海床溫度對區(qū)域海底滑坡災(zāi)害后果的影響分析

中圖分類號：TU42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）23-0006-05

Abstract：Thispaper aims to studytheimpactof seabed temperature changes onthe consequencesof submarine landslides， andprovidetheoreticalsupportfortheformulationanddecision-makingofmarineengineringsiteselection，infrastructure planninganddesign，andmarineengineringgeologicaldisasterpreventionandcontrolmeasures.Basedontheregional-scale submarinelandslidemotionpredictionmodelandtherheologicaltestdataoftheslidematerialtakenfromthenorthernslopeof the SouthChina Sea，theimpactrange，impactspeedandother disasterconsequences indicatorsof submarine landslides with the samematerialsandinitialontionsunderdfrenttmperatureconitionsarequantiativelyvaluated，andtheinfluencelawsof temperaturechangesontheimpactrangeandspedoftheslidebodyareanalyzed.Theresearchresultsshowthatasthe temperatureincreases，theimpactrangeofthesubmarinelandslideincreasessignfcantly；theimpactthicknessandspeedof the slidingbodyatthesamepositionaresignificantlydferentatdiferenttemperatures，butnomonotonicrelationshipisobserved; ignoringtheimpactofchangesintheseabedtemperaturewillreducetheaccuracyoftheimpactrangeandimpactstrength assessmentresultsoftheslidingbody，resultinginunreliableriskprediction.Themethodinthispapercanalsoquantitatively assessthe disasterconsequencesof seabedtemperaturechangesonpotential seabedlandslidesinotherseaareas，andisof great significance to the planning and design of practical projects and disaster prevention and control.

Keywords：regional geological disaster;submarine landslide;impact range; impact speed;seabed temperature

海底滑坡是由自然或人類活動(dòng)誘發(fā)的海床土體順坡向下運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象I。海底滑坡觸發(fā)后，滑體可能以超過 15m/s 的最大速度沿坡度小于 3^° 的區(qū)域運(yùn)動(dòng)數(shù)百千米[2-4]。海底滑坡沖擊速度高、范圍大的特征使其成為海底電纜、海底管線、海洋平臺和海底錨固基礎(chǔ)等海洋工程基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵危險(xiǎn)因素[5-7]。對海底滑坡的災(zāi)害后果（如滑體沖擊范圍、沖擊速度）進(jìn)行量化分析是滑坡災(zāi)害分級和危險(xiǎn)區(qū)域研判的基礎(chǔ)，對電力、能源、通信等海洋基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要意義。

神狐海域位于中國南海北部陸坡中部。地質(zhì)調(diào)查顯示神狐海域擁有天然氣水合物的積儲優(yōu)勢條件8]。2007至2016年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局陸續(xù)在此開展了3個(gè)航次水合物鉆探，確認(rèn)了該區(qū)域的能源開采潛力[9-11]。2017年和2020年，中國地質(zhì)調(diào)查局在此開展了2次試驗(yàn)性開采，創(chuàng)造了多項(xiàng)新的世界紀(jì)錄[12-13]。神狐海域已被列為水合物重點(diǎn)開發(fā)區(qū)[10]。然而，此區(qū)域地形坡度變化較大，潛在海底滑坡較為發(fā)育[9.14。為了實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害分級和危險(xiǎn)區(qū)域研判，為相關(guān)海洋能源工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)和災(zāi)害防控提供依據(jù)，有必要對神狐海域的海底滑坡災(zāi)害后果進(jìn)行分析。

之前的研究分析了神狐海域的海底滑坡潛在運(yùn)動(dòng)場景，研究了滑坡初始位置、周圍流體參數(shù)和滑體強(qiáng)度對滑坡災(zāi)害后果的影響，分析了多個(gè)滑坡同時(shí)觸發(fā)的極端災(zāi)害場景[15-16]。然而，工程擾動(dòng)和氣候變化等可能的原因?qū)е碌暮４矞囟茸兓瘜ι窈Ｓ蚝５谆聻?zāi)害后果的研究尚未開展。因此，本文采用海底滑坡運(yùn)動(dòng)預(yù)測模型，結(jié)合基于南海北部陸坡原狀樣開展的不同溫度下的海底泥流流變試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析海床溫度變化對神狐海域海底滑坡的滑體沖擊范圍、沖擊速度等災(zāi)害后果的影響。

1區(qū)域海底滑坡運(yùn)動(dòng)預(yù)測模型

區(qū)域尺度海底滑坡運(yùn)動(dòng)的預(yù)測是海洋地質(zhì)災(zāi)害的研究熱點(diǎn)之一，已有較多學(xué)者從不同角度提出可用于區(qū)域尺度分析的海底滑坡運(yùn)動(dòng)預(yù)測模型[16-20]。本文采用作者提出的區(qū)域海底滑坡運(yùn)動(dòng)預(yù)測模型[分析區(qū)域尺度海底滑坡的滑體沖擊范圍、沖擊速度等災(zāi)害后果。該模型已經(jīng)驗(yàn)證，因此本文僅做如下簡單介紹。

將滑體簡化為重力驅(qū)動(dòng)的由土顆粒和流體組成的單相混合物。采用流變模型描述滑體的流變特性。常用的流變模型包括冪律模型（Power-lawmodel）賓漢姆模型（Binghammodel）及赫謝爾-巴爾克萊模型（Herschel-Bulkleymodel，H-B模型）。其中，賓漢姆模型可視為H-B模型的一個(gè)特例[2]。Zakeri等@通過流變試驗(yàn)研究了冪律模型和H-B模型模擬海底滑坡材料的差異。結(jié)果表明，當(dāng)剪切速率高于 3s^-1 時(shí)，冪律模型和H-B模型均能較好地?cái)M合流變試驗(yàn)數(shù)據(jù)；當(dāng)剪切速率更低時(shí)，H-B模型擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的效果更好。因此，在海底滑坡運(yùn)動(dòng)行為的研究中，一般采用H-B模型描述滑體的流變特性[17，19，22-23]

式中： τ 為滑體內(nèi)部的剪應(yīng)力， τ_y 為滑體材料屈服強(qiáng)度， γ 為滑體的剪切速率， n 和 K 分別為流變指數(shù)和稠度系數(shù) （n∈（0，1]，Kgt;0） 。

控制滑體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒方程分別為

式中： h 為滑體厚度， Ψ_tΨ_t 為時(shí)間， u 為滑體運(yùn)動(dòng)速度， x 為與基底正切的坐標(biāo)軸， C_M 為質(zhì)量附加系數(shù)， ?ρ_d 和 ρ_f 分別為滑體與周圍流體的密度， g 和 θ 分別為重力加速度和坡角。 τ_f、σ_p 和 τ_b 分別為滑體所受的來自周圍流體的摩擦拖曳力和推滯阻力，以及滑體底部所受的來自滑床的摩擦阻力，分別可用下式求解

式中： C_F 為摩擦拖曳力系數(shù)， C_P 為推滯阻力系數(shù)。 ξ 為取值在0到1之間的系數(shù)，可通過式（7）求解[。對于

大尺度海底滑坡而言，摩擦拖曳力系數(shù) C_F 和推滯阻力系數(shù) C_P 的取值通常分別在0.01和1左右7]。

利用有限差分法求解運(yùn)動(dòng)控制方程（式（2）和（3）），從而獲得分析域內(nèi)滑體的實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)厚度的空間分布。詳細(xì)的求解方法和過程可參考文獻(xiàn)[16]。

2 研究區(qū)域和分析設(shè)定

采用文獻(xiàn)[24]中神狐海域的水合物調(diào)查區(qū)地形凹陷區(qū)域作為研究區(qū)域。提取該區(qū)的水深數(shù)據(jù)9.25并轉(zhuǎn)換為數(shù)字高程模型，分辨率為 20m×20m ，如圖1所示。研究區(qū)面積為 21.46km² ，平均坡度為 5.66^° 。研究區(qū)作為滑體運(yùn)動(dòng)的分析域，被劃分為54522個(gè)方形柵格，每個(gè)柵格尺寸為 20m×20m 。

采用4個(gè)案例，Case1至Case4，分析溫度對海底滑坡災(zāi)害后果的影響。4個(gè)案例的滑體的初始位置均處于圖1灰色橢圓標(biāo)記區(qū)域，初始滑體厚度均為 10m 總體積均為 1.424×10⁶m³ 。表1為各案例滑體的流變參數(shù)，表中各案例的流變數(shù)據(jù)是Guo等[26-27模擬南海北部陸坡海床土體，基于相同材料成分的滑體在不同溫度下的流變試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)擬合出的滑體流變參數(shù)，擬合度 R² 均不低于 0.98 。4個(gè)案例中，滑體密度均為1468kg/m³ ，周圍流體密度均取 1000kg/m³ ，質(zhì)量附加系數(shù) C_M 摩擦拖電力系數(shù) C_F 、推滯阻力系數(shù) C_P 均分別取為 0.001，0.003，0.14 ，滑體初始速度均為0，重力加速度均取 9.80m/s² ，運(yùn)動(dòng)分析時(shí)間步均取0.01s以平衡計(jì)算效率和計(jì)算穩(wěn)定性[16-19]

圖1研究區(qū)域

表1各案例的流變參數(shù)

注：數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[26]。

3結(jié)果

圖2展示了各案例滑體的沖擊范圍和運(yùn)動(dòng)全過程中各滑體最大沖擊厚度的空間分布。如圖2所示，由于部分滑體會在運(yùn)動(dòng)過程中沉積，最大沖擊厚度隨著運(yùn)動(dòng)距離的增大而減小。這意味著滑體對基礎(chǔ)設(shè)施的破壞力隨著運(yùn)動(dòng)距離的增大而減小，因此海洋工程的規(guī)劃選址應(yīng)優(yōu)先考慮遠(yuǎn)離存在海底滑坡可能的區(qū)域。此外，隨著溫度升高，滑體沖擊區(qū)域面積逐漸增加。溫度為 0.5°C 時(shí)，滑體沖擊區(qū)域面積為2.208km² ，若溫度升至 12^°C ，沖擊區(qū)域面積增至2.318km² 。因此，海床溫度變化對潛在滑體的沖擊范圍具有顯著影響。

圖3和圖4為各案例中，監(jiān)測點(diǎn)M和N處滑體厚度和沖擊速度的時(shí)變曲線，反映了不同溫度的滑體運(yùn)動(dòng)過程中對測點(diǎn)位置的沖擊強(qiáng)度。如圖3和圖4所示，各案例在M和N處的滑體厚度和沖擊速度均差異明顯，說明不同溫度的滑體對同一位置的沖擊強(qiáng)度存在顯著差異。圖3和圖4中溫度與滑體厚度和沖擊速度并無單調(diào)關(guān)系，這是因?yàn)榛w運(yùn)動(dòng)過程受地形和周圍流體影響較大，存在顯著的非線性。因此，海床溫度變化情況下潛在滑體對同一位置的沖擊強(qiáng)度具有顯著影響。忽略海床溫度變化將增加滑體沖擊范圍、沖擊強(qiáng)度評估的不確定性，導(dǎo)致不可靠的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判，產(chǎn)生不安全的海洋工程規(guī)劃設(shè)計(jì)。實(shí)際工程中，建議結(jié)合各類勘察數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確評估滑體沖擊范圍和沖擊強(qiáng)度，從而對研究區(qū)風(fēng)險(xiǎn)級別進(jìn)行分級預(yù)判。此外，若需在特定位置布設(shè)海底電纜、通信線路、海洋平臺等基礎(chǔ)設(shè)施，建議根據(jù)滑體沖擊范圍和沖擊強(qiáng)度的定量分析結(jié)果，對設(shè)施自身的結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2溫度對滑體運(yùn)動(dòng)行為的影響

圖3溫度對監(jiān)測點(diǎn)M處滑體厚度和沖擊速度的影響

圖4溫度對監(jiān)測點(diǎn)N處滑體厚度和沖擊速度的影響

4結(jié)論

本文結(jié)合海底滑坡運(yùn)動(dòng)預(yù)測模型和滑體材料流變試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)研究了海床溫度變化對神狐海域海底滑坡災(zāi)害后果的影響，定量評估了不同溫度條件下海底滑坡的滑體沖擊范圍，以及不同溫度下海底滑坡對同一位置的沖擊厚度和速度。研究結(jié)果表明，海底滑坡的沖擊范圍隨著溫度的升高而增加。海床溫度顯著影響滑體對同一位置的沖擊強(qiáng)度（滑體厚度和沖擊速度），且存在明顯的非線性。忽略海床溫度變化將降低滑體沖擊范圍、沖擊強(qiáng)度評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致不可靠的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判，從而可能引發(fā)不安全的工程設(shè)計(jì)。利用本文的方法和思路也可定量分析海床溫度變化對其他海域潛在海底滑坡的災(zāi)害后果，對海洋工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和區(qū)域海底地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控具有重要意義。

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