關(guān)鍵詞 深水水道；沉積動(dòng)力學(xué)；沉積過程；油氣勘探

0 引言

深水水道是海底長條狀的凹形地貌特征，這些地貌特征廣泛存在于世界上所有的大陸邊緣[1?3]，世界各地都有深水水道體系發(fā)育（圖1）[1]，橫截剖面上呈現(xiàn)出“U”形和“V”形兩種形態(tài)[4]。深水水道系統(tǒng)形成了地球上最主要的沉積物輸送系統(tǒng)，是沉積物向深海運(yùn)移的主要通道[5?6]，由含砂濁流和其他富沉積物重力流形成[7?9]。濁流是沉積物被輸送到深海的主要過程。單次的濁流事件能夠輸送100 km3的沉積物，超過全球河流年流通量的10倍[10?12]，由連續(xù)的濁流沉積形成的海底水道可以延伸1 000 km[13]。在104到106年的時(shí)間尺度上，其最終沉積物形成了世界上最大的沉積地貌——海底扇，其體積高達(dá)數(shù)百萬立方千米[14?15]。水道充填物能夠記錄氣候變化和古海洋學(xué)等信息[16]，同時(shí)可作為良好的油氣儲(chǔ)層，在過去幾十年里，世界各地均發(fā)現(xiàn)了具有相當(dāng)經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略重要性的油氣藏[17?18]。此外，濁流的速度可達(dá)20 m/s[19]，可能破壞海底基礎(chǔ)設(shè)施，如常規(guī)的光纖電纜、石油和天然氣井口、管道和立管等，造成重大的地質(zhì)災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失[16，20]。因此，深水水道已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)[3]。深水水道的研究成果主要通過如下幾種手段獲得：（1）直接觀測，可以揭示水道中濁流動(dòng)力學(xué)參數(shù)（例如，流速、濃度、結(jié)構(gòu)、粒度等）、搬運(yùn)過程及其之間的聯(lián)系，但整個(gè)流場的測量數(shù)據(jù)仍然難以獲得[21?23]；（2）地震、巖心和露頭研究，有利于查明地層和巖性等，但很難解釋侵蝕作用和時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)變化[3，24?25]；（3）物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，促進(jìn)深水水道沉積過程和流體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，但是物理實(shí)驗(yàn)存在尺度問題，數(shù)值模型缺乏對(duì)全尺寸現(xiàn)場數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[3，26]。

近幾十年來，隨著古氣候、古生物、海洋地質(zhì)災(zāi)害、深海能源和深海沉積動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展，學(xué)者們對(duì)深水沉積環(huán)境和沉積過程研究的關(guān)注度越來越高[27]，深水水道因其連接了陸源區(qū)與深水環(huán)境，成為深水沉積體系和沉積過程研究的有利場所。揭示深水水道時(shí)間尺度的沉積侵蝕過程對(duì)于探究深水水道如何有效地將陸源物質(zhì)搬運(yùn)到深海并在埋藏期間將其隔離，對(duì)油氣勘探至關(guān)重要[28?29]。查明深水水道的沉積顆粒的搬運(yùn)，有利于闡明不同沉積時(shí)期的氣候變化、古海洋學(xué)和古環(huán)境[30?32]。因此，急需深入研究深水水道內(nèi)濁流沉積過程和流體機(jī)制，以揭示不同流體結(jié)構(gòu)作用下沉積物分布和充填特征，達(dá)到預(yù)測深水油氣儲(chǔ)層的目的。近年來，物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬在深水水道沉積水動(dòng)力機(jī)制方面貢獻(xiàn)突出。然而，相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究主要集中在流體機(jī)制的理論研究方面，對(duì)實(shí)際地形地貌的深水水道內(nèi)部沉積水動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究不足。本文系統(tǒng)回顧了國內(nèi)外深水水道沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究進(jìn)展，從深水水道內(nèi)流體性質(zhì)、沉積充填特征和深水水道動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究方法等多個(gè)維度進(jìn)行歸納總結(jié)，進(jìn)一步提煉出對(duì)深水水道沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究的啟示意義，達(dá)到更好地預(yù)測深水沉積儲(chǔ)層分布，服務(wù)于深水油氣勘探的目的。

1 深水水道中的流體性質(zhì)

1.1 重力流分類標(biāo)準(zhǔn)

深水水道主要由重力流和含顆粒濁流形成[7?9]。重力流在不同的研究領(lǐng)域的側(cè)重點(diǎn)的差異，導(dǎo)致該概念的名稱和分類標(biāo)準(zhǔn)存在差異[33]。在地質(zhì)學(xué)和泥沙動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，重力流通常被稱為沉積物重力流，該概念由Middleton et al.[34]提出，經(jīng)過Shanmugam[35]完善后形成了被廣泛接受的分類方式，包括根據(jù)力學(xué)特征分為彈性代表的巖崩，彈性和塑性特征代表的滑動(dòng)和滑塌，塑性特性代表的碎屑流和黏性流體代表的濁流；根據(jù)沉積物支撐機(jī)制分為顆粒之間相互作用為主的顆粒流，顆粒間流體向上流動(dòng)的流化沉積物流，基質(zhì)支撐的碎屑流和流體湍流作用的濁流。在水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，認(rèn)為廣義的密度流與重力流的概念含義相同，是由流體之間的密度差驅(qū)動(dòng)的。密度的差異是由于顆粒濃度、鹽度或溫度的不同而造成。重力流包含了一系列廣泛的自然現(xiàn)象，包括沙漠中的沙塵暴[36]，大氣中的推進(jìn)冷鋒[37?38]，海洋中的溫鹽洋流[39?40]，火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山碎屑流[41?42]，山區(qū)的雪崩[43]，河口交換流[44]和深海濁流[3，14]等。

濁流是一種特殊的重力流，Kuenen et al.[45]將其描述為“沉積物負(fù)載的重力流，其中沉積物顆粒由于湍流作用而懸浮”。Middleton[46]提出，濁流實(shí)際上不是由重力驅(qū)動(dòng)的，而是顆粒驅(qū)動(dòng)的，盡管顆粒受重力作用而運(yùn)動(dòng)，這些顆粒的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)了間隙的懸浮流體[34]。但是這一觀點(diǎn)沒有闡明湍流流體和懸浮顆粒之間的關(guān)系。

在較高的泥沙濃度下，如近飽和的泥石流、泥漿和滑坡，顆粒的運(yùn)動(dòng)在重力流的演變中發(fā)揮更大的作用。Mulder et al.[33]提出使用Bagnold極限作為濁流的上限值，即以9%的泥沙體積濃度作為濁流完全紊流的最大濃度[47]?！案呙芏葷崃鳌币辉~曾被用于描述高于這一閾值的流動(dòng)[48?50]，但Mulder et al.[33]認(rèn)為，高密度或高濃度不適用于濁流，因?yàn)樗鼈円馕吨送牧髦猓€有其他重要因素使顆粒保持懸浮。如此高濃度流體的存在甚至受到了學(xué)者們的質(zhì)疑[51]，因?yàn)橛捎陬w粒的沉降作用，它們的壽命將非常短，這些流體很可能轉(zhuǎn)化為低濃度的濁流[52]。上述研究存在的問題是，當(dāng)流體內(nèi)存在較大的垂直密度變化時(shí)，以整體密度來表征流體動(dòng)力學(xué)特性會(huì)具有較大的誤差。因此，根據(jù)分層的程度不同，整體密度相似的流體可能在性質(zhì)上存在較大的差異。

Bagnold[47]將流體通過湍流保持顆粒長時(shí)間懸浮的特征稱為自動(dòng)懸?。ˋutosuspension）。Bagnold[47]通過考慮流體的能量平衡，推導(dǎo)出一種基于流體能量自懸浮的判別依據(jù)：

式中：eX是一個(gè)效率因子，表示消耗的能量與基底應(yīng)力的比例，基底應(yīng)力也有助于顆粒懸浮。盡管對(duì)自動(dòng)懸浮理論的這種處理對(duì)表征流動(dòng)是有用的，它將流體的湍流與隨后的顆粒運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來，但它將復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行了過度簡化。

1.2 流動(dòng)特性

流體動(dòng)力學(xué)特性相關(guān)的無量綱數(shù)可以應(yīng)用于重力流流動(dòng)的描述和分類（表1）。為實(shí)驗(yàn)室與自然界流動(dòng)的研究提供了一種縮放機(jī)制，通過它們可以比較不同尺度的流體。首先介紹雷諾數(shù)，它是慣性力與黏性力的比值，即：

式中：U 為深度平均速度（m/s），h 為流體高度（m），ν為運(yùn)動(dòng)黏度（m2/s）。雷諾數(shù)通常被用作湍流狀態(tài)的指標(biāo)。一般重力流的雷諾數(shù)Relt;2 000為層流狀態(tài)，Regt;4 000 為紊流狀態(tài)，Re=2 000～4 000 為過渡狀態(tài)[54]。流體厚度的定義方法存在爭論，最常用的是由Ellison et al.[55]定義的，即：

式中：u 為時(shí)均速度（m/s），z 為垂直方向。x、y 和z 分別代表順流方向、橫流方向和垂直方向，對(duì)應(yīng)的速度是u、v 和w。此外，對(duì)分層流最重要的無量綱弗勞德數(shù)（Fr）也被廣泛使用，

式中：g' = g （ ρˉ - ρf ）/ρf，g'為有效重力（m/s2），ρˉ為深度平均密度（kg/m3）。它是慣性力與浮力的比率，因此可以作為流動(dòng)穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)，因?yàn)閼T性力（剪切）是不穩(wěn)定的，而浮力（垂直分層）是穩(wěn)定的。

根據(jù)弗勞德數(shù)流體可以被劃分為亞臨界流（Frlt;1）或超臨界流（Frgt;1）[55]。Huang et al.[56]提出該臨界值可以不是1，甚至是不存在的。然而，流經(jīng)該臨界點(diǎn)的水流會(huì)經(jīng)歷一次水躍。這種現(xiàn)象已經(jīng)在博斯普魯斯海峽的海流中被觀察到[57]，表明流動(dòng)狀態(tài)和臨界弗勞德數(shù)必定存在。

1.3 重力流形態(tài)特征

重力流主要通過開閘式和連續(xù)入流兩種方式在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生[59]。開閘式重力流實(shí)驗(yàn)是通過打開一個(gè)閘門，將有限體積的相對(duì)密度較大的流體釋放到周圍的環(huán)境流體中。這類似于突發(fā)性事件，如地震產(chǎn)生的滑坡[54]。連續(xù)入流實(shí)驗(yàn)為使用連續(xù)進(jìn)口泵向水槽中輸入密度較大的流體，這類似于在深水水道中觀察到的持續(xù)時(shí)間較長的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流[57，60?63]。通過兩種生成方法產(chǎn)生的流體的形態(tài)均顯示出典型的重力流“主體和頭部”區(qū)域，頭部通常比主體厚（表2、圖2）。同時(shí)，開閘式實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的重力流受頭部的影響更大[65]。

1.3.1 重力流頭部

重力流的頭部是高度湍流的，由流體和周圍環(huán)境流體的密度不同造成的壓力差驅(qū)動(dòng)。對(duì)于水平移動(dòng)的流體，頭部保持準(zhǔn)穩(wěn)定，但對(duì)于斜坡重力流，頭部的相對(duì)大小隨著角度的增加而增加[66]。因?yàn)樵诮嵌龋╨t;3°）較低時(shí)，壓力起主導(dǎo)作用[67]。然而，重力流主體部分的速度與坡度有關(guān)，可以比頭部快30%～40%[68?69]，隨著坡度的增加，頭部不斷卷吸周圍流體得到補(bǔ)充而增大。由于頭部湍流程度高，表現(xiàn)為強(qiáng)混合區(qū)域。這種混合是由兩相流體之間的不穩(wěn)定性造成的。這些不穩(wěn)定性以卷浪或波瓣和裂溝的形式出現(xiàn)，卷浪發(fā)生在頭部的頂部和后面的尾流中，是兩種流體之間剪切的結(jié)果。這些卷浪被稱為Kelvin-Helmoltz （K-H）不穩(wěn)定性，發(fā)生在許多其他剪切流中，例如大氣中云的運(yùn)動(dòng)和木星的紅斑。強(qiáng)混合導(dǎo)致了較高的卷吸，因此頭部的厚度通常是后面主體部分的兩倍[66]。也有人認(rèn)為，它是水流侵蝕的一個(gè)重要因素，因此是沉積學(xué)家考慮的一個(gè)重要因素[26，46，70]。

1.3.2 重力流主體

雖然流體的頭部是高度瞬變和不穩(wěn)定的，但是主體部分在本質(zhì)上是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的（表2）。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)指它仍然受波動(dòng)和不穩(wěn)定的影響，但考慮一段時(shí)間的平均值時(shí)，表現(xiàn)出均勻的特征。K-H不穩(wěn)定是頭部的一個(gè)典型特征，但在流體的主體部分是不一定存在的。

該指標(biāo)指示了流體分層的局部穩(wěn)定性[54]。它是垂直方向上由湍流引起的浮力和剪切力的比值。通常認(rèn)為，對(duì)于Riglt;0.25，分層是不穩(wěn)定的。K-H不穩(wěn)定性是濁流卷吸的主要形式，也是產(chǎn)生剪切的主要阻力源。通過數(shù)值模擬表明當(dāng)上部區(qū)域滿足Riggt;0.25時(shí)，K-H不穩(wěn)定性不存在[71]。Kneller et al.[71]認(rèn)為許多低梯度的流體都符合這一標(biāo)準(zhǔn)，這解釋了濁流的長距離搬運(yùn)。

1.4 重力流內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.4.1 速度和密度結(jié)構(gòu)

重力流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于進(jìn)一步理解其動(dòng)力學(xué)特性至關(guān)重要，它為濁流如何沿著海底水道長距離搬運(yùn)提供了依據(jù)。Stacey et al.[72]首先從理論角度詳細(xì)研究了重力流的垂直結(jié)構(gòu)，并與Ellison et al. [55]早期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。重力流的速度和密度分布展示了其主要特征（表2）。形成陸上河流和海底濁流系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)之間存在著根本性的差異。河流和海底濁流的流速和密度垂直分布非常不同，因?yàn)闈崃鞯那邢蛩俣韧ǔＴ诹髁康南氯种惶庍_(dá)到最大值，而河流的切向速度的最大值在頂部附近（圖2b，c）[73]?？刂浦亓︱?qū)動(dòng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)涉及更多方面[74?75]。速度最大值出現(xiàn)在底面以上的高度，這是由上下邊界剪切力和拖曳力的比值決定的[67]。這個(gè)高度通常是流體厚度的0.2～0.3[69]。

以最大速度的高度劃分了內(nèi)部和外部區(qū)域的流動(dòng)（表2、圖2a）。內(nèi)部區(qū)域的特性與具有正速度梯度和近壁效應(yīng)的明渠流和湍流邊界層相似。外層主要受周圍流體剪切的影響，具有負(fù)的速度梯度。如果不存在K-H不穩(wěn)定性，且隨后流動(dòng)的阻力小得多，則最大速度所在位置可能顯著增高[71]。值得注意的是，以上涉及的實(shí)驗(yàn)室模型沒有按比例縮放[64]。

重力流的分層性質(zhì)引起了垂直密度梯度。密度剖面可分為兩類：階梯狀的雙層剖面或平滑的連續(xù)剖面（圖2c）[51，64，73]。后者是實(shí)驗(yàn)室觀察到的低濃度含鹽水流的特征[76]。然而，觀測到進(jìn)入黑海的鹽水流具有明顯的階梯狀輪廓[77]。

1.4.2 湍流結(jié)構(gòu)

在速度和密度確定后，可以計(jì)算重力流的湍流強(qiáng)度，常用來揭示重力流與環(huán)境流體的混合情況。Kneller et al.[68?69]首先用激光多普勒風(fēng)速儀對(duì)重力流的湍流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。隨后Buckee et al.[78]驗(yàn)證了這一理論，Islam et al.[79]以及Cossu et al.[80]使用現(xiàn)代聲學(xué)多普勒測速技術(shù)重新研究了這一理論。研究結(jié)果闡明平均流場的波動(dòng)至關(guān)重要，其大小決定了湍流強(qiáng)度。Islam et al.[79]以及Cossu et al.[80]認(rèn)為鹽水流和濁流的湍流結(jié)構(gòu)沒有明顯的差別。接近速度最大值的湍流強(qiáng)度較低，而在靠近壁面的內(nèi)部區(qū)域和在剪切層的外部區(qū)域湍流強(qiáng)度較高。這個(gè)低湍流強(qiáng)度的區(qū)域被認(rèn)為阻止了內(nèi)部和外部區(qū)域之間的物質(zhì)傳輸，被稱為慢擴(kuò)散區(qū)（SDZ）[73，78]。

剪切和浮力是產(chǎn)生低湍流區(qū)域的原因。由于剪切生產(chǎn)的湍流。

式中：u'是脈動(dòng)速度（m/s）。而由于浮力產(chǎn)生的湍流，取決于雷諾應(yīng)力和速度梯度。

式中：ρ'是密度的脈動(dòng)值（kg/m3），w'是z方向的速度脈沖（m/s）。Buckee et al.[78]在早期的研究中只考慮垂直方向，忽略了橫流項(xiàng)（即剪切僅使用u'w'項(xiàng)計(jì)算）。Islam et al.[79]使用3D技術(shù)顯示，湍流強(qiáng)度在橫流方向大于垂直方向，因此橫流項(xiàng)應(yīng)該包含在任何湍流計(jì)算中。

2 深水水道的沉積機(jī)制

2.1 深水水道中的沉積物搬運(yùn)

2.1.1 沉積物搬運(yùn)閾值

沉積物搬運(yùn)時(shí)，流體的速度必須足夠高，這樣剪切應(yīng)力（τ）才能超過底層臨界剪切應(yīng)力（τc）推動(dòng)泥沙的運(yùn)動(dòng)，即剪切力必須克服限制顆粒運(yùn)動(dòng)的慣性和摩擦力。顆粒開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的剪應(yīng)力稱為臨界剪應(yīng)力[81]，顆粒開始運(yùn)動(dòng)的臨界條件為：τ=τc。

Hjulstrom 圖通過量化了不同粒徑沉積物顆粒運(yùn)動(dòng)所需的臨界流速[82]，表明大顆粒的搬運(yùn)需要較大的流速，如果流速低于輸沙的臨界閾值，則由于流體不具備維持輸沙的能力而發(fā)生沉積（圖3）。Hjulstrom 圖的一個(gè)根本缺點(diǎn)是它沒有考慮流體深度、顆粒密度或形狀，使得濁流迅速失去其全部的顆粒負(fù)荷。

Shields參數(shù)（θ）[83]通過考慮顆粒大小和密度的影響，改進(jìn)了顆粒搬運(yùn)臨界條件的相關(guān)的預(yù)測。這種方法考慮了水流施加在河床上的剪切力與維持顆粒在水中的自重的比值：

式中：d50為沉積物中值粒度（mm）。沉積物搬運(yùn)方式如圖4，揭示了臨界剪切應(yīng)力（或臨界希爾茲數(shù)）與顆粒雷諾數(shù)（Red=τd /v）的函數(shù)。顆粒雷諾數(shù)是一個(gè)雷諾尺度，對(duì)床層附近的顆粒懸浮具有重要意義。它描述了泥沙表面的粗糙度，決定了邊界處的水流是平滑的（由黏性力主導(dǎo)）還是粗糙的（由湍流力主導(dǎo)）[26]。如果邊界是平滑的，較薄的層流會(huì)保護(hù)床層，沉降到這一近床層邊界層的顆粒將不再與懸浮的湍流結(jié)構(gòu)相互作用，并可繼續(xù)沉積。在過渡區(qū)，湍流旋渦與床層之間存在相互作用，則黏性力也起著重要作用。無論是在邊界層還是在懸浮液中，水道實(shí)驗(yàn)的初始階段依賴于紊流—泥沙的相互作用，因此必須滿足Shields的約束。Shields的模型尺寸縮放方法反映了流動(dòng)動(dòng)力學(xué)的弗勞德尺度，即作用在顆粒上的湍流力和重力的比值（Shields參數(shù)）等于自然界的值，而另一個(gè)尺度（顆粒雷諾數(shù)尺度）的范圍是廣泛的，只要保持粗糙到過渡區(qū)的邊界層條件，就可以保持近真實(shí)的紊流底床狀態(tài)，并有助于顆粒進(jìn)入懸浮狀態(tài)。這兩個(gè)尺度構(gòu)成了經(jīng)典Shields沉積物搬運(yùn)圖的坐標(biāo)軸（圖4），使得比較當(dāng)前實(shí)驗(yàn)、自然濁流條件和以前的實(shí)驗(yàn)研究成為可能。de Leeuw et al.[26]，F(xiàn)ernandes et al.[84]和Pohl et al.[85]水道物理實(shí)驗(yàn)中，通過增加坡度和沉積物初始濃度，保證幾何形狀縮小后的模型具有與實(shí)際地貌相同的Shields參數(shù)。但是，Giorgio Serchi et al.[86]認(rèn)為水道軸向坡度影響速度最大值的位置，決定了深水水道內(nèi)二次流的樣式。

2.1.2 不均勻和黏性沉積物

雖然基于平均粒度的Shields參數(shù)在工程和沉積學(xué)中廣泛應(yīng)用，但它沒有考慮由非均勻沉積物組成的基質(zhì)。在混合沉積層中，由于顆粒之間粒度的差異，運(yùn)動(dòng)閾值會(huì)發(fā)生變化。McCarron et al.[87] 和Wiberg et al.[88]利用礫石和沙質(zhì)混合沉積物的泥沙搬運(yùn)模型解釋了非均勻沉積物的沉積效應(yīng)。

粗顆粒分離和床層加固可以保護(hù)細(xì)顆粒不被侵蝕，從而增加了沉降顆粒搬運(yùn)所需的臨界剪應(yīng)力[87，89]。當(dāng)流體施加的剪應(yīng)力，只搬運(yùn)較細(xì)的沉積物時(shí)，或者通過將較細(xì)的沉積物從河床中移除（稱為分選），就可能形成保護(hù)層[89]。Bartzke et al.[90]的研究表明，非黏性泥沙顆粒包圍中粗顆粒時(shí)，由于粗顆粒間的接觸減少或消除，因此增加了休止角和剪切應(yīng)力導(dǎo)致的沉積物搬運(yùn)，從而闡明了細(xì)粒沉積物可以增加床層穩(wěn)定性。

沉積顆粒搬運(yùn)的閾值還可因?yàn)樽饔糜陬w粒之間的黏附力而改變[91]。黏性沉積物存在于地球上各種沉積環(huán)境中，包括河流、河口、海岸和深海環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)泥漿、黏土的內(nèi)聚性增加了侵蝕閾值，并改變了床層的發(fā)育[91?92]。

2.1.3 深水水道中濁流的沉積過程

深水水道內(nèi)濁流在陸源沉積物向深水環(huán)境搬運(yùn)過程中起著重要作用，因此需深入探討其沉積過程[6，15，51]。深水水道初始階段存在不穩(wěn)定機(jī)制的假設(shè)，使得深度平均流動(dòng)和泥沙傳輸模型在濁流沉積過程方面的研究豐富[93]。但是，深度平均方法無法揭示沉積底層與流體結(jié)構(gòu)之間的相互作用，導(dǎo)致無法闡明沉積侵蝕作用過程的耦合機(jī)制。Hall et al.[94]運(yùn)用三維納維—斯托克斯方程（Navier-Stokes，N-S）指出濁流橫向結(jié)構(gòu)與懸浮沉積物之間的雙向耦合機(jī)制對(duì)深水水道形成的重要性，深水水道的不穩(wěn)定性由懸浮泥沙濃度的擾動(dòng)和水道中二次流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剪應(yīng)力調(diào)節(jié)。基于流體結(jié)構(gòu)分析能將深水水道內(nèi)水動(dòng)力過程與沉積產(chǎn)物相聯(lián)系。河道和深水水道內(nèi)流體結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致兩者沉積過程以及沉積形態(tài)的差異。Peakall et al.[51]將深水水道沉積過程分為兩種不同的狀態(tài)，牽引主導(dǎo)和懸浮主導(dǎo)；前者與沉積物過路不沉積有關(guān)，因此沉積受到限制，主要表現(xiàn)為內(nèi)彎沉積和外岸侵蝕的點(diǎn)壩；后者是由高懸浮物沉降率劃分，在沉積過程中，顆粒受牽引作用弱，可能在水道上游形成點(diǎn)壩（圖5）。

2.2 深水水道中流體機(jī)制對(duì)沉積樣式的響應(yīng)

深水水道的形態(tài)演化模式與河流有根本區(qū)別[73]，例如，深水水道的彎曲度似乎趨向于達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[73，98]。然而，由于外彎處的侵蝕和內(nèi)彎處的沉積，河流的彎曲度將會(huì)持續(xù)增加，直到截彎取直形成“牛軛湖”。這種情況在深水水道中并不常見，深水水道在一定的彎曲度下處于平衡狀態(tài)[73]。通過調(diào)節(jié)濁流的流體結(jié)構(gòu)，使得水道持續(xù)加積，直到達(dá)到臨界點(diǎn)變得不穩(wěn)定，在內(nèi)力作用下，濁流沖破外堤導(dǎo)致沖裂[99]。這種時(shí)空穩(wěn)定性的研究指出了兩者流動(dòng)動(dòng)力學(xué)的根本區(qū)別。雖然在這兩種體系中都觀察到內(nèi)彎道沉積[13]，但外彎道沉積被認(rèn)為是深水水道所特有的[73]。外岸堆積體使平衡得以實(shí)現(xiàn)，Kane et al.[100]通過實(shí)驗(yàn)揭示的不同曲率水道的速度剖面結(jié)構(gòu)與流體事件后的沉積地貌表明，這與流體過路不沉積的程度直接相關(guān)。

水道常受到周圍天然堤的約束，這些天然堤逐漸向外延伸[101?103]。天然堤系統(tǒng)比水道本身寬幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是由水流溢出水道邊界沉積產(chǎn)生[104?105]。受影響的水道外部區(qū)域稱為溢岸，其受控于水道內(nèi)部濁流的影響。當(dāng)水流的頂部可以溢過水道的邊緣，并流到溢岸稱為溢流，在水道彎道處尤為明顯[106]。

Kane et al.[100]利用矩形水道物理實(shí)驗(yàn)得到的流體事件后的沉積地貌揭示了彎曲水道內(nèi)沉積體不對(duì)稱，彎道的外岸堤壩高于內(nèi)岸（圖6a），并將這種特征解釋為不平衡流動(dòng)導(dǎo)致。Straub et al.[107]研究了彎曲度對(duì)水道內(nèi)濁流沉積機(jī)制的作用，通過沉積厚度、顆粒大小揭示高彎曲的低速區(qū)比高速區(qū)的沉積厚度更薄、顆粒更細(xì)并且粒徑和流體濃度的垂直分層更少（圖5c～e、圖6b，c）。Amos et al.[108]通過研究不同彎曲度的梯形水道，借助水道內(nèi)速度剖面、速度矢量平面分布和厚度地貌圖，闡明當(dāng)彎曲度增加時(shí)，流體的溢出作用增強(qiáng)，沉積和侵蝕減少，導(dǎo)致沉積物坡度減??；高彎曲水道的彎道頂部上游溢出物回流到下游水道中。Janocko et al.[109]基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬闡明了水道內(nèi)沉積作用主要與流體的平衡梯度、波長、入流角度和侵蝕作用強(qiáng)度等因素有關(guān)。Ezz et al.[110]借助彎曲度為1.15的梯形水道揭示了沉積物在水道底部表現(xiàn)為楔形，彎道頂點(diǎn)的漫灘區(qū)為葉狀。Huang etal.[111]研究不同彎曲度的梯形水道，發(fā)現(xiàn)粗粒沉積物優(yōu)先沉積于水道內(nèi)，并且彎曲度越小顆粒搬運(yùn)距離更長；多次濁流流經(jīng)后，外岸沉積厚度大于內(nèi)岸。

3 深水水道研究方法

深水水道由于所處的深水環(huán)境和濁流的間歇性，使得獲取現(xiàn)場流體數(shù)據(jù)成為挑戰(zhàn)[73，112]。近年來，在世界許多地方都獲得了直接觀測重力流和濁流的數(shù)據(jù)[23，29，63，113?119]，但整個(gè)流場的數(shù)據(jù)仍然難以測量（表3）。

以往的大多數(shù)工作主要是基于間接的方法來研究深水水道，例如按比例縮小的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、地球物理（地震）地下分析、露頭研究、沉積物取心、非重復(fù)海底測繪和理論工作以及與河流的比較[24，26，146?149]。野外尺度的數(shù)據(jù)，如地震和露頭研究，只捕獲了地層，這使得很難理解時(shí)間尺度的侵蝕作用和動(dòng)態(tài)形態(tài)變化[3，24?25]。地球物理數(shù)據(jù)往往缺乏對(duì)單個(gè)水道內(nèi)的高分辨率特征。露頭可以實(shí)現(xiàn)這種水平的分辨率，但也缺乏時(shí)間限制和三維視角。沉積物巖心也缺乏三維視角。與河流比較得出的模型，或理論工作也需要與現(xiàn)實(shí)濁流對(duì)比驗(yàn)證。此外，深水水道也被認(rèn)為在幾個(gè)關(guān)鍵方面不同于河流，如彎曲度和二次流[73，112，124，127]。

目前，分辨率最高的數(shù)據(jù)來自物理實(shí)驗(yàn)和小尺度的數(shù)值模擬（表3）。物理實(shí)驗(yàn)詳細(xì)地揭示了重力流結(jié)構(gòu)[55，58，64，67?69，79]和水道內(nèi)動(dòng)力學(xué)特征[127，129，131，150]。它們也被用來研究沉積特征[100，110] 和水道的形態(tài)演變[26，70，85，151]。數(shù)值模擬為水道內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了進(jìn)一步的見解[57，86，127，136，145，152]，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)室研究的范圍和參數(shù)空間。

3.1 直接觀測

盡管直接觀測已經(jīng)獲得了大量的數(shù)據(jù)集，但對(duì)于濁流的整個(gè)流場而言，來自直接觀測數(shù)據(jù)仍然很少。并且，這些觀測數(shù)據(jù)大多是沿海底峽谷的洋流，如加利福尼亞州的蒙特利峽谷[21，113]，而不是海底水道。利用聲學(xué)多普勒技術(shù)，Xu[21]觀測到多個(gè)由風(fēng)暴或峽谷壁的塌陷誘發(fā)的濁流的速度剖面，證實(shí)了在物理實(shí)驗(yàn)中觀察到的速度特征。通過分析洋流的組成，Xu[21]認(rèn)為懸浮物的濃度和粒度對(duì)濁流的發(fā)育起著重要作用，在達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段之前，濁流可能經(jīng)歷一個(gè)沉積物驅(qū)動(dòng)的調(diào)整期。其次，由于細(xì)粒沉積物沉降速度較低和更容易懸浮，則沉積物越細(xì)，流體越厚，這與實(shí)驗(yàn)室揭示的結(jié)果一致[122]。Liu et al.[120]觀測到臺(tái)灣高屏峽谷的濁流是由氣旋產(chǎn)生的洪水誘發(fā)的，可能存在一種非潮汐的“增減”效應(yīng)。最近，在剛果峽谷觀測到不同厚度的流動(dòng)，二次流差異明顯[115]。

盡管峽谷內(nèi)流體為了解自然尺度濁流提供了良好的基礎(chǔ)，但它們受邊界地形的限制作用大；不像水道內(nèi)濁流會(huì)隨著水道地形作用溢出到水道堤岸[51]。限制作用可能對(duì)流體動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生重大影響[136]。Khripounoff et al.[60] 和Vangriesheim et al.[63] 觀測到4 000 m深度的剛果深水水道的數(shù)據(jù)。濁流的平均速度為1～3 m/s，這為研究部分限制性水道內(nèi)流體的性質(zhì)和時(shí)間變化提供依據(jù)。沉積物捕集器也表明流動(dòng)持續(xù)時(shí)間長達(dá)10天，但是，這些數(shù)據(jù)是一維和穩(wěn)定的，所以濁流特征的詳細(xì)分析受到了限制。Sumneret al.[57]在黑海與地中海之間，觀測到由鹽度持續(xù)下降，導(dǎo)致彎曲水道內(nèi)重力流具有明顯徑向和垂直分層以及外岸抬升的反向二次流特征，并且觀測到流體溢出現(xiàn)象（圖7）。但是，由于缺少沉積物而不沉積，而且具有較低的弗勞德數(shù)（0.41），使得與更大的深水水道系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)性質(zhì)存在差異。

3.2 物理實(shí)驗(yàn)

野外數(shù)據(jù)的局限性使得實(shí)驗(yàn)?zāi)M在重力流動(dòng)力學(xué)研究顯得至關(guān)重要。Kuenen[153]首次進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)，通過觀測確定了流體流動(dòng)特性。隨著技術(shù)的進(jìn)步和該領(lǐng)域的廣泛發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展迅速。

如前所述，重力流可以通過開閘式釋放密度更大的流體或使用連續(xù)進(jìn)口泵兩種方法在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生。de Rooij et al.[123]發(fā)現(xiàn)開閘式實(shí)驗(yàn)由于更大的初始內(nèi)部力，流體形成一個(gè)更明顯的頭部，而連續(xù)入流的沉積是由主體主導(dǎo)的。Peakall et al.[59]認(rèn)為開閘式入流實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致學(xué)者過多地關(guān)注流體頭部的影響。

除了有兩種釋放流體的方法外，還有兩種主要方法來實(shí)現(xiàn)流體和周圍流體之間的密度差。最直接的方法是用鹽來制造鹽溶液。其次，是利用沉積物來制造顆粒溶液?？梢曰旌鲜褂眠@兩種方法來創(chuàng)建混合溶液。顆粒流的使用使侵蝕和沉積的研究成為可能。然而，存在尺寸縮放的問題，由于實(shí)驗(yàn)室尺度流體的雷諾數(shù)比自然尺度低很多，流體往往無法實(shí)現(xiàn)自懸浮。此外，與等量的顆粒相比，非常細(xì)的沉積物更容易受到黏性力的影響產(chǎn)生絮凝，從而導(dǎo)致較大的顆?？焖購牧黧w中沉降。

3.2.1 物理實(shí)驗(yàn)監(jiān)測技術(shù)

現(xiàn)代重力流動(dòng)力學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要可分為兩類：多普勒頻移技術(shù)和粒子成像技術(shù)。多普勒頻移包括激光多普勒測速（LDA）、超聲多普勒測速剖面（UDVP）和聲學(xué)多普勒測速（ADV）。LDA獲得的數(shù)據(jù)可以計(jì)算湍流變量，Buckee et al.[78]利用LDA生成垂直湍流廓線。然而，它要求兩相流體具有相同的折射率，并且只在一個(gè)點(diǎn)上測量二維流體數(shù)據(jù)。ADV不需要折射率匹配，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 Hz的3D測量，已經(jīng)越來越多地被用來捕捉湍流的特征[79?80]。由于UDVP固有頻率較低，無法捕捉到流體的湍流特性，但它可以揭示平均流速的平面特征，從而達(dá)到對(duì)流動(dòng)特征的可視化，例如Corney et al.[124]觀察到的二次流循環(huán)特征（圖7a，b）。雖然UDVP需要一定的流動(dòng)深度才能有效，但它的覆蓋范圍比ADV大得多。

3.2.2 物理實(shí)驗(yàn)對(duì)直水道的研究

大多數(shù)的物理實(shí)驗(yàn)都是在直水道中進(jìn)行的。具有多種形式，包括可侵蝕底床[45]，或完全可侵蝕[26，70]，截面從矩形到梯形不等。

為了闡釋流體的行為和搬運(yùn)能力，物理實(shí)驗(yàn)研究聚焦在揭示流體的垂直結(jié)構(gòu)上[64]，具體包括識(shí)別速度和濃度的輪廓[55，67，76，122]，以及湍流的結(jié)構(gòu)特征[68?69，78?79]。Sequeiros et al.[64]研究了底床類型對(duì)流體的影響，結(jié)果表明，它們對(duì)亞臨界和超臨界狀態(tài)都有顯著的響應(yīng)，可導(dǎo)致水道中速度最大值的升高。Stagnaro et al.[154]對(duì)Sequeiros et al.[64]的發(fā)現(xiàn)提出了異議，他們發(fā)現(xiàn)在光滑床層上改變弗勞德數(shù)數(shù)時(shí)，流動(dòng)動(dòng)力學(xué)幾乎沒有變化，但是他們觀察到了對(duì)雷諾數(shù)的依賴性。Straub et al.[70]在侵蝕水道中，將垂直密度結(jié)構(gòu)與天然堤增長率聯(lián)系起來。流體的限制作用下水道外翼的泥沙量，決定了外岸的沉積程度。deLeeuw et al.[26]在斜坡上進(jìn)行了水道形成實(shí)驗(yàn)，在水流的不同區(qū)域，通過天然堤的沉積和水道內(nèi)的侵蝕，產(chǎn)生了水道。

3.2.3 物理實(shí)驗(yàn)對(duì)彎曲水道的研究

近十幾年來，彎曲水道的研究受到了越來越多的關(guān)注。Corney et al.[124]首次對(duì)海底彎曲水道開展了物理實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)了重力流可以產(chǎn)生河流反向的二次流（圖7a，b）。在彎道頂點(diǎn)處的橫流流動(dòng)方向與在河流中的情況相反，即基底流指向外岸。這種倒轉(zhuǎn)二次流現(xiàn)象曾引起許多爭論。Imran et al.[127]觀察到兩個(gè)方向相反的垂直堆疊的單元（圖7d）。Abad etal.[129]進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，盡管水道彎曲度更大，但未觀察到反向二次流。Kane et al.[100]研究了在改變縱橫比的情況下，相同水流在彎曲水道的沉積特征，從而研究了流體限制作用。低限制的流體更易表現(xiàn)為過路不沉積，少量沉積物傾向于堆積在外岸。Straub etal.[70]在侵蝕水道中進(jìn)行了一系列物理實(shí)驗(yàn)。由于外岸的流體上升，彎道超高現(xiàn)象明顯。雖然外岸的天然堤更厚、更陡，但由于兩岸都有沉積物堆積，平面形態(tài)幾乎沒有變化。由于水道底部的沉積速率比堤岸的沉積速率大，導(dǎo)致水道的地形起伏度下降。之后，Straub et al.[107]就彎曲度對(duì)沉積作用進(jìn)行了研究。闡明了限制性流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，如果流體的動(dòng)能大于與水道起伏相關(guān)的勢能增益，流體不可能保持限制。他們還補(bǔ)充了Keevil et al.[125]的觀點(diǎn)，即水道的彎曲度對(duì)于增加流體的混合強(qiáng)度非常重要。除了Straubet al.[107]以外，上述所有研究都采用了矩形截面或者高縱橫比和陡峭的堤岸，這些截面在自然水道中是不現(xiàn)實(shí)的。這可以歸因于這種水道模型容易構(gòu)建以及受到測量儀器的限制作用。

Islam et al.[150]在梯形剖面、寬高比為5的水道中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這種水道剖面更有利于溢出，并且之前觀察到的垂直堆疊單元的流動(dòng)模式被打斷，上層單元被破壞。Dorrell et al.[131]強(qiáng)調(diào)了時(shí)間變化在流動(dòng)中的作用，之前的研究都集中在時(shí)間平均流動(dòng)性質(zhì)上。并揭示了時(shí)間尺度上二次流單元的方向是如何在彎道內(nèi)波動(dòng)的。

3.3 數(shù)值模擬

半個(gè)世紀(jì)以來，人們一直在用數(shù)值模擬方法研究重力流。Harlow et al.[155]是最早將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）技術(shù)應(yīng)用于重力流的人之一，他們使用的“標(biāo)記和單元”技術(shù)與現(xiàn)在的有限元方法有許多相似之處。他們認(rèn)識(shí)到數(shù)值技術(shù)不僅有助于分析和實(shí)驗(yàn)研究，而且能更好地檢驗(yàn)參數(shù)效應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬能研究在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中無法實(shí)現(xiàn)的大尺度流動(dòng)。

CFD方法可分為三類。采用雷諾平均的納維—斯托克斯模型（RANS）、大渦模型（LES）和直接數(shù)值模擬（DNS）。第一類涉及在離散網(wǎng)格上求解RANS方程。為從納維—斯托克斯方程中將瞬時(shí)速度u =uˉ + u'分解為時(shí)間平均和波動(dòng)分量。這引入了額外的參數(shù)：雷諾應(yīng)力Reij =--ρ--u----- i'uj'。由于紊流項(xiàng)的非線性，用一個(gè)封閉系統(tǒng)來進(jìn)行建模，并將它們與已知變量聯(lián)系起來。封閉通常有兩種獲得方法，渦動(dòng)黏度模型（EVMs）[156]或Reynolds應(yīng)力模型（RSMs）[74]。

3.3.1 渦動(dòng)黏度模型（EVMs）

EVM常用有k- 和k-ω 湍流模型，被大量學(xué)者用來研究重力流的動(dòng)力學(xué)特征[86，127，136，145，157]。所有的EVMs都采用Boussinesq假說[158]，

將渦動(dòng)黏度vt （m2/s、由于湍流的動(dòng)量傳輸）通過相應(yīng)的速度梯度與雷諾應(yīng)力聯(lián)系起來。渦動(dòng)黏度通常由其他已知的變量來計(jì)算，如湍流動(dòng)能k（J）和湍流耗散。

EVMs 模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了良好的一致性。Choi et al.[159]使用k- 模型得到吻合非常好的垂直剖面，盡管需要調(diào)整方程中控制浮力產(chǎn)生的湍流量的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。Paik et al.[160]提出使用k- 的低雷諾數(shù)模型更適合模擬實(shí)驗(yàn)室尺度的流動(dòng)，這解決了三維特征，如K-H不穩(wěn)定性。在此之前，這些模型只能使用在更復(fù)雜技術(shù)和較多的計(jì)算資源，如LES和DNS模型獲得[134]。然而，這些結(jié)果的真實(shí)性存在爭議，因?yàn)檫@些流動(dòng)特征在實(shí)驗(yàn)室中很少被揭示。

Kassem et al.[136]使用標(biāo)準(zhǔn)k- 模型研究了陡峭堤岸對(duì)重力流演化的影響。無側(cè)向限制的算例由于側(cè)向擴(kuò)張和溢出造成的流體卷吸增厚程度較小。上述絕大多數(shù)數(shù)值模擬研究考慮的是直水道。雖然這意味著很容易驗(yàn)證模型，并簡化了網(wǎng)格劃分和設(shè)置過程，但它可能與許多實(shí)際海底水道幾何形態(tài)不一致。

不少學(xué)者利用數(shù)值模型研究了彎曲水道的曲率對(duì)流體動(dòng)力學(xué)和流體演化的影響。Kassem et al.[136]最先采用了k- 模型，而Das et al.[137]采用了更簡單的深度平均模型。Imran et al.[127]結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一些模擬，重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室中觀察到的垂直堆疊單元。Giorgio Serchi et al.[86]也關(guān)注了關(guān)于二次流循環(huán)的爭論，揭示了二次流方向差異原因。為了模擬設(shè)置更容易，上述研究中使用了不現(xiàn)實(shí)的矩形水道截面。Ezz et al.[145]使用的梯形剖面與Islam et al.[128]在實(shí)驗(yàn)室中使用的梯形剖面相同。水道的邊坡對(duì)水流動(dòng)力學(xué)影響較大，需要進(jìn)一步深入研究。Pirmez et al.[161]模擬了多彎曲、流經(jīng)800 km長的亞馬孫河中濁流特征，發(fā)現(xiàn)如此長又多彎的渠道形成和演化與以淤泥為主沉積物的亞臨界濁流有關(guān)。Huang et al.[139]通過多相流方法使用三維數(shù)值模擬求解動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒方程，模擬結(jié)果揭示了流速的垂直分布、沉積濃度、沉積厚度等。黃璐等[143]通過圓弧形水道的三維數(shù)值模擬，闡明了由于夾帶作用，濁流夾帶周圍水體，使得流體高度增加從而導(dǎo)致流體溢出，尤其是在彎道頂點(diǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)流體剝落的現(xiàn)象；在河流相同方向的二次流的作用下，彎道頂點(diǎn)的內(nèi)岸下游發(fā)生沉積作用，然而外岸下游表現(xiàn)為侵蝕特征。郭彥英等[144]研究了曲率半徑對(duì)濁流的影響，提出當(dāng)水道的邊坡較小、曲率半徑較大時(shí)沉積顆粒的溢出量較多，反之水道中表現(xiàn)為侵蝕現(xiàn)象。

3.3.2 Reynolds應(yīng)力模型（RSMs）

RSMs方法增加了計(jì)算時(shí)間且較難實(shí)現(xiàn)收斂，因此使用不多。其原因是RSMs方法每個(gè)應(yīng)力都是使用一個(gè)單獨(dú)的方程來計(jì)算的。Br?rs et al.[162]在他們的EVM分析中使用了RSMs，并聲稱結(jié)果更好。然而，僅與早期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較[55]，而與EVM預(yù)測沒有直接對(duì)比，所以很難看到明顯的差異。

3.3.3 大渦模擬（LES）和直接數(shù)值模擬（DNS）

最近的數(shù)值模擬工作集中于使用更高級(jí)的求解器，如LES和DNS。計(jì)算資源的大幅增加是LES和DNS模擬的限制因素。DNS在不使用任何湍流模型的情況下數(shù)值求解N-S方程。這對(duì)網(wǎng)格要求精度高，因?yàn)槊總€(gè)空間和時(shí)間尺度都必須被解析，從小的Kolmogorov 耗散尺度η=（υ/）0.25，到大的積分尺度L，這直接關(guān)系到最大的湍流結(jié)構(gòu)的大小。網(wǎng)格要求如下：

式中：N 是網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，δx 是單元格的大小。LES使用類似的技術(shù)，但沒有這么嚴(yán)格的網(wǎng)格要求。低于尺度的網(wǎng)格會(huì)被過濾并建模（通常使用與RANS模型類似的技術(shù)），而那些被網(wǎng)格捕獲的會(huì)像使用DNS一樣被“直接”求解。

重力流的第一個(gè)DNS模擬是由H?rtel et al.[133]開展的，研究了開閘式重力流的頭部動(dòng)力學(xué)特征。雷諾數(shù)Re=750的3D模擬捕獲了預(yù)期的波瓣和裂溝特征，這是在以前的數(shù)值模型中沒有觀察到的。由于計(jì)算的限制，當(dāng)運(yùn)行到Re=30 000時(shí)，必須恢復(fù)到2D，但在自由滑動(dòng)邊界條件下運(yùn)行的情況與Benjamin[163]的無黏理論非常一致。Necker et al.[134?135]也研究了矩形槽中開閘式重力流的初始階段。研究發(fā)現(xiàn)，雖然2D和3D模擬早期的發(fā)展階段在流量推進(jìn)方面是一致的，但在更長的時(shí)間尺度上存在顯著差異，包括巨大的非自然卷浪。這似乎是2D模擬的一個(gè)常見問題[71，164]，因?yàn)槿狈M向的湍流耗散。在3D中計(jì)算出的唯一更高雷諾數(shù)的流體是由Cantero et al.[140]用1.31億個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格解析了Re=15 000的情況。

上述研究均是針對(duì)鹽水重力流，Cantero et al.[141]將研究方法擴(kuò)展到顆粒流，通過改變顆粒沉降速度研究了對(duì)流體分層產(chǎn)生的影響。研究發(fā)現(xiàn)，具有較高沉降速度的顆?？梢允沽黧w分層，使流體在速度最大值以下重新分層，從而完全阻止湍流質(zhì)量或動(dòng)量在流體中垂直傳遞。

唯一將LES（或DNS）應(yīng)用于彎曲水道研究的是Mahdinia et al.[142]。觀測到的特征包括：隨著水道半徑的增加，靠近內(nèi)壁和近床的湍流增強(qiáng)，二次流強(qiáng)度降低。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的良好一致性，使Mahdiniaet al.[142]聲稱即使在中等單元數(shù)的網(wǎng)格上也可以有效的運(yùn)行模擬。LES和DNS較多的計(jì)算資源和復(fù)雜性使得所有的研究都限于在矩形、完全受限的水道中，在沒有輸入或輸出條件的情況下進(jìn)行的有限體積釋放。不斷增加的計(jì)算資源無疑意味著未來有機(jī)會(huì)將其擴(kuò)展到更現(xiàn)實(shí)的幾何形態(tài)。

4 未來發(fā)展趨勢

深水水道沉積水動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究揭示了水道內(nèi)流體性質(zhì)、沉積充填特征和動(dòng)力學(xué)機(jī)制，彌補(bǔ)了在深水水道沉積過程研究的不足，極大地推動(dòng)了深水沉積理論和沉積模式的構(gòu)建，推進(jìn)了砂體展布規(guī)律和堆積樣式的識(shí)別，進(jìn)而達(dá)到有效預(yù)測深水沉積儲(chǔ)層分布的目的。通過上述深水水道內(nèi)流體性質(zhì)、沉積特征、研究方法和南海北部深水水道體系的回顧總結(jié)，未來深水水道沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探索。

（1） 模型的改進(jìn)。由于濁流的觀測數(shù)據(jù)有限，而且完全缺乏對(duì)自然系統(tǒng)過程—產(chǎn)物的研究。高分辨率濁流沉積動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)來自實(shí)驗(yàn)室和小尺度的數(shù)值模擬。然而，深水水道內(nèi)濁流的流動(dòng)模擬由類似河流的蜿蜒通道控制，并使用簡單的速度和密度分層模型，物理和數(shù)值建模的比尺效應(yīng)無法充分揭示深水水道的影響，對(duì)自然彎道周圍的三維流場及其下游物質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕忉屢彩怯邢薜摹Ｄ壳叭狈ν牧骰旌蠑?shù)據(jù)支持的濁流流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究，即湍流動(dòng)能和剪應(yīng)力。其次，泥沙搬運(yùn)過程不僅需要對(duì)懸浮顆粒進(jìn)行建模，而且還需要對(duì)基礎(chǔ)卷吸進(jìn)行建模，可以使用與剪切相關(guān)的底界面的源項(xiàng)進(jìn)行建模。為了評(píng)估模型的準(zhǔn)確性，還需要針對(duì)實(shí)驗(yàn)中沉積作用的流動(dòng)性進(jìn)一步驗(yàn)證。將泥沙輸移、沉積和侵蝕納入數(shù)值模擬的泥沙輸送模型，向具有底邊界變形的模型發(fā)展，可以克服僅依靠基礎(chǔ)應(yīng)力來解釋流體與水道相互作用的局限性，這種模型能夠有效地預(yù)測水道形態(tài)的演化。也許最重要的挑戰(zhàn)是開發(fā)一個(gè)能夠準(zhǔn)確預(yù)測基質(zhì)形態(tài)變化的三維數(shù)值模型，無論是在更大尺度的水道形態(tài)還是更小尺度的底床形態(tài)和沖刷。

（2） 深水系統(tǒng)對(duì)陸地有機(jī)碳的埋藏效率。深水水道系統(tǒng)已被確定為有機(jī)碳埋藏的重要場所[28?29]。然而，這些碳被掩埋的效率如何尚不清楚。首先，輸入系統(tǒng)的泥沙總量和通過系統(tǒng)內(nèi)侵蝕釋放的泥沙總量沒有與觀測到的沉積物相平衡。此外，海底水道系統(tǒng)中現(xiàn)代沉積物的保存潛力往往不清楚；同樣不清楚的是，海底沉積物在多大程度上是臨時(shí)儲(chǔ)存場所，以及后期侵蝕作用下多少早期埋藏的有機(jī)碳被氧化。高抒[165]指出在地貌、位置、水動(dòng)力和物質(zhì)供給條件差異較大的情況下，有機(jī)碳變量范圍的形成需要進(jìn)行動(dòng)力機(jī)制研究。

（3） 有效揭示深水油氣儲(chǔ)層分布。借助地震、巖心和露頭的深水水道的研究主要集中在沉積樣式、充填特征、發(fā)育時(shí)間、成因演化及演化模式等相對(duì)宏觀的研究，缺乏對(duì)深水重力流沉積過程、流體機(jī)制等沉積動(dòng)力學(xué)定量方面的研究，尤其對(duì)于南海北部發(fā)育的深水水道[166?170]；而流體結(jié)構(gòu)的差異將直接導(dǎo)致沉積充填樣式、砂體展布及疊置樣式、侵蝕改造作用等沉積結(jié)構(gòu)的不同，沉積砂體的平面展布和垂向連通性又嚴(yán)重制約著深水油氣勘探。因此，針對(duì)深水水道沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究薄弱的問題，急需深入研究深水水道內(nèi)濁流運(yùn)動(dòng)機(jī)制，再現(xiàn)沉積過程，以揭示不同流體結(jié)構(gòu)作用下沉積物分布和充填特征，達(dá)到精準(zhǔn)預(yù)測深水油氣儲(chǔ)層的目的。