關(guān)鍵詞物理模擬;環(huán)形水槽;沉積地質(zhì)學(xué);沉積過程;指示意義第一作者簡(jiǎn)介，男，1998年出生，碩士研究生，沉積學(xué)、深水沉積學(xué)，E-mail：211311040017@hhu.edu.cn通信作者，男，博士，副教授，沉積學(xué)、層序地層學(xué)，E-mail：mxtan@hhu.edu.cn

中圖分類號(hào) P512.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼A DOI： 10.14027/j.issn.1000-0550.2024.032 CSTR： 32268.14/j.cjxb.62-1038.2024.032

0 引言

水槽物理模擬研究起始于19世紀(jì)末，主要通過調(diào)控水動(dòng)力、物源供應(yīng)、流體性質(zhì)等邊界條件來模擬沉積物的形成過程，是系統(tǒng)分析沉積巖物質(zhì)組成、沉積構(gòu)造以及地層展布的重要研究手段1。20世紀(jì)中葉以來，國內(nèi)外諸多學(xué)者采用沉積物理模擬研究方法對(duì)沉積物搬運(yùn)與沉積過程開展了系統(tǒng)研究，并相繼取得了豐碩成果[7-0]。作為一種重要的沉積物理模擬研究載體，環(huán)形水槽因具備模擬長(zhǎng)距離輸送強(qiáng)紊流流體的能力而被廣泛應(yīng)用于泥沙啟停、底形改造、動(dòng)水沉降等相關(guān)領(lǐng)域[1I-13]。環(huán)形水槽物理模擬作為研究沉積物運(yùn)動(dòng)特性與沉降過程的有效手段，克服了傳統(tǒng)長(zhǎng)直水槽物理模擬過程中沉積物顆粒的破壞及輸送距離限制等問題，同時(shí)又兼具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[1416]

近半個(gè)世紀(jì)以來，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)水利水電與港口航道相關(guān)領(lǐng)域開展了相當(dāng)多的水槽物理模擬工作[17-18]。然而，以沉積組構(gòu)和巖相展布預(yù)測(cè)為目標(biāo)的沉積地質(zhì)學(xué)物理模擬研究則相對(duì)匱乏。20世紀(jì)70年代，國內(nèi)高校和院所陸續(xù)開展一系列基于直道水槽或方形水槽的沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)，在沉積地質(zhì)學(xué)范疇（特別是河流三角洲與深水重力流沉積體系）研究中取得了豐富的理論成果[19-20]，為沉積機(jī)理、儲(chǔ)層構(gòu)型做出了積極貢獻(xiàn)。然而，國內(nèi)的環(huán)形水槽模擬多集中于泥沙啟停、河口海岸及環(huán)境生態(tài)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，往往忽略了其在沉積物搬運(yùn)與沉降過程中的應(yīng)用潛力。目前，國內(nèi)利用環(huán)形水槽開展的沉積物理模擬研究相對(duì)較少[21]。如何拓展環(huán)形水槽在沉積地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用是一個(gè)值得深人思考與積極探究的新方向。

本研究立足于近年來國內(nèi)外環(huán)形水槽沉積學(xué)物理模擬的研究成果，系統(tǒng)總結(jié)沉積學(xué)物理模擬的技術(shù)流程與研究經(jīng)驗(yàn)，展望環(huán)形水槽物理模擬在沉積地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方向與發(fā)展趨勢(shì)。環(huán)形水槽沉積物理模擬研究還可與數(shù)值模擬研究相結(jié)合[21-22]，借助多種國內(nèi)領(lǐng)先的水槽實(shí)驗(yàn)配套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積過程及沉積產(chǎn)物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精細(xì)解剖，并進(jìn)行系統(tǒng)的沉積地質(zhì)學(xué)分析。從觀測(cè)和模擬兩個(gè)角度進(jìn)行相互驗(yàn)證，精細(xì)刻畫沉積物的沉積過程。隨著沉積物理模擬研究的飛速發(fā)展，環(huán)形水槽沉積物理模擬為沉積地質(zhì)學(xué)物理模擬開拓新了視野。

1環(huán)形水槽物理模擬發(fā)展歷史

隨著科技的不斷進(jìn)步，國內(nèi)外環(huán)形水槽物理模擬也呈現(xiàn)出多元化發(fā)展歷程?？v觀環(huán)形水槽物理模擬的發(fā)展史，隨著不同類型環(huán)形水槽的更迭，環(huán)形水槽也逐漸被分為狹義環(huán)形水槽與廣義環(huán)形水槽兩類。狹義環(huán)形水槽（annularflume）特指圓環(huán)形外觀且具有上部剪切環(huán)的一類水槽；廣義環(huán)形水槽（circularflume）泛指具有閉合路徑、內(nèi)部流體可以實(shí)現(xiàn)體循環(huán)過程的一類水槽，包括圓形環(huán)形水槽、橢圓形跑道式水槽等[1416]。最初，環(huán)形水槽物理模擬主要應(yīng)用于分析流體挾砂能力，隨后便被廣泛應(yīng)用于泥沙侵蝕作用、沉降機(jī)理以及輸運(yùn)過程等一系列研究并取得了部分成果[14，23-24]。此外，基于環(huán)形水槽在物理模擬應(yīng)用中的可觀前景，陸續(xù)開展了重力流沉積、細(xì)粒沉積過程以及環(huán)境流體模擬等一系列研究工作[25-26]。目前大多數(shù)環(huán)形水槽沉積物理模擬相關(guān)研究仍聚焦于沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制，而針對(duì)流體的沉積過程及相關(guān)沉積產(chǎn)物觀測(cè)與解釋的定量研究則相對(duì)稀缺。總體而言，環(huán)形水槽沉積物理模擬發(fā)展歷史經(jīng)歷了規(guī)模從小到大、實(shí)驗(yàn)過程及裝置由簡(jiǎn)單變復(fù)雜、研究?jī)?nèi)容由單一變豐富、研究深度由定性向定量轉(zhuǎn)變的過程。

1.1 國外發(fā)展歷史

國外環(huán)形水槽沉積物理模擬應(yīng)用范圍十分廣泛。早在19世紀(jì)末，水槽物理模擬研究便被應(yīng)用于水利、水文、海洋學(xué)等方向，隨后便陸續(xù)拓展到其他領(lǐng)域的研究，并在流體動(dòng)力學(xué)、沉積底形與沉積構(gòu)造、沉積產(chǎn)物以及動(dòng)力地貌學(xué)等沉積學(xué)研究中取得了巨大進(jìn)展[2，24-26]。20世紀(jì)初，國外環(huán)形水槽物理模擬技術(shù)已經(jīng)日益成熟，被廣泛運(yùn)用于分析河流挾砂、輸砂能力的定量研究[12-13]。隨著此類模擬研究方法被引入河口動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域，便逐漸成為研究細(xì)粒泥沙特性、流體流變學(xué)性質(zhì)、細(xì)粒泥沙絮凝沉降以及侵蝕過程的有效手段[27-29]。在后續(xù)研究中，環(huán)形水槽物理模擬的開展系統(tǒng)揭示了近海海底地貌與沉積底形的演化過程[30-31]。除了在流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，環(huán)形水槽物理模擬方法在基礎(chǔ)沉積學(xué)研究中也發(fā)揮出重要作用。20世紀(jì)中葉，荷蘭著名的重力流沉積學(xué)理論研究先驅(qū)PhilipH.Kuenen首次將環(huán)形水槽物理模擬方法引入沉積物重力流的研究中，相繼應(yīng)用于濁積巖泥質(zhì)含量、沉積構(gòu)造成因以及濁流挾砂能力等方面[14.32-34];相關(guān)研究陸續(xù)證實(shí)，環(huán)形水槽模擬的濁流具有典型的流速剖面結(jié)構(gòu)以及沉積動(dòng)力學(xué)特征[2，并能夠模擬出具有不同鮑馬層序的濁積巖序列[15.35]。在沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)過程中，環(huán)形水槽自身的動(dòng)力學(xué)因素也是一個(gè)不可忽略的問題，可能對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，環(huán)形水槽動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究能夠標(biāo)定最佳轉(zhuǎn)速比，以降低二次環(huán)流效應(yīng)所引起的系統(tǒng)誤差[23-25]。21世紀(jì)以來，環(huán)形水槽物理模擬發(fā)展迅速，并逐步擴(kuò)展到分析細(xì)粒沉積物流動(dòng)性對(duì)地層孔隙度的影響以及河流沉積底形與海底地貌的塑造作用[36]。

基于沉積學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及河口動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科交叉研究的環(huán)形水槽物理模擬取得了諸多進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下多個(gè)方面：（1）潮間帶區(qū)域數(shù)值模擬與水槽模擬結(jié)果指示了沉積物對(duì)微塑料的捕獲方式；（2）湖泊、河流內(nèi)化學(xué)元素內(nèi)源釋放模式的研究表明沉積物通量與水動(dòng)力模式間存在定量關(guān)系[38];（3）顆粒有機(jī)碳遷移與氧化機(jī)制模型的建立系統(tǒng)揭示了河流沉積物輸運(yùn)、顆粒磨蝕和湍流混合對(duì)顆粒有機(jī)碳保存方式的響應(yīng)作用。至今為止，國外環(huán)形水槽物理模擬已經(jīng)在多領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果，但主體研究仍聚焦于水動(dòng)力學(xué)機(jī)制的成因探討；其在沉積學(xué)領(lǐng)域的研究則主要集中于沉積動(dòng)力模式的探究，忽略了對(duì)沉積產(chǎn)物模擬的觀測(cè)與解釋。盡管環(huán)形水槽在模擬泥沙沉降過程中具有潛在優(yōu)勢(shì)，但相較于傳統(tǒng)水槽對(duì)沉積產(chǎn)物模擬與解釋的工作仍稍遜一籌。國外環(huán)形水槽物理模擬經(jīng)過多學(xué)科研究的聯(lián)合發(fā)展，已經(jīng)形成了較為成熟的理論體系與技術(shù)方法，為進(jìn)一步拓展環(huán)形水槽的應(yīng)用領(lǐng)域奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展歷史

國內(nèi)環(huán)形水槽物理模擬研究起步較晚，研究方向與應(yīng)用領(lǐng)域也較為單一，主要集中在水利工程與環(huán)境生態(tài)科學(xué)應(yīng)用兩方面。20世紀(jì)70年代，河海大學(xué)、天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院、浙江大學(xué)等高校與研究院所相繼建立環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)室，并初步開展水槽模擬研究。此時(shí)，環(huán)形水槽物理模擬僅僅聚焦于水利工程領(lǐng)域的泥沙動(dòng)力學(xué)研究，旨在解決防洪、水庫、灌溉渠、港灣河口淤積等問題[39-45]。20世紀(jì)80年代，國內(nèi)首例基于長(zhǎng)江口河床沖淤特征研究的環(huán)形水槽物理模擬取得成功，隨后在河口、港口及航道等研究區(qū)域進(jìn)行了大量環(huán)形水槽模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了大量的泥沙沉積與侵蝕的臨界閾值數(shù)據(jù)[43]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確了細(xì)粒沉積物的動(dòng)水沉降速率，并厘定了動(dòng)水環(huán)境中沉積物絮凝的臨界速度[39.43-44]。21世紀(jì)初，環(huán)形水槽物理模擬被初步應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究中，相關(guān)研究進(jìn)一步完善了環(huán)形水槽物理模擬的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制與沉積動(dòng)力過程[46-49]。

國內(nèi)環(huán)形水槽物理模擬在生態(tài)環(huán)境研究與水利工程領(lǐng)域中取得了豐碩的研究成果，反觀沉積物理模擬領(lǐng)域應(yīng)用停滯不前。近年來，基于環(huán)形水槽物理模擬的沉積學(xué)研究也主要集中于懸浮泥沙啟停對(duì)沉積底形的改造作用、流體流速分布特征以及懸浮泥沙沉降機(jī)制等水利工程或水文地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)問題[50-52]。在沉積學(xué)領(lǐng)域中，前人研究主要聚焦于環(huán)形水槽的沉積動(dòng)力特征（圖1），并對(duì)泥沙的沉積動(dòng)力學(xué)特征取得了一定認(rèn)識(shí)。然而，如何將沉積動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)一步拓展至沉積地質(zhì)學(xué)研究，利用環(huán)形水槽所模擬的沉積物與野外露頭沉積現(xiàn)象進(jìn)行類比分析，對(duì)沉積巖的沉積過程進(jìn)行反演并揭示沉積巖的沉積機(jī)理與成因機(jī)制，同樣也是國內(nèi)沉積學(xué)工作者值得深思的問題。

2環(huán)形水槽主要類型及其配套設(shè)備的應(yīng)用

隨著物理模擬研究的不斷深人，環(huán)形水槽結(jié)構(gòu)體系得到了進(jìn)一步完善，滿足了不同物理模擬實(shí)驗(yàn)的需求（圖2）[52-60]。環(huán)形水槽物理模擬最初的研究思路是將長(zhǎng)度尺度轉(zhuǎn)化為時(shí)間尺度，即通過控制實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到長(zhǎng)距離搬運(yùn)的自的。然而，現(xiàn)階段環(huán)形水槽除了能夠滿足長(zhǎng)距離輸送要求外，還可以通過控制水槽轉(zhuǎn)速并獲得不同流變性的流體。此外，一系列觀測(cè)設(shè)備的革新使得環(huán)形水槽物理模擬的沉積產(chǎn)物觀測(cè)得到進(jìn)一步提升，并在此基礎(chǔ)上對(duì)沉積產(chǎn)物的沉積過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與模擬分析。

依據(jù)不同場(chǎng)景下環(huán)形水槽的應(yīng)用頻率（表1），常規(guī)環(huán)形水槽的物理模擬仍占據(jù)主導(dǎo)地位，在沉積產(chǎn)物模擬實(shí)驗(yàn)中也被廣泛應(yīng)用。早期環(huán)形水槽的基底由混凝土制成，僅能通過上部剪切環(huán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)流體，無法進(jìn)行流速調(diào)節(jié)。后續(xù)研究中，混凝土基底被替換為塑料底座，這不僅能夠直接觀測(cè)與記錄沉積過程，還可以通過基底和剪切環(huán)的反向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)流速、消除離心力影響35。隨著環(huán)形水槽尺寸不斷增加，如何進(jìn)一步提升槽內(nèi)流體的紊流強(qiáng)度以維持顆粒物的懸浮狀態(tài)，成為環(huán)形水槽發(fā)展過程中亟待解決的問題。同時(shí)，環(huán)形水槽配套的測(cè)量設(shè)備也發(fā)生了巨大更迭。流速測(cè)量方法得到了改進(jìn)與完善，測(cè)量精度也隨之取得了顯著提升。早期流速測(cè)量多依靠旋槳流速儀，只能測(cè)得單點(diǎn)流速，無法指示連續(xù)的流速分布特征；隨后，聲學(xué)多普勒流速儀（ADV的應(yīng)用使得低精度的單點(diǎn)流速逐漸被高精度剖面流速數(shù)據(jù)所取代，并進(jìn)一步細(xì)化流速分布特征。近年來，聲學(xué)多普勒剖面流速儀（ADVP）與超聲多普勒速度剖面測(cè)量?jī)x（UDVP）的應(yīng)用，提供了更高精度的速度剖面數(shù)據(jù)與可視化流速分布，進(jìn)而彌補(bǔ)了無法對(duì)沉積過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的不足。此外，紅外/光學(xué)測(cè)沙儀（IBS/OBS）的使用能夠精確測(cè)定沉積物濃度，無需再通過虹吸管取樣標(biāo)定槽內(nèi)沉積物濃度[42]。

截至目前，國內(nèi)外已開展的環(huán)形水槽沉積產(chǎn)物物理模擬研究仍較為匱乏。河海大學(xué)作為國內(nèi)環(huán)形水槽物理模擬領(lǐng)域的先驅(qū)者，配備了多種不同類型的環(huán)形水槽，在河口動(dòng)力學(xué)以及環(huán)境科學(xué)方向不斷取得豐碩的研究成果[4I-49]。以河海大學(xué)環(huán)境泥沙實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)環(huán)形水槽D280為例，其主體結(jié)構(gòu)包括上部剪力環(huán)、下部環(huán)形槽與傳動(dòng)系統(tǒng)，通過改變剪力環(huán)與環(huán)形槽的轉(zhuǎn)速可調(diào)整水流速度。該水槽配置的相關(guān)設(shè)備包括：ADVP測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中固定ADVP探頭距底高度，使其可采集流速剖面數(shù)據(jù)；OBS測(cè)量，9個(gè)OBS分別嵌在內(nèi)壁面9個(gè)不同高度，以采集懸沙濃度變化；水槽外圍裝備高速攝像機(jī)，以記錄環(huán)形水槽內(nèi)部的沉積過程（表2）[52。此外，基于ADVP所測(cè)定的流速剖面、OBS測(cè)得的濃度剖面以及高速相機(jī)所記錄的流體沉積過程所搭建的一系列實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系能夠進(jìn)一步對(duì)流體性質(zhì)進(jìn)行鑒別分析，更有利于沉積產(chǎn)物的觀察。

表1環(huán)形水槽分類及基本特征

3 環(huán)形水槽模擬沉積產(chǎn)物

近年來，環(huán)形水槽物理模擬在地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。本研究系統(tǒng)總結(jié)了環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)在沉積物理模擬領(lǐng)域內(nèi)已取得的重要進(jìn)展，并闡述其在重力流沉積學(xué)、細(xì)粒沉積學(xué)以及潮汐與波浪沉積物理模擬方面的應(yīng)用現(xiàn)狀[7-72]。其中，環(huán)形水槽物理模擬在重力流沉積學(xué)方面的工作主要聚焦于濁流成因模擬、初始濁流在碎屑黏土驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)特征以及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過程、重力流混合事件層成因機(jī)制等研究[15-16.26];在細(xì)粒沉積學(xué)研究中，則是重點(diǎn)關(guān)注沉積物的動(dòng)水沉降機(jī)制、細(xì)粒沉積物底形的成因特征[69-70；而在潮汐與波浪沉積的模擬研究中，則專注于泥質(zhì)紋層成因機(jī)制與有機(jī)質(zhì)在沉積地層中的賦存形式[71-72]。

3.1 重力流沉積序列模擬

重力流沉積特征與沉積過程一直都是沉積學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究主題。盡管目前國內(nèi)外均具備開展重力流原位監(jiān)測(cè)的能力，但需要布置相對(duì)高精度的觀測(cè)網(wǎng)且整體操作流程也較為繁瑣，實(shí)施條件過于苛刻。因此，多數(shù)研究仍集中于野外露頭以及地球物理資料，無法完全還原重力流的沉積過程[73-74]。前人試圖從水槽模擬的角度出發(fā)，利用常見的直道水槽與方形水槽物理模擬對(duì)重力流的沉積過程與成因機(jī)制進(jìn)行深度剖析[416，75-76]。相比而言，環(huán)形水槽能夠模擬長(zhǎng)期維持紊流態(tài)的重力流，是分析濁流挾砂能力、濁積巖沉積構(gòu)造成因、過渡性重力流沉積過程與成因機(jī)制的有效途徑。

3.1.1 濁流沉積模擬

相關(guān)研究表明，涉及長(zhǎng)期過程的沉積物理模擬，如濁流減速沉降，受傳統(tǒng)水槽空間尺度限制的影響，其模擬結(jié)果并非完全準(zhǔn)確。然而，環(huán)形水槽物理模擬克服了空間尺度的限制，近似還原模擬自然界中的重力流。相關(guān)模擬證實(shí)，環(huán)形水槽所模擬的高流速、強(qiáng)紊流的持續(xù)性流體具有典型濁流流速結(jié)構(gòu)（圖3），并且其沉積物特征與濁積巖沉積序列相類似[1416.35]。因此，環(huán)形水槽物理模擬被認(rèn)為是模擬濁流沉積的有效手段[14I6。在對(duì)應(yīng)的物理模擬實(shí)驗(yàn)中，首先將流體調(diào)至最大流速，隨后對(duì)其進(jìn)行減速以模擬涌浪型濁流的沉積過程。通過改變顆粒粒徑與流體減速速率，能夠模擬出具有不完整鮑馬序列的濁流沉積[35]。在分析濁積巖沉積構(gòu)造的成因機(jī)制時(shí)，當(dāng)流體處于加速期間未發(fā)育任何沉積構(gòu)造；當(dāng)流體開始減速時(shí)，下伏床層和上部流體間開始發(fā)育沉積構(gòu)造（圖4a，c）。隨著減速速率變化，沉積構(gòu)造從最初的平行紋層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴罴y層[15-1d]。近床層內(nèi)的高泥沙濃度可能對(duì)底床的形成產(chǎn)生一定抑制作用，并阻礙沉降顆粒物沿底床進(jìn)行側(cè)向遷移及顆粒分選。此外，層流剪切層內(nèi)的高顆粒濃度以及顆粒間的相互作用也能夠抑制流體的湍流性質(zhì)，導(dǎo)致上部塞流區(qū)呈現(xiàn)弱湍流性質(zhì)，部分顆粒發(fā)生整體沉降形成塊狀沉積。隨著流速進(jìn)一步衰減，上部流體內(nèi)的顆粒濃度降低，形成低幅床波并逐漸發(fā)育平行紋層（圖4b，d）；隨后受到上部流體改造，逐漸向波紋過渡。因此，流體減速速率可能是影響沉積構(gòu)造發(fā)育的一個(gè)潛在控制因素，一系列減速實(shí)驗(yàn)證實(shí)了不同流體減速速率會(huì)制約流體內(nèi)部的流變性質(zhì)，進(jìn)而影響其沉積過程及沉積特征[32-35]

3.1.2 過渡性重力流沉積模擬

環(huán)形水槽物理模擬能夠正演沉積物重力流的沉積過程，并深人探究其沉積過程。與單次濁流相關(guān)的流體轉(zhuǎn)化是混合事件層最為普遍的成因[78-79]。不同類型的濁流轉(zhuǎn)換現(xiàn)象均與紊流抑制作用密切相關(guān)：（1）濁流沖刷下伏泥巖，由于紊流抑制作用增強(qiáng)，泥質(zhì)顆粒在局部聚集形成次級(jí)碎屑流。流速較快的濁流率先沉積，后續(xù)碎屑流沉積形成混合事件層（圖5a）。（2）濁流減速，其紊流支撐能力減弱。在低速狀態(tài)下，泥質(zhì)顆粒對(duì)紊流抑制作用變得更為明顯，致使?jié)崃餍再|(zhì)發(fā)生變化，從而在濁流尾部形成黏性碎屑流。這種情況下，濁流首先沉積，碎屑流隨后沉積，形成混合事件層（圖5b）。環(huán)形水槽物理模擬記錄了不同高嶺土含量的重力流水下流動(dòng)過程，明確了五種不同類型的過渡性流體（圖5c）。因此，在濁流形成碎屑流之前，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)過渡性階段，并發(fā)育過渡性流體。當(dāng)初始濁流侵蝕下伏泥巖時(shí)，濁流中泥質(zhì)含量不斷增加，使得濁流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)化，形成混合事件層。在初始濁流泥質(zhì)含量不變的情況下，隨著濁流緩慢減速，紊流支撐能力逐漸減弱，形成混合層沉積。通過改變模擬實(shí)驗(yàn)中沉積物體積濃度、黏土礦物類型及相應(yīng)比例，能夠模擬混合事件層沉積，并進(jìn)一步揭示流體轉(zhuǎn)化過程。

3.2 細(xì)粒沉積巖模擬

隨著沉積物理模擬技術(shù)日趨成熟，細(xì)粒沉積學(xué)研究從簡(jiǎn)單的長(zhǎng)試管靜置沉降擴(kuò)展至動(dòng)水沉降模擬細(xì)粒沉積巖，也是近年來細(xì)粒沉積物的重要發(fā)展趨勢(shì)[80]。相比之下，環(huán)形水槽物理模擬則為細(xì)粒沉積學(xué)研究提供了新方法與新思路?；谂艿朗剿畚锢砟M實(shí)驗(yàn)的最新研究進(jìn)展（圖2d，泥頁巖可以通過底流搬運(yùn)作用沉積形成，并非完全沉積于靜水環(huán)境[56.69-70]。通過對(duì)細(xì)粒沉積物沉積模式、底形特征以及輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行環(huán)形水槽物理模擬，深入分析細(xì)粒沉積物沉積過程，以及有機(jī)質(zhì)輸運(yùn)與富集機(jī)理間的耦合關(guān)系。這可為沉積機(jī)理、儲(chǔ)層構(gòu)型和沉積古環(huán)境恢復(fù)提供理論依據(jù)。

Fig.4Comparative analysis of physical simulation sedimentary productsand outcrop sedimentary characteristics inacircularflume （modified fromreferences [52，77]） （a）l （d）depositional characteristics inoutcrops;（e）thin sections and sketches of deposits in circular flume

相關(guān)研究表明，細(xì)粒沉積物與非黏性顆粒在沉積過程中并無本質(zhì)區(qū)別，但前者更為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為細(xì)粒沉積物或絮凝團(tuán)沉積速率變化。未發(fā)生絮凝時(shí)，顆粒沉降速率受其粒徑控制，通常以懸浮載荷的形式沉降于靜水環(huán)境，并形成平行紋層8。相反，絮凝作用形成的絮凝團(tuán)塊具有變化的沉降速率，可沉積于強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境，形成不同尺度的砂質(zhì)波紋。由于細(xì)粒沉積物之間具有較強(qiáng)黏結(jié)力，其表現(xiàn)出與非黏性顆粒的顯著差異，因此所形成的底形特征也有所不同。石英粉砂和黏土顆?；旌衔锏乃勰M結(jié)果表明，在流體搬運(yùn)過程中沉積物會(huì)發(fā)生分選現(xiàn)象，產(chǎn)生由粗粉砂組成的砂質(zhì)波紋以及由黏土顆粒形成的泥質(zhì)紋層。波紋背流面為強(qiáng)湍流區(qū)，沉積物堆積不均勻，呈朵葉狀分布。在低流速情況下，泥質(zhì)紋層以朵體形式向前擴(kuò)展；而在高流速情況下，朵體加寬并覆蓋背流面斜坡5。此外，泥質(zhì)紋層與砂質(zhì)波紋類似，也會(huì)發(fā)生崩塌并形成狹窄的舌狀體，沿前積層表面不斷向下游移動(dòng)。隨著沉積物的不斷累積，砂質(zhì)波紋發(fā)生崩塌，并持續(xù)向前推進(jìn)，整個(gè)沉積物表面呈現(xiàn)出連續(xù)的不規(guī)則形態(tài)。大量層狀絮凝物在邊界層表面移動(dòng)，并匯聚于波峰。當(dāng)足量沉積物堆積時(shí)，背流面發(fā)生崩塌，并形成復(fù)合前積層（圖7）[]

在研究細(xì)粒沉積物輸運(yùn)機(jī)制的過程中，強(qiáng)紊流流體導(dǎo)致細(xì)粒沉積物以懸移質(zhì)進(jìn)行輸運(yùn)。隨著流體衰減，部分細(xì)粒沉積物發(fā)生絮凝并形成底床載荷沿床層底部輸運(yùn)。當(dāng)流體靜止時(shí)，未絮凝的細(xì)粒沉積物則發(fā)生緩慢沉降。長(zhǎng)期處于懸浮狀態(tài)的細(xì)顆粒發(fā)生絮凝沉降，有助于細(xì)顆粒沉積范圍擴(kuò)張至靜水區(qū)之外。此外，細(xì)粒沉積物還會(huì)影響沉積物重力流（如異重流）的沉積過程，通過抑制流體紊流性質(zhì)，減小輸運(yùn)距離，進(jìn)而影響細(xì)粒沉積物在空間上的展布特征以及沉積形態(tài)[8。作為自然環(huán)境中細(xì)粒沉積物輸運(yùn)的重要機(jī)制，開展細(xì)粒異重流物理模擬對(duì)于進(jìn)一步揭示其沉積機(jī)制至關(guān)重要。

3.3 潮汐與波浪沉積序列模擬

潮汐及波浪物理模擬實(shí)驗(yàn)多聚焦于傳統(tǒng)水槽研究，其相關(guān)配套設(shè)備較為復(fù)雜[.83]。依托直道、方形水槽模擬對(duì)潮汐和波浪沉積進(jìn)行研究，其中包含：在漲潮一退潮過程中分析潮汐層理的沉積過程，以揭示內(nèi)部泥質(zhì)紋層的成因機(jī)制；在規(guī)則波浪作用下研究黏性顆粒對(duì)波痕平衡狀態(tài)的影響[83]。然而，傳統(tǒng)水槽模擬受限于水槽空間以及潮汐、波浪模擬方法，無法進(jìn)行深入探究?；诃h(huán)形水槽具有模擬雙向振蕩水流的特殊優(yōu)勢(shì)，相關(guān)物理模擬方法被引入到潮汐與波浪沉積模擬實(shí)驗(yàn)中，其相對(duì)于往復(fù)流水槽和造浪系統(tǒng)更加簡(jiǎn)便易用[70.82]。在此基礎(chǔ)上，通過正一反向旋轉(zhuǎn)環(huán)形水槽以模擬具有雙向振蕩性質(zhì)的潮汐與波浪流體，旨在探明潮汐層理與浪成交錯(cuò)層理的沉積過程及泥質(zhì)披覆沉積現(xiàn)象的成因機(jī)制[2.84-86]

3.3.1 潮汐沉積物理模擬

潮汐沉積環(huán)形水槽物理模擬已取得了一定的研究進(jìn)展，主要集中于解析潮汐層理中泥質(zhì)紋層的成因機(jī)制與沉積過程（圖8）[2。在初始階段，沉積物受到單向高速流體驅(qū)動(dòng)，形成波痕并向下游遷移；隨著潮汐流體減速，波痕遷移停止，泥質(zhì)沉積物逐漸從上部懸浮液中沉降并形成A型泥質(zhì)紋層；當(dāng)泥質(zhì)紋層逐漸增厚，具有較強(qiáng)流動(dòng)性的泥質(zhì)顆粒開始在波谷位置充填，形成B型泥質(zhì)紋層（圖8a）。隨著流體開始反向旋轉(zhuǎn)，B型泥質(zhì)紋層發(fā)生液化并重新懸浮，A型泥質(zhì)紋層受到侵蝕，同時(shí)在波谷位置發(fā)生沉積；隨著波痕的遷移，上一組波痕被截?cái)嗖⒆罱K形成具有雙向振蕩結(jié)構(gòu)的潮汐層理（圖8b）。野外露頭沉積現(xiàn)象與環(huán)形水槽模擬的產(chǎn)物類比分析，系統(tǒng)探明了潮汐流體的沉積過程與潮汐層理、泥質(zhì)披覆沉積的成因機(jī)制。

3.3.2波浪沉積物理模擬

波浪沉積的環(huán)形水槽物理模擬應(yīng)用成果主要聚焦于探究浪成交錯(cuò)層理規(guī)模的制約因素以及曲流河道中波浪的分選作用[84-86]。環(huán)形水槽物理模擬研究結(jié)果表明，大型浪成波痕僅在長(zhǎng)周期的振蕩流（較大的軌道直徑和較小的軌道速度）作用下形成[84。在軌道直徑較小的弱波浪作用下，底床上不發(fā)育波痕；在軌道速度較大的強(qiáng)波浪作用下，形成具有圓形波峰的波痕；而介于兩者之間，則形成具有錐形波峰的波痕4]。通過對(duì)波痕形態(tài)的識(shí)別，能夠初步判斷波浪特征。大型浪成波痕成因條件取決于軌道速度的上限和軌道直徑的下限，利用這些波痕參數(shù)進(jìn)行波浪反演對(duì)古環(huán)境重建具有重要意義。同時(shí)，水槽模擬中波浪橫向分選是沉積物分選的主導(dǎo)機(jī)制，也是導(dǎo)致沙丘發(fā)育的重要因素。在波浪作用下，細(xì)顆粒物將受到向上流體作用力影響而被抬升到沙丘頂部，而粗顆粒物則受到重力作用發(fā)生沉降并逐漸形成沙丘[7.8]。結(jié)合環(huán)形水槽波浪沉積產(chǎn)物的沉積過程監(jiān)測(cè)與成因機(jī)制分析，將進(jìn)一步探明濱岸帶浪控體系與沉積環(huán)境間的響應(yīng)機(jī)制。

4存在問題及研究展望

4.1環(huán)形水槽物理模擬的主要缺陷

雖然環(huán)形水槽物理模擬在沉積學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域取得了可觀成果，但在模擬過程中仍存在一定缺陷。環(huán)形水槽內(nèi)的流體同天然河道中彎道水流一樣存在橫向環(huán)流，是流速橫向分布不均勻和垂直于彎曲平面的離心力不平衡而產(chǎn)生的流體。彎曲水流中離心力無法消除，僅依靠其他作用力與之平衡，削弱由離心力產(chǎn)生的橫向流。當(dāng)環(huán)形槽與剪力環(huán)以一定轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，槽內(nèi)離心流、向心流相互削弱，水流中橫向力達(dá)到平衡狀態(tài)（圖9）。因此，在模擬過程中可通過多次模擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)定最優(yōu)轉(zhuǎn)速比，最大限度削弱橫向環(huán)流作用，盡可能減小其對(duì)沉積物的影響[88]。

相較于傳統(tǒng)水槽模擬實(shí)驗(yàn)，環(huán)形水槽所模擬的沉積產(chǎn)物形成于圓環(huán)狀的槽內(nèi)，隨著流體衰減而發(fā)育多期次沉積物堆積。如何對(duì)流體橫向演化與沉積物垂向堆積模式進(jìn)行追蹤與對(duì)比分析是環(huán)形水槽物理模擬發(fā)展過程中不可忽視的一環(huán)，需要如等高精度粒子圖像測(cè)速（PIV、V3V）以及環(huán)形水槽流體數(shù)值模擬技術(shù)的協(xié)助配合[9-90]。此外，通過PVC隔板或泥沙取樣器對(duì)環(huán)形水槽沉積產(chǎn)物進(jìn)行采集，便于觀察垂向剖面的變化以及沉積序列特征并對(duì)其進(jìn)行高精度粒度分析，進(jìn)一步揭示沉積物的沉積過程。

4.2 研究展望

環(huán)形水槽模擬能近似還原自然流體的沉積過程，不僅確保了物理模擬研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，還克服了傳統(tǒng)水槽的應(yīng)用限制，為基礎(chǔ)沉積學(xué)研究提供了新思路與新方法。目前，環(huán)形水槽物理模擬聚焦于重力流沉積與流體轉(zhuǎn)換模擬、細(xì)粒沉積物搬運(yùn)、有機(jī)質(zhì)輸運(yùn)與富集機(jī)理等熱點(diǎn)研究方向。相關(guān)研究系統(tǒng)探明了不同沉積物體積濃度、黏土礦物類型對(duì)過渡性重力流沉積過程的直接影響，有助于系統(tǒng)揭示流體轉(zhuǎn)化過程中的沉積響應(yīng)機(jī)制；同時(shí)，該模擬方法還適用于分析細(xì)粒沉積物研究，并進(jìn)一步明確了細(xì)粒沉積物輸送過程中顆粒磨蝕、流體性質(zhì)變化對(duì)顆粒有機(jī)碳富集機(jī)理及賦存形式的影響[56.69-70];此外，環(huán)形水槽在潮間帶區(qū)域的物理模擬也進(jìn)一步指示了潮間帶內(nèi)植物與沉積物對(duì)微塑料分布方式的影響。盡管如此，國內(nèi)基于環(huán)形水槽物理模擬的研究仍多集中于懸浮泥沙啟停的沉積底形模擬，對(duì)上述的沉積學(xué)熱點(diǎn)研究則較為薄弱。此外，環(huán)形水槽物理模擬在重力流沉積過程、非常規(guī)油氣甜點(diǎn)預(yù)測(cè)、深水碳匯過程等多種沉積學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要科研價(jià)值9]

5結(jié)語

綜合環(huán)形水槽物理模擬的發(fā)展歷史與研究進(jìn)展，系統(tǒng)探討了該模擬方法在重力流沉積過程與成因機(jī)制、細(xì)粒沉積物沉積底形以及潮汐與波浪沉積等方面已取得的相關(guān)成果。環(huán)形水槽物理模擬作為一類可靠的研究方法，使得一些沉積學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究從定性研究逐漸轉(zhuǎn)向定量分析。雖然，國內(nèi)環(huán)形水槽物理模擬正處于快速發(fā)展階段，但仍存在一定的制約因素。因此，為了深化基礎(chǔ)沉積學(xué)及相關(guān)沉積學(xué)熱點(diǎn)研究的認(rèn)知，應(yīng)從研究?jī)?nèi)容、技術(shù)手段和應(yīng)用展望三個(gè)方面進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)形水槽物理模擬發(fā)展。

（1）在研究?jī)?nèi)容上，除了開展圍繞基礎(chǔ)水動(dòng)力學(xué)特征探索的泥沙沉降、泥沙啟停模擬之外，還應(yīng)增加沉積產(chǎn)物模擬，以全面分析自然界中廣泛發(fā)生的沉積過程。此外，沉積產(chǎn)物的地形、沉積構(gòu)造也應(yīng)開展系統(tǒng)性研究，以全面了解沉積產(chǎn)物中沉積構(gòu)造的水動(dòng)力與沉積環(huán)境意義，從而為古環(huán)境與巖相古地理恢復(fù)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。盡管前人對(duì)環(huán)形水槽物理模擬進(jìn)行了大量的研究，但所取得的成果仍局限于環(huán)境流體水動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究。

（2）在技術(shù)手段上，應(yīng)引進(jìn)全新的模擬技術(shù)與監(jiān)測(cè)設(shè)備，搭建大尺度、長(zhǎng)周期的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過物理模擬技術(shù)再現(xiàn)沉積過程，使得研究人員更加直觀地觀察到沉積產(chǎn)物的演化過程。如今，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，沉積物理模擬技術(shù)逐漸向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，研究精度也將不斷提高。在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面，高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系將為沉積產(chǎn)物模擬的開展創(chuàng)造良好條件。

（3）環(huán)形水槽物理模擬已經(jīng)在重力流沉積、細(xì)粒沉積物搬運(yùn)以及潮汐與波浪沉積等研究中取得了一定進(jìn)展，有助于初步了解其沉積過程。然而，在后續(xù)研究中，仍需要深入探究其沉積與演化過程。這一工作對(duì)模擬沉積物的空間分布規(guī)律和構(gòu)型特征具有重要的指示意義。首先，由于深水地貌單元規(guī)模巨大且形成時(shí)間長(zhǎng)，而水槽的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際的地貌尺度，最終的沉積產(chǎn)物無法實(shí)現(xiàn)等比例模擬。其次，環(huán)形水槽的二次環(huán)流效應(yīng)以及沉積物橫向演化的追蹤對(duì)比會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，這也是一個(gè)亟待解決的重要問題。因此，環(huán)形水槽模擬與實(shí)際情況之間存在一定的差異，為了提高模擬結(jié)果的可靠性與真實(shí)性，仍需進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)方案并提高觀測(cè)精度。

致謝論文評(píng)審過程中，編輯部老師、三位評(píng)審專家提出了非常寶貴的修改建議；在實(shí)驗(yàn)過程中，喬中行博士對(duì)環(huán)形水槽物理模擬實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)，在此一并表示真誠的感謝。

參考文獻(xiàn)（References）

[1]曹耀華，賴志云，劉懷波，等.沉積模擬實(shí)驗(yàn)的歷史現(xiàn)狀及發(fā)展 趨勢(shì)[J].沉積學(xué)報(bào)，1990，8（1）：143-147.[Cao Yaohua，Lai Zhiyun，Liu Huaibo，et al.Sedimentary simulation experiments：In thepast，current states，and developingtrend[J].Acta Sedimento

[2]Williams G P.Flume experiments on the transport of a coarse sand[M]. Washington. Government Printing Office，1967： 1-31.

[3]Wijbenga JHA，Klaassen G J. Changes in bedform dimensions under unsteady flow conditions in a straight flume[M]//Collnson J D，Lewin J. Modern and ancient fluvial systems. Oxford， UK： Blackwell Publishing Ltd.，1983： 35-48.

[4]Southard JB， Boguchwal LA.Flume experiments on the transition fromripples to lower flat bed with increasing sand size[J]. Journal of Sedimentary Research，1973， 43（4）： 1114-1121.

[5]RidellJF. A laboratory study of suspension-effect density currents[J].Canadian Journal of Earth Sciences，1969，6（2）： 231-246.

[6]盧斌，邱振，周川閩，等．泥頁巖沉積物理模擬研究進(jìn)展與發(fā)展 趨勢(shì)[J].沉積學(xué)報(bào)，2021，39（4）：781-793.[Lu Bin，Qiu Zhen， Zhou Chuanmin， et al. Progressand prospects in the physical simulationof mudstone deposition[J].Acta Sedimentologica Sinica， 2021，39（4）： 781-793.]

[7]Potter PE，Maynard JB，DepetrisPJ. Mud and mudstones：Introduction and overview[M]. Berlin： Springer，20o5： 23-74.

[8]Middleton G V. Experiments on density and turbidity currents： I. Motion of the head[J].Canadian Journal of Earth Sciences，1966， 3（4）： 523-546.

[9]Middleton G V. Experiments on density and turbidity currents： II.Uniform flow of density currents[J]. Canadian Journal of Earth Sciences，1966，3（5）： 627-637.

[10]Middleton G V. Experiments on density and turbidity currents： III .Deposition of sediment[J].Canadian Journal of Earth Sciences，1967，4（3）： 475-505.

[11]Cao K，Shao Y Y， Tong C F， et al. Research progress of annular flume technology[J].Applied Mechanics and Materials，2013， 256-259：2498-2508.

[12]Gilbert G K， Murphy EC. The transportation of debris by running water[R]. Washington： U.S. Geological Survey，1914：86.

[13]Best JL，Reid I. Discussion of “Separation zone at openchannel junctions”by James L.Best and Ian Reid （November， 1984）[J].Journal of Hydraulic Engineering，1987，113（4）： 545-548.

[14]Kuenen PH. Experimental turbidite lamination in a circular flume[J]. The Journal of Geology，1966，74（5）： 523-545.

[15]Sumner E J，Amy L A，Tallng PJ.Deposit structure and processes of sand deposition from decelerating sediment suspenions [J].Journal of Sedimentary Research，20o8，78（8）： 529-547.

[16]SumnerEJ，Taling PJ，AmyLA.Deposits of flows transitional between turbidity current and debris flow[J].Geology，2009，37 （11）： 991-994.

[17］趙德招，劉杰，吳華林．近十年來臺(tái)風(fēng)誘發(fā)長(zhǎng)江口航道驟淤的 初步分析[J].泥沙研究，2012（2）：54-60.[Zhao Dezhao，Liu Jie，Wu Hualin.Preliminary analysis of typhoon-induced sudden sedimentation innavioation channel in Yanotze Fstuarv overlast decade[J]. Journal of Sediment Research， 2012（2）： 54-60.]

[18］李孟國，曹祖德．粉沙質(zhì)海岸泥沙問題研究進(jìn)展[J].泥沙研 究，2009（2）： 72-80.[Li Mengguo，Cao Dezu.Review on the study of sediment problems on the silt-sandy coast[J]. Journal of Sediment Research，2009（2）：72-80.]

[19］張春生，劉忠保，曹躍華，等．歧北凹陷舌狀砂體沉積模擬實(shí) 驗(yàn)[J].石油與天然氣地質(zhì)，1995，16（2）：178-183.[Zhang Chunsheng，Liu Zhongbao， Cao Yuehua， et al.Depositional simulation of lobate sand body in Qibei Sag[J].Oilamp; Gas Geology， 1995，16（2）： 178-183.]

[20]鄢繼華，陳世悅，姜在興，等．?dāng)嘞莺枵饾岱e巖成因模擬實(shí) 驗(yàn)[J]．古地理學(xué)報(bào)，2007，9（3）：277-282.[Yan Jihua，Chen Shiyue，Jiang Zaixing，et al.Simulating experiment on genesis of seismo-turbidites in rift lacustrine basin[J].Journal of Palaeogeography，2007，9（3）： 277-282.]

［21]王星星，王英民，高勝美，等．深水重力流模擬研究進(jìn)展及對(duì) 海洋油氣開發(fā)的啟示[J]：中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，47（3）： 588-602.[Wang Xingxing，Wang Yingmin，Gao Shengmei，et al.Advancements of the deep-water gravity flow simulations and their implications for exploitation of marine petroleum[J]. Journal of China Universityof Mining amp; Technology，2018，47 （3）： 588-602.]

[22]程立華，陳世悅，吳勝和，等．?dāng)嘞菖璧囟钙聨热侵弈M 及沉積動(dòng)力學(xué)分析[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2005，25（4）： 29-34.[ChengLihua，Chen Shiyue，Wu Shenghe，etal.The simulation and sedimentary dynamic analysis of fan delta in the steep slope of fault basin[J].Marine Geology amp; Quaternary Geology，2005，25（4）： 29-34.]

[23]Petersen O，Krishnappan B G. Measurement and analysis of flowcharacteristicsin a rotating circular flume[J].Journal of Hydraulic Research，1994，32（4）： 483-494.

[24]Pope ND，Widdows J，Brinsley MD.Estimation of bed shear stress using the turbulent kinetic energy approach—A comparisonof annular flume and field data[J].Continental Shelf Research，2006，26（8）： 959-970.

[25]James PW，Jones TER，Stewart D M.Numerical and experimental studies of annular flume flow[J].Applied Mathematical Modelling，1996，20（3）： 225-231.

[26]Bath Enright O G，Minter NJ， Sumner EJ，et al.Flume experiments reveal flows in the Burgess Shale can sample and transport organisms across substantial distances[J].Communications Earth amp; Environment，2021，2（1）：104.

[27]Partheniades E，Kennedy JF.Depositional behavior of fine sediment in a turbulent fluid motion[C]//Coastal engineering 1966. Tokyo： American Society of Civil Engineers，1966： 707-729.

[28]Mehta A J. Depositional behavior of cohesive sediments[D]. Gainesville： University of Florida， 1973：16.

[29]Winterwerp JC，Kranenburg C. Erosion of fluid mud layers. II： Experiments and model validation[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1997，123（6）： 512-519.

[30]Stone M，Krishnappan B G.Transport characteristics of tiledrain sediments from an agricultural watershed[C]/Proceedings of the 7th international symposium on the interactions between sediments and water. Baveno： Springer，1997： 89-103.

[31]Teisson C，Ockenden M，Le Hir P，et al.Cohesive sediment transport processes[J]. Coastal Engineering，1993，21（1/2/3）： 129-162.

[32]Kuenen P H， HumbertF L. Grain size of turbidite ripples[J]. Sedimentology，1969，13（3/4）：25-61.

[3]Kenen PH，Sengupta S.Experimental marine suspensioncurrents，competency and capacity[J].Geologie en Mijnbouw， 1970，49（2）： 89-118.

[34]Kuenen P H. Matrix of turbidites： Experimental approach[J]. Sedimentology，1966，7（4）： 267-297.

[35]Banerjee I. Experimental study on the effect of deceleration on the vertical sequence of sedimentary structures in silty sediments [J].Journal of Sedimentary Research，1977，47（2）：771-783.

[36]Buls T，Anderskouv K，F(xiàn)riend PL，et al.Physical behaviour of Cretaceous calcareous nannofossil ooze： Insight from flume studies of disaggregated chalk[J]. Sedimentology，2017，64（2）： 478-507.

[37]Ogbuagu C C，Kassem H， Udiba U U，et al. Role of saltmarsh systems in estuarine trapping of microplastics[J].Scientific Reports，2022，12（1）：15546.

[38]Sondergard M， Jensen JP， Jeppesen E. Role of sediment and internal loading ofphosphorus in shallow lakes[J].Hydrobiologia， 2003，506（1）： 135-145.

[39]Yang Z Q，Baptista A，Darland J.Numerical modeling of flow characteristics in a rotating annular flume[J].Dynamics of Atmospheres and Oceans，2000，31（1/2/3/4）： 271-294.

[40］徐嘯．細(xì)顆粒粘性泥沙沉降率的探討[J]．水利水運(yùn)科學(xué)研究， 1989（4）：93-104.[Xu Xiao. Approaching of fine cohesive sediment depositional rate[J].Hydro-Science and Engineering，1989 （4）： 93-104.]

[41]Yao P，Su M， Wang Z B， et al. Experiment inspired numerical modeling of sediment concentration over sand-silt mixtures[J]. Coastal Engineering，2015，105：75-89.

[42]陳永平，喬中行，許春陽，等．粉砂含量對(duì)環(huán)形水槽混合床面 沖刷特性的影響[J]．泥沙研究，2021，46（5）：1-8.[Chen Yongping，Qiao Zhongxing，Xu Chunyang， et al. Influences of sediment composition on scour of silt-sand mixture bed[J]. Journal of Sediment Research，2021，46（5）：1-8.]

[43］沈承烈，阮文杰．長(zhǎng)江口河床質(zhì)沖淤特性的試驗(yàn)研究[J].泥沙 研究，1986（3）：62-72.[Shen Chenglie，Ruan Wenjie.Experimental research of the Yangtze Estuary bed material erosion and deposition characteristics[J].Journal of Sediment Research， 1986（3）： 62-72. ]

[44］阮文杰．細(xì)顆粒泥沙動(dòng)水絮凝的機(jī)理分析[J].海洋科學(xué)，1991 （5）：46-49.[Ruan Wenjie. Mechanistic analysis on hydrodynamic flocculation on fine sediments[J]. Marine Sciences，1991 （5）： 46-49.]

[45］阮文杰．長(zhǎng)江口南支河床質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J].海洋科學(xué)，1992 （4）：44-48.[RuanWenjie.Transportion patterns of bed load in SouthBranch of the Changjiang River Estuary[J].Marine Sciences，1992（4）：44-48.]

[46]張志南，周宇，韓潔，等．生物擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（AFS）的基本結(jié)構(gòu) 和工作原理[J].海洋科學(xué)，1999（6）：28-30.[Zhang Zhinan， Zhou Yu，Han Jie，et al.The basic structures and operational principles of the annular flux system （AFS）[J]. Marine Sciences， 1999（6）： 28-30. ]

[47]彭進(jìn)平，逢勇，李一平，等．水動(dòng)力條件對(duì)湖泊水體磷素質(zhì)量 濃度的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2003，12（4）：388-392.[Peng Jinping，Pang Yong，Li Yiping，etal.The effect of water dynamical condition on phosphorus in lake[J]. Ecology and Environment， 2003，12（4）： 388-392.]

[48］童亞莉，梁濤，王凌青，等．雙向環(huán)形水槽模擬變化水位和流 速下洞庭湖沉積物氮釋放特征[J]．湖泊科學(xué)，2016，28（1）：59- 67.[Tong Yali，Liang Tao，Wang Lingqing，etal.Characteristics of nitrogen release from Lake Dongting sediments under variable water level and velocity in the two-way annular flume[J]. Journal ofLake Sciences，2016，28（1）： 59-67.]

[49］吉飛，李志偉，趙汗青．水動(dòng)力作用下泥沙對(duì)磷的吸附特征 [J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，45（1）：56-62.[JiFei， Li Zhiwei，Zhao Hanqing.Characteristicsofadsorption of phosphorus by sediment under hydrodynamic action[J]. Journal of Hohai University （Natural Sciences），2017，45（1）： 56-62.]

[50］金鷹，張鷹．灌河口泥沙的環(huán)形水槽試驗(yàn)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)， 1993，21（1） ：48-54.[Jin Ying，Zhang Ying.Annular tank tests of sediment from Guanhe Estuary[J]. Journal ofHohai University， 1993，21（1）： 48-54. ]

[51］馮學(xué)英．環(huán)形水槽機(jī)理與應(yīng)用研究[J].水道港口，1998（3）：7- 11.[FengXueying.On mechanism and application of circulatingflume[J].Journal ofWaterwayand Harbor，1998（3）：7-11.]

[52］王捷，周晶晶，張長(zhǎng)寬．雙向環(huán)形水槽流速分布規(guī)律試驗(yàn)研究 [J].泥沙研究，2014（5）：32-37.[WangJie，Zhou Jingjing， Zhang Changkuan. Experimental study on velocity distribution oftwo-direction rotatingannular flume[J]. Journal of Sediment Research，2014（5）： 32-37.]

[53]Spork V， Ruland P， Schneider B，et al. A new rotating annular flume for investigations on sediment transport[J]. International Journal of Sediment Research，1994， 9（3）： 141-147.

[54]Widdows J，Brinsley MD，Salkeld PN，et al. Influence of biota on spatial and temporal variation in sediment erodability and materialflux ona tidal flat （Westerschelde，The Netherlands）[J]. Marine Ecology Progress Series，2000，194： 23-37.

[55]BaleAJ，Widdows J，Harris CB，et al.Measurements of the critical erosion threshold of surface sediments along the Tamar Estuary using a mini-annular flume[J].Continental Shelf Research，2006，26（10）： 1206-1216.

[56]Schieber J. Reverse engineering mother nature—Shale sedimenwivgy Hum an vApeieai peispevuve[JJ. seumenary Gviv\" gy，2011，238（1/2）： 1-22.

[57]Hermidas N，EggenhuisenJT，JacintoRS，etal.Aclaification of clay-rich subaqueous density flow structures[J]. Journal of Geophysical Research： Earth Surface，2018，123（5）： 945-966.

[58]Amos C L，Bergamasco A， Umgiesser G， et al. The stability of tidal flats in Venice Lagoon—The results of in-situ measurements using two benthic，annular flumes[J]. Journal of Marine Systems，2004，51（1/2/3/4）：211-241.

[59]Liu HL，JiaYG， Zhang S T，et al. Field measurement of the erosion thresholdof silty seabed in the intertidal flat of the Yellow River deltawith a newly-developed annular flume[J].Frontiers in Marine Science，2023，10：1177241.

[60]Thompson CEL，Couceiro F，F(xiàn)ones G R，et al.In situ flume measurements of resuspension in the North Sea[J]. Estuarine， Coastal and Shelf Science，2011，94（1）： 77-88.

[61]Aberle J，NikoraV，WaltersR.Data interpretation for insitu measurements of cohesive sediment erosion[J]. Journal of Hy-draulic Engineering，2006，132（6）： 581-588.

[62]ManningAJ，F(xiàn)riend PL，Prowse N， et al.Estuarine mud flocculation properties determined using an annular mini-flume and the LabSFLOC system[J].Continental Shelf Research，2007，27（8）： 1080-1095.]

[63]Piedra-CuevaI，Mory M，Temperville A.Arace-track recirculating flume for cohesive sediment research[J]. Journal of Hydraulic Research，1997，35（3）： 377-396.

[64]Lara M，Bouma TJ，PeraltaG，etal.Hydrodynamic effects of macrophyte microtopography： Spatial consequences of interspecific benthic transitions[J]. Marine Ecology Progress Series， 2016，561： 123-136.

[65］蘇敏，顧浩，陳永平，等．基于ADV的底床切應(yīng)力測(cè)量精度提 升實(shí)驗(yàn)探究[J].泥沙研究，2023，48（4）：24-31.[SuMin，Gu Hao，Chen Yongping，et al. Experimental study on the measurement accuracy improvement of bed shear stress by ADV[J]. Journal of Sediment Research，2023，48（4）： 24-31.]

[66]Wright JD，Baas JH. Despiking ultrasonic doppler velocity profiling data[J]. Journal of Sedimentary Research，2013，83（11）： 954-961.

[67] Ciutat A，Widdows J，Readman JW.Influence of cockle cerastoderma edule bioturbation and tidal-current cycles on resuspension of sediment and polycyclic aromatic hydrocarbons[J]. Marine Ecology Progress Series，2006，328：51-64.

[68]Hawley N.Flume experiments on the origin of flaser bedding [J].Sedimentology，1981，28（5）： 699-712.

[69]Schieber J，Southard JB.Bedload transport of mud by floccule ripples-direct observation of ripple migration processes and their implications[J]. Geology，2009，37（6）： 483-486.

[70]Schieber J， Southard J， Thaisen K.Accretion of mudstone beds from migrating floccule ripples[J]. Science，2007， 318（5857）： 1760-1763.

[71]Terwindt JH J， Breusers H N C. Experiments on the origin of flaser，lenticular and sand-clayalternating bedding[J].Sedimentology，1972，19（1/2）： 85-98.

[72]Sato T，TaniguchiK， TakagawaT，etal.Generation of tidal bedding in a circular flume experiment：Formation process and preservation potential of mud drapes[J]. Geo-Marine Letters，2011， 31（2）：101-108.

[73]Talling P J，Masson D G， Sumner E J，et al. Subaqueous sediment density flows：Depositional processes and deposit types[J]. Sedimentology，2012，59（7）：1937-2003.

[74]Postma H. Sediment transport and sedimentation in the estuarineenvironment[M]//LauffGH.Estuaries.Washington，DC： American Association for Advancement of Science，1967： 158-180.

[75]Hizzett JL，Sumner EJ，Cartigny MJB，et al. Mud-clast armoringand its implications for turbidite systems[J].Journal of Sedimentary Research，2020，90（7）：687-700.

[76]Haughton P，Davis C，McCaffrey W，et al.Hybrid sediment gravity flow deposits：Classification，origin and significance[J]. Marine and Petroleum Geology，2009，26（10）： 1900-1918.

[77]Baar A W，de Smit J， Uijttewaal W S J，et al. Sediment transport of fine sand to fine gravel on transverse bed slopes in rotating annular flume experiments[J].Water ResourcesResearch，2018， 54 （1）： 19-45.

[78］談明軒，朱筱敏，耿名揚(yáng)，等．沉積物重力流流體轉(zhuǎn)化沉積- 混合事件層[J].沉積學(xué)報(bào)，2016，34（6）：1108-1119.[Tan Mingxuan，Zhu Xiaomin， GengMingyang， etal.The flow transforming deposits of sedimentary gravity flow-hybrid event bed [J].Acta Sedimentologica Sinica，2016，34（6）：1108-1119.]

[79]BaasJH，Best JL，PeakallJ，et al.A phase diagram for turbulent， transitional，and laminar clay suspension flows[J].Journal of Sedimentary Research，2009，79（4）：162-183.

[80］李勝利，李順利，付超．長(zhǎng)試管靜置沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)湖盆細(xì)粒 沉積紋層成因的啟示[J].古地理學(xué)報(bào)，2022，24（3）：405-414. [Li Shengli，Li Shunli， Fu Chao.Implication of the large-tube settling experiment results on genesis of fine-grained deposition lamination of lacustrine basin[J]. Journal of Palaeogeography， 2022，24（3）： 405-414.]

[81]Allen JR L.Current ripples： Their relation to patterns of water and sediment motion[M]. Amsterdam：North-Holland Publishing Company，1968： 1-433.

[82]Dou LX，Best J，Bao Z D，et al. The sedimentary architecture of hyperpycnites produced by transient turbulent flows in a shallow lacustrine environment[J]. Sedimentary Geology，2021，411： 105804.

[83]Wu XX，Baas JH，Parsons D R，et al. Wave ripple development onmixed clay-sand substrates：Effects of clay winnowingand armoring[J]. Journal of Geophysical Research：Earth Surface， 2018，123（11）： 2784-2801.

[84]Taniguchi K，Takagawa T， Masuda F. Forming conditions of GiantRipples ina circular water flume[C]//Sekiguchi，Hideo （Hg.）：Proceedings 4th International Conference on Scour and Erosion （ICSE-4）. Tokyo，Japan. Tokyo： The Japanese Geotechnical Society，2008： 558-561.

[85]Takagawa T. Experimental study on formative conditions of hummocky cross-stratification using circular flume[D]. Kyoto： Kyoto University，2007.

[86]Baar A W，Weisscher S A H，Kleinhans MG.Interaction between lateral sorting in river bends and vertical sorting in dunes[J]. Sedimentology，2020，67（1）： 606-626.

[87］李華國，袁美琦，張秀芹．淤泥臨界起動(dòng)條件及沖刷率試驗(yàn)研 究[J].水道港口，1995（3）：20-26.[Li Huaguo，Yuan Meiqi， Zhang Xiuqin. Study on critical motion and erosion of cohesive sediment[J]. Journal of Waterway and Harbor， 1995（3）： 20-26.]

[88］王兆印，黃金池，蘇德惠．河道沖刷和清水水流河床沖刷率 [J].泥沙研究，1998（1）：3-13.[Wang Zhaoyin，Huang Jinchi， Su Dehui. River channel scour and scour rate of clear water flow [J].Journal of Sediment Research， 1998（1）： 3-13.]

[89]Gurka R，Liberzon A，Hetsroni G. Detecting coherent patterns in aflume by using PIV and IR imaging techniques[J].Experiments in Fluids，2004，37（2）： 230-236.

[90]GharabaghiB，Inkratas C，Krishnappan BG，etal.Flow characteristics in arotating circular flume[J]. The Open Civil Engineering Journal，2007，1（1）： 30-36.

[91]Scheingross JS，Hovius N，Dellinger M，et al.Preservation of organic carbon during active fluvial transport and particle abrasion[J]. Geology，2019，47（10）： 958-962.

Abstract：[Significance]Physicalsimulation experimentation ina circular flume is an effctive means of simulating the sedimentary processand revealing its formation mechanism.It isof great significance to research directions such as hydraulic engineering，environmental science，sedimentology，and hydrocarbon exploration.The circular flume sustains continuous fluid flowunder the influence of inertial and shear forces，and is considered to approximate the transport and deposition of sediment over an infinitely long distance.Therefore，it approximately reproduces aspects of transportdistanceandfluid velocitythatoccurinenvironmentalfluid flow，breaking through theapplication limitations of traditional flume simulations.[Progress]To meetthe research needs of diffrent application scenarios，circular flumes have gradually evolved into four types：conventional circular flumes，in situ circularflumes，mini circular flumes，and racetrack flumes.To date，physical simulations using circular flumes have achieved fruitful results in studyingdepositional characteristics，bedform morphology，and depositional mechanisms，among other aspects.However，there isstillarelative scarcityofresearch insedimentaryphysical simulation.With thedevelopmentof technologyand equipment，research in sedimentary physical simulation has also made significant progress.For example， gravity flow deposition，the dynamicsof fine-grained deposition transport，and tidal andwave deposition have become important research areas in physical simulations using circular flumes.It is recognized that there are several limitations in circularflume physical simulations，such asthe influenceof scondary circulation and the tracking of lateral deposition evolution，which willbe optimized in subsequent research through improved experimental designs and enhanced measurement accuracy.[Conclusions and Prospects] In summary，systematically expanding the applicabilityof physical simulation with annular flumes basedonsedimentology principles willcontribute to the innovative development of basic sedimentological theories and many aspects such as fine-grained sedimentology and unconventional hydrocarbon sedimentology.

Key words： physical simulation;circular flume； sedimentary geology； sedimentary process; implications