生物活动对黄河口底土渗流特性的影响研究
海底土中有着数量丰富的软体动物、多毛类、甲壳类等底栖动物群落。生物扰动沉积土层和底栖动物的摄食、建管、筑穴等活动对沉积物的成分、结构、物理力学性质、水理性质都产生了影响，改变了波浪荷载作用效应，导致了沉积物渗流场和应力场的变化，而波浪作用下海底土渗流场的改变是引起海洋工程破坏的重要原因，因此有必要研究生物作用对海底土渗流场的影响。由于从海床动力响应的角度来研究生物扰动对沉积物性质的改造，国内是首次，国外的研究也处于开始阶段，需要大量的基础研究。
本论文的研究工作包括：首先，(一)从大范围的现代黄河口地区，全面分析了影响海底土渗流的因素；(二)对沿岸具有代表性的四个研究点20m深度柱状样，1000多个样品的土颗粒组成，物理性质、渗透系数、矿物成分和多孔介质的微结构特征进行了分析；(三)对沿岸10个站位35个采样点的底栖动物群落特征和底栖动物对潮滩微地貌及有机质含量的相互影响进行了研究；然后，选择了黄河口废弃钓口流路潮间带作为典型研究区进行了一系列，全面、深入的底栖动物活动和波浪对海底土渗流特性的影响研究；如：①用高密度电法测量了底栖动物扰动程度不同土体的电阻率的变化，并用饱和盐水示踪了电阻率变化过程，探讨了底栖动物扰动海底土的渗流模式：②实测了一个潮周期常规波浪引起土体超静孔隙水压力的累积导致渗流的变化，用有效应力原理分析了静态波浪作用下海底土渗流的各种应力分布；③在实验室用圆柱筒模拟了不同波压力作用下生物扰动海底土与无生物扰动海底土孔隙水压力累积的变化；④利用岩土破损力学建立了土体微结构的二元介质模型，用有效应力原理分析了渗流液化过程中结构带土体破坏的机理，解释了渗流从下层携带细颗粒土到潮滩表层的机理。⑤用有限元数值模型，分层模拟了底栖动物扰动土层对波浪响应的孔隙水压力累积及应力场的变化。
得出以下主要研究结论：
(1)现代黄河口潮滩是低渗透性土体。在波浪的作用下，海底土中超静孔隙水压力的累积使地下水的垂直流动速度比水平流动速度大2-3个数量级不等。说明潮间带表层地下水的渗流受气象、地形、地质的影响要小于受水动力因素的影响，表层地下水的渗流以垂直方向为主。(2)调查黄河口沿岸潮间带底栖动物群落的结构，表明潮间带底栖动物有55种，主要是多毛类、软体动物和甲壳类，种类呈高潮滩向低潮滩增多的趋势。
(3)底栖动物群落特征说明淤积岸段比冲刷岸段有利于底栖动物结构的稳定性和生物多样性的发展，而底栖动物群落特征与沉积物的沉积年代相关性不大。
(4)黄河口海底土的电性表明电阻率的变化是由土的孔隙比决定的，因此可以用高密度电法反映生物扰动的状况，研究表明沉积摄食性底内大型动物活动形成的洞穴和管道在潮滩表层形成了优势流通道；生物扰动使土层更均匀，有序。
(5)生物扰动增加了土层的渗透性，减小了土体孔隙水压力的累积，这一点室内模拟试验已证实了。
(6)底栖动物活动带来的真假粪球堆积和冒细粒土的小土丘使滩面颗粒的组成细化，生物扰动又使沉积物含水量通常超过50％，甚至更高，风驱动的波浪和潮流很容易导致生物扰动区沉积物的再悬浮而带走。如果滩面上生物排出的细粒土每天都被波浪和潮流带走。底栖动物扰动每年将会增加滩面侵蚀达7cm。
(7)底栖动物活动和水动力条件都改变了土体的强度。而且导致变化的原因和结果相似，表明生物活动增加了水动力耦合的底栖效应，支持了底栖动物活动增加了滩面侵蚀能力的观点。
(8)潮滩上广泛发育的表层淤泥，微细层理及铁板砂，可能与渗流和生物活动的后期改造有关，研究表明生物洞穴和管道是渗流携带细颗粒土的优势通道。周围土体长期一致的行为，可能导致土体出现层化现象，导致某一深度处土体的细颗粒土减少，土体强度增强，形成硬壳层。
(9)生物扰动海底土渗流的有限元模型模拟表明：生物扰动土层对各种应力的影响要大于对孔隙水压力的影响，海底土的饱和度变化对生物扰动土层的孔隙7k压力和各种应力的影响较大。
底栖动物群落;高密度电法;流固耦合;动力响应
中国海洋大学
博士
海洋地质
杨作升
2006
中文
S963.215;P641.2
175
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）