3)，所述观测单元(3)设置在所述输运通道(1)的闭合通道内，用于同步测量闭合通道内原位物质参数；以及加强筋支架(4)，所述加强筋支架(4)设置在所述输运通道(1)的上方，用于输运通道(1)的布放和/或回收和/或固定。

2.根据权利要求1所述的海底沉积物输运原位测试装置，其特征在于，还包括导流板(11)，所述导流板(11)设置在输运通道(1)闭合通道的弯道处，所述导流板(11)为弧状。

3.根据权利要求1所述的海底沉积物输运原位测试装置，其特征在于，所述造流拨片(21)设有数个造流片，所述造流片上设有圆孔。

4.根据权利要求1所述的海底沉积物输运原位测试装置，其特征在于，所述观测单元(3)包括用于测量试验段区域内水流流速的流速仪(31)，测量水体悬沙浓度的浊度计(32)，测量侵蚀高度的高度计(33)以及用于测量土层贯入阻力值的微型贯入仪(34)。

5.根据权利要求1所述的海底沉积物输运原位测试装置，其特征在于，还包括取样器(5)，所述取样器(5)设置在输运通道(1)上，并与闭合通道相通。

6.根据权利要求5所述的海底沉积物输运原位测试装置，其特征在于，所述取样器(5)设有注射口，用于向闭合通道内注射盐分或不同类型的污染物。

7.根据权利要求1所述的海底沉积物输运原位测试装置，其特征在于，所述输运通道(1)的材质是不锈钢。

8.根据权利要求1所述的海底沉积物输运原位测试装置，其特征在于，所述输运通道(1)的下端设置为刃型。

9.一种权利要求1所述海底沉积物输运原位测试装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将造流装置(2)和观测单元(3)安装到输运通道(1)上；

B、选取试验位置，将输运通道(1)整体压入海床上，插入深度为0.05～0.1m，静置至沉积物与试验区边界产生缝隙变小消失；

C、造流拨片(21)在潜水电机(22)驱动下开始以第一级转速旋转，水中的沉积物浓度逐渐增加，然后增加直到达到稳定状态，在沉积物浓度达到稳定状态后，控制潜水电机(22)转速，造流拨片(21)的转速增加到下一档，形成下一个更高的应力，重复该过程，制造三到六种不同的应力，观测单元(3)对流场进行数据测量；

D、重复上述步骤B和步骤C至少两次；

E、数据处理。

10.根据权利要求9所述的海底沉积物输运原位测试装置的使用方法，其特征在于，所述步骤E中，包括以下步骤：

E1、测量边界层距离底床h_i处的流速(m/s)：

式中：k是无量纲常数，为0.4，u*是摩阻流速(m/s)；h₀是床底粗糙长度(m)；

E2、对流速u_i(h_i，t)和距底床高度h_i的对数进行线性回归分析，建立线性关系式：

在垂向上沿水深测得不同h_i及其对应的流速u_i(h_i，t)，由可回归分析方法获得a_j，b_j(j＝1，2，3，...分别代表不同转速下的系数)，计算出每级转速下的摩阻流速u_j*和粗糙长度h_oj，其中u_j*＝ka_j，

E3、计算造流滚轮每级转速底部切应力τ_j＝ρ_j(u_j*)²，其中，ρ_j为第j级转速时水样的水流密度，单位kg/m³；

E4、线性回归法求解临界侵蚀切应力τ_cr

利用每j级流速下的浊度和侵蚀切应力，进行线性回归，将回归线与背景浊度线SSC₀的交点表示为这个试验区所对应的临界侵蚀切应力τ_cr。

E5、侵蚀速率计算

侵蚀率的计算公式：

E(t)＝0 τ＜τ_cr

E(t)代表一个时间间隔内的侵蚀率，单位为g/m²·s；SSC为一个时间间隔内水体悬浮颗粒的浊度，单位为g/L；V为水槽中试验区水的体积，单位为m³，S为水槽的底面积，单位为m²，t为一个时间间隔。

E6、建立侵蚀切应力与贯入强度关系

测量贯入阻力，横坐标为F，代表每一级转速的贯入阻力，纵坐标为侵蚀切应力τ_j，将各F_i，τ_j带入，建立线性关系：τ＝cF+d，其中c、d为常数。