大风天气对海底管道稳定性影响机制中文摘要

海底管道在海上油气工业中发挥重要作用，而目前关于海底管道事故的报道越来越多，其重要原因之一就是对海床冲刷和液化等过程及其对管道稳定性造成的影响研究不足。黄河三角洲海床属浅海粉砂质海床，在大风期间很容易发生冲刷和液化现象，严重威胁海底管道的安全。.本课题将基于黄河三角洲海域大量海底管道调查和海洋工程环境调查资料，结合物理模型试验、数值模拟等手段，综合研究大风对海底管道稳定性的影响，主要从底床冲刷和海底液化两个角度研究，重点研究海床冲刷和悬跨管道涡激振动对海底液化及管道稳定性的影响。通过本课题研究，能够在海床冲刷和管道振动对海底液化影响研究有所突破，这也是本课题的难点和创新点，该理论成果能够为海底管道稳定性设计参数计算提供更加可靠的理论依据和参考。

海底管道在海上油气开采和运输中起关键作用，而近年来关于海底管道事故的报道越来越多，大风等极端天气造成的海床变化是导致管道事故的主要原因之一。本项目围绕大风天气对海底管道稳定性的影响这一重要问题，从海床冲刷、液化及其造成的悬空管道稳定性评估三个方面开展研究。研究发现：波浪是导致浅海海床冲刷的主要原因，而冲刷造成的长距离悬空可能加速管道内腐蚀；通过管道周围海床冲刷与液化组合试验发现管道周围土体孔压实测幅值不遵循传统的弹性介质理论，海床液化可加剧冲刷，且随着液化深度的增加，冲刷深度也相应增加；通过管道振动与海床液化组合试验发现管道涡激振动能够造成两端支撑土体液化，液化后无法对悬空管道提供有效支撑和约束，管道活动性增强，管道固有频率改变，而传统的悬空管道安全评估模型并未考虑到这种固有频率变化的过程；建立了悬空管道振动模型，发现跨间土体液化后管道实际活动长度大于探测到的悬跨长度，这说明依据探测到的管道悬跨长度评估管道安全性可能存在一定安全隐患。本项目研究成果为海底管道的设计、施工和维护等提供更加可靠的理论依据。 2100433B

本项目研究根系活动对黑土团聚体形成与稳定性的影响及其机制，旨在揭示长期不同植被类型影响下黑土团聚体组成与稳定性的分异规律，明确作物根系及其分泌物驱动下主要有机胶结物质对土壤团聚体的调控作用。主要结果如下：传统耕作和秸秆移除管理措施下，农田土壤有机碳和团聚体稳定性（MWD）均高于裸地，表明根系及其分泌物作为土壤团聚体胶结物质的主要来源，对土壤团聚体形成与稳定具有重要的驱动作用。草地土壤以大团聚体占有绝对优势，尤其＞2000 μm 团聚体含量显著高于农田和裸地，这与草被植物根系的作用直接相关，草地根密度显著高于农田，为农田的23 倍，而无根系作用的裸地不存在＞2000 μm 团聚体。农田不同种植模式对土壤团聚体的组成与稳定性的影响各处理间差异不够明显，但长期小麦连作土壤大团聚体含量和团聚体稳定性显著低于大豆连作、玉米连作和米-豆-麦轮作。传统耕作体系下，与无肥相比，有机培肥显著促进了农田黑土的团聚化作用，这与有机肥施用及根茬输入量增加有关。随着有机肥施用量的增加，250—2000 µm团聚体含量增加，土壤团聚体的稳定性增强，但与中量有机肥处理相比，高量有机肥输入对土壤团聚化的作用并不明显。表明，传统耕作体系下土壤团聚体稳定性（MWD）并不是随着外源有机碳输入量的增加而无限增加，很可能存在一个阈值。黑土母质经过8年不同熟化处理后，自然恢复草地土壤有机碳含量和团聚体稳定性均显著低于有机培肥处理，而对于成熟黑土，长期自然恢复草地尽管有机碳水平低于有机培肥土壤，但土壤团聚体稳定性（MWD）是农田耕作土壤的3.2倍。表明，土壤团聚体的形成与稳定不仅与土壤有机碳的数量有关，同时受土壤有机碳的质量（即有机胶结剂的类型）调控。在基础有机碳水平较高的成熟黑土中，根系作为土壤大团聚体的重要胶结剂，其对土壤团聚体形成与稳定的作用更为突出，也更易受耕作措施的影响。

土壤团聚体是土壤结构的物质基础，根系活动是影响团聚体形成与稳定的关键因子。东北黑土由于黏粒含量高和犁底层的存在，土壤结构不良问题突出，而利用植物根系对土壤的团聚化作用，是解决黑土结构问题的重要措施之一。本项目采用长期定位试验、盆栽和室内模拟试验相结合的方法，应用土壤团聚体分组、CT扫描和根系分泌物收集等技术，研究自然生态系统中草甸化草原植被根系及农田生态系统中大豆、玉米和小麦根系对黑土团聚体形成与稳定性的影响及其机制。其目的在于揭示长期不同植被类型影响下黑土团聚体组成与稳定性的垂直分异规律；阐明黑土团聚体组成与稳定性对不同作物根系及其分泌物的响应；明确作物根系及其分泌物驱动下主要有机胶结物质对土壤团聚体的调控作用。研究将为优化作物轮作模式，改善黑土结构及培育垂直肥力提供理论依据。