海底沙波遷移過程原位觀測簡易裝置設計與試驗

沈澤中，賈永剛,2，張少同，張博文，單紅仙,2，劉曉磊,2

(1. 中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100; 2. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，山東 青島 266100)

海底沙波遷移過程原位觀測簡易裝置設計與試驗

沈澤中1，賈永剛1,2，張少同1，張博文1，單紅仙1,2，劉曉磊1,2

(1. 中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100; 2. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，山東 青島 266100)

海底沙波的遷移對海底基礎工程具有潛在危害，成為人們?nèi)找骊P注的熱點。目前對海底沙波遷移過程的研究缺乏原位長期觀測數(shù)據(jù)的支撐，設計一種海底沙波遷移過程的原位觀測裝置，通過水壓差與高程差變化的對應關系來確定沙波的形態(tài)變化和遷移過程。并且在室內(nèi)波浪水槽中對裝置觀測的可行性和觀測結(jié)果的準確性進行驗證，同時在仰口灣潮灘進行現(xiàn)場觀測應用。該裝置室內(nèi)試驗測量計算得到沙波表面高度變化5.9 cm，而觀測得到沙波表面高度實際變化5.5 cm，兩者吻合程度很好。試驗結(jié)果表明，這套海底沙波遷移過程原位觀測裝置能對沙波外部形態(tài)變化進行測量且準確度較高，為海底沙波遷移的觀測提供了新方法。

海底沙波；遷移過程；原位觀測；設計與驗證；水槽試驗

陸架海底砂質(zhì)沉積物在海洋浪、潮、流等水動力作用下，發(fā)育成各種起伏的海底地貌，統(tǒng)稱底床形態(tài)，波脊線垂直于陸架主水流方向的丘狀或新月狀底床形態(tài)稱為海底沙波，在全球潮流陸架、海岸、海峽、海灣普遍發(fā)育。

對于海底沙波的研究，國外首見于1901年Cornish[1]的文章，我國較早的系統(tǒng)研究是20世紀90年代馮文科[2]對南海北部陸架沙波地貌動態(tài)的研究。隨著近年海洋資源開發(fā)的力度加大，國家在大陸架鋪設了大量的電纜和油氣輸運管線。而海底沙波在潮流、熱帶風暴或內(nèi)波等作用下會產(chǎn)生遷移，可能造成海底輸運管道的懸空或掩埋，更嚴重的可能導致海底輸運管道和光纜斷裂、海上平臺傾斜，給經(jīng)濟和環(huán)境帶來巨大損失。

現(xiàn)今國內(nèi)外研究者對海底沙波遷移觀測的研究，多采用水深重復測量的觀測手段[3-6]，這是目前最直接也是最有效的方法，尤其是對單個大尺度的海底沙波。國外學者Berne等[7]利用水深重復測量配合側(cè)掃聲納探測研究海底沙波長期遷移變化的規(guī)律；Li等[8]連續(xù)5年重復測量加拿大塞布爾吉島附近海域沙波區(qū)的水深，通過脊線對比確定其遷移距離；Ludwick[9]經(jīng)過17個月切斯皮克灣的定位水深測量，提出海底沙波遷移速率與其大小成反比的觀點；Idier等[10]對英吉利海峽的沙波水深重復測量結(jié)果顯示其遷移速率可達17 m/a。徐景平等[11]通過4年Monterey峽谷沙波區(qū)高精度多波束水深重復測量，得到該海域沙波波高和波長的大體范圍，并發(fā)現(xiàn)在100～150 m水深范圍內(nèi)波長隨水深的增加而增大。李近元等[12]綜合2007至2009年海南東方外岸多波束測深數(shù)據(jù)，得出該海域海底沙波遷移速率最大為47 m/a。除了水深重復測量的觀測研究方法，還有聲、光學觀測儀器集成構(gòu)建的綜合觀測平臺，Jo and Lee[13]就曾利用觀測平臺采集潮灘上的水動力特征以及底面沙紋的動力過程，不過目前只是直接完整觀測到沙紋的動力過程而未進行長時間觀測。

由于現(xiàn)今的觀測都具有觀測間歇不連續(xù)等特點，且沒有原位長期觀測數(shù)據(jù)的支撐，致使對海底沙波遷移的實際觀測沒有新進展，同時更加無法對其遷移進行準確預測。所以，我們亟需研究海底沙波原位觀測的新技術，以便透徹的了解其遷移的動態(tài)變化過程，為海底基礎工程設施提供安全保障。

首先介紹了海底沙波遷移過程觀測裝置的整體設計，其次在室內(nèi)波浪水槽試驗對觀測裝置進行可行性和準確性驗證試驗，之后在青島仰口灣潮灘上對觀測裝置進行了短期的觀測應用，最后指出了下一步計劃，研究沙波活動性原位測量裝置，希望能對今后的研究工作提供借鑒指導。

1 觀測裝置整體設計

1.1整體結(jié)構(gòu)設計

海底沙波遷移過程的觀測裝置和室內(nèi)驗證測量裝置如圖1所示，包括觀測搭載平臺和觀測儀器。其中，觀測搭載平臺主要由不銹鋼四腳架、密度大于水的測量浮球及其他附屬設備(光滑不銹鋼鋼桿、細鋼筋、配重塊等)組成。觀測儀器主要為壓力計和姿態(tài)傳感器，壓力計用來觀測海底沙波的波高和遷移周期，姿態(tài)傳感器則是在觀測搭載平臺布放或觀測過程中傾斜時，對后續(xù)的數(shù)據(jù)處理起修正作用。

測量浮球分為上端蓋、下端蓋和主體，所用材料密度大于水小于砂。上、下端蓋為半球形，中心都有一個圓孔且設計了承軸和滾珠，并在圓孔內(nèi)側(cè)添加特殊材料，保證浮球能在光滑鋼桿上小摩擦的豎向運動。與下端蓋不一樣的是，上端蓋表面有4個直徑0.01 m的圓孔，在距中心軸線0.03 m處的外表面上均勻分布，既是保證浮球內(nèi)外水壓一致，也是為了走線方便。同時在上端蓋的兩個圓孔上設計纏了一根細鋼絲，頂部繞成圓形套在光滑鋼桿上，這樣可以實時查看光滑鋼桿上的讀數(shù)。浮球整體為空心、厚度1 cm，內(nèi)部一側(cè)設計了壓力傳感器的固定架子，保證壓力傳感器能和測量浮球同步運動。

圖1 沙波遷移過程測量裝置和室內(nèi)驗證裝置Fig. 1 Height and period observation device and indoor verification device

不同海域海水垂向密度存在著差異，不過沙波大部分存在于80～200 m水深處，總體差異很小，對浮球密度的選擇不會造成太大影響。由于海底沙波波高由幾十厘米到數(shù)米，波長由幾十厘米至幾米或幾十米，且現(xiàn)階段已對不同海域沙波的形態(tài)尺度有了大體的了解，布放前需要根據(jù)具體形態(tài)尺寸設計浮球大小及裝置尺寸。在觀測裝置布放時，需要GPS、調(diào)查船和起吊裝置輔助。測量浮球內(nèi)部固定有姿態(tài)傳感器，測量裝置布放時的傾角，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理，確保裝置傾斜時也能得到正確的數(shù)據(jù)。

1.2測量原理

海底沙波波高測量原理，主要是基于觀測點測量水壓的變化，壓力計一個固定在測量浮球內(nèi)部，測量沙波波高；另一個固定在光滑鋼桿上部，消除波浪和潮汐作用的影響。在觀測點沙波波峰遷移的過程中，浮球中的壓力計會隨著浮球豎向運動，且始終處于水砂界面處。當觀測點達到波峰時，浮球中壓力計示數(shù)最小(P1)，當觀測點達到波谷時，浮球中壓力計示數(shù)最大(P2)。消除波浪和潮汐作用的影響后，如果測量周期超過沙波遷移周期，壓力計最大值與最小值之差所對應的距離(H)即為海底沙波的波高，如圖2所示。

海底沙波遷移周期測量原理，與波高測量原理類似，同樣是利用水深壓力計對觀測點進行水壓力測量。將浮球中和光滑金屬桿頂部壓力計的壓力差轉(zhuǎn)化為高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄兩個相鄰最大高程值所花的時間，即為海底沙波遷移的周期。

圖2 觀測裝置測量原理示意Fig. 2 Measuring principle diagram of observation device

2 水槽驗證試驗

2.1試驗裝置與材料

在波浪水槽中進行室內(nèi)水槽驗證試驗，試驗裝置與材料主要包括波浪水槽、測量浮球、壓力傳感器、壓力采集儀、砂。試驗水槽及尺寸如圖3所示，水槽頂部設有造波機，造波頻率由變頻控制箱調(diào)控，范圍是0.2～50 Hz，不同頻率對應不同波高。水槽的末端為消波段，鋪有礫石斜坡用來消波，防止回波干擾試驗。

圖3 水槽試驗裝置示意Fig. 3 Schematic diagram of flume

測量浮球有4個，在空氣中密度分別為1.23 g/cm3、1.18 g/cm3、1.13 g/cm3和1.07 g/cm3，除了密度不同，其它完全相同。試驗自配海水，鹽度約為34‰；砂樣取自青島石老人海灘，經(jīng)篩分實驗，砂粒平均粒徑0.25 mm，不均勻系數(shù)1.475，曲率系數(shù)1.13；壓力傳感器的分辨率0.01 ppm、精度0.01% FS，采集頻率10 Hz；壓力采集儀的精度0.1% FS，測量范圍0～700 bar。

2.2試驗方法與過程

2.2.1 試驗方法

使用中細砂在水槽中鋪設凸形和凹形兩種底床形態(tài)，將觀測裝置布設在凹形(兩邊高中間低)和凸形(兩邊低中間高)的底床形態(tài)上。測量浮球在水中自由下沉，在波浪作用下，水槽中沙波波峰會緩慢向前移動，觀察此過程中測量浮球是否在泥沙的作用下豎向運動，驗證觀測裝置實際觀測的可行性。同時記錄浮球豎直運動的距離，并與觀測裝置中壓力傳感器所記錄的數(shù)據(jù)處理后對比，驗證其觀測結(jié)果的準確性。

本試驗使用了兩個壓力傳感器，一個固定在測量浮球中用來測量沙波的運動周期和波高，另一個固定在水槽壁上，在處理數(shù)據(jù)時可消除波浪作用的影響。另外，在波浪水槽中會產(chǎn)生很小的環(huán)形底流，經(jīng)壓力傳感器校驗，對觀測結(jié)果幾乎沒有影響，可以忽略。

2.2.2 試驗過程

本次室內(nèi)水槽試驗試驗過程如下：

1)試驗前準備

首先校準兩個壓力傳感器。固定于測量浮球中的壓力傳感器稱為1號壓力傳感器，固定于水槽壁上的壓力傳感器稱為2號壓力傳感器。對兩個壓力傳感器進行校準，得到兩個壓力傳感器的標準曲線。

其次選擇鋪設底床的砂樣粒徑及波浪加載方式。室內(nèi)水槽試驗所用砂取自青島石老人海灘，砂粒平均粒徑為0.25 mm，不均勻系數(shù)1.475，曲率系數(shù)1.13。鋪設底床尺寸：鋪設泥沙底床長2.5 m，厚度10 cm，沙波波高25 cm左右。水槽中注入自配標準海水，水深45 cm，并在水槽壁上標注尺寸。通過變頻控制箱可調(diào)控波浪的波高，波浪的加載方式為波高15 cm、周期1 s、波長1.6 m，持續(xù)加波。

最后安裝觀測裝置。將1號壓力傳感器固定入測量浮球，接上壓力采集儀并與計算機相連；觀測裝置安置在沙波的側(cè)坡上，距水槽正面玻璃內(nèi)壁2 cm，以方便對測量浮球的豎向運動過程實時觀察。2號壓力傳感器固定在水槽反面玻璃壁上，實時記錄波浪作用，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作。另外，兩個壓力傳感器處于同一垂直于水槽的剖面上，保證兩者同步記錄波浪信息。觀測裝置布設完成后開始向水槽中注入自配標準海水至45 cm處，然后靜置兩小時，穩(wěn)定儀器的測量性能。

2)試驗過程

①驗證觀測裝置實際觀測的可行性試驗

施加15 cm波高的波浪作用60 min，在玻璃壁外觀察測量浮球的實時運動情況，同時通過計算機程序記錄壓力傳感器的實測數(shù)據(jù)，觀察測量浮球的運動與壓力傳感器測量的數(shù)據(jù)是否同步。60 min后停止波浪加載，觀察測量浮球在水砂界面的狀態(tài)以及壓力傳感器的數(shù)據(jù)是否還在變化。

②驗證觀測裝置觀測結(jié)果的準確性試驗

首先記錄測量浮球上端蓋鋼絲圓環(huán)在光滑鋼桿上的初始讀數(shù)。然后施加15 cm波高的波浪持續(xù)作用，每隔2 min記錄測量浮球上端蓋鋼絲圓環(huán)在光滑鋼桿上的瞬時讀數(shù)。最后根據(jù)壓力傳感器測量的實時數(shù)據(jù)，處理繪圖。對比試驗過程中現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)和壓力傳感器采集的處理數(shù)據(jù)是否一致，從而驗證測量裝置測量結(jié)果的準確性。

改變測量浮球的密度(共4個不同密度的測量浮球)，依照上述方法繼續(xù)試驗。對比4個測量浮球的試驗結(jié)果，找出比較適宜的密度。

圖4 水壓力和傳感器水深隨時間變化曲線Fig. 4 Water pressure and sensor’s water depth along with the change of time

2.3試驗結(jié)果

2.3.1 觀測裝置實際觀測的可行性驗證

本次觀測裝置可行性驗證試驗通過實際觀測獲得了大量水壓數(shù)據(jù)，處理后得到觀測點的水壓、水深變化曲線和測量浮球的豎向運動軌跡。

圖4是在15 cm波高的波浪作用下，測量的水壓力變化曲線和壓力傳感器的豎向運動軌跡圖。如圖所示，水壓力先增大再減小，然后又增大；隨著沙波波峰緩慢向前移動，壓力傳感器隨著測量浮球先較快的向下運動，然后在泥沙移動的作用下向上運動，最后緩慢的向下運動。當停止波浪作用的加載后，壓力傳感器采集數(shù)據(jù)沒有明顯變化。

在水槽試驗過程中，現(xiàn)場直接觀察到的結(jié)果就是測量浮球則一直都處于觀測點水砂界面的上方，先下降后上升。根據(jù)壓力傳感器的數(shù)據(jù)來看，與從水槽壁外現(xiàn)場觀察的結(jié)果一致。

2.3.2 觀測裝置實際觀測結(jié)果的準確性驗證

本次試驗共四組，密度為1.07 g/cm3的測量浮球入水后懸浮在水中，無法進行測量。其余三組試驗結(jié)果如圖5所示，分別是密度為1.23 g/cm3、1.18 g/cm3、1.13 g/cm3的測量浮球所對應的測量水深和浮球?qū)嶋H豎向運動軌跡圖。

圖5 觀測點水深及浮球豎向運動軌跡圖Fig. 5 Diagram of observation point depth and floating ball’s vertical motion

圖5(a)從壓力傳感器實測數(shù)據(jù)可知，在0～700 s時間內(nèi)測量浮球先向下運動2.8 cm，700～5 000 s時間內(nèi)向上運動3.7 cm；而根據(jù)圓環(huán)測量示數(shù)可知，測量浮球先向下運動約2.8 cm，然后向上運動約2.2 cm。試驗結(jié)束后從水槽壁外察看，測量浮球有略微下陷，且觀測點水砂界面有圓弧形凹陷，圓弧形凹陷大約1 cm。

圖5(b)從壓力傳感器實測數(shù)據(jù)可知，在450～900 s時間內(nèi)測量浮球向下運動2.7 cm，900～3 000 s時間內(nèi)向上運動4.8 cm；而根據(jù)圓環(huán)測量示數(shù)可知，測量浮球先向下運動約2.8 cm，然后向上運動約4.0 cm。試驗結(jié)束后從水槽壁外察看，觀測點測量浮球水砂界面處有一點點圓弧形凹陷，而浮球沒有下陷。

圖5(c)從壓力傳感器實測數(shù)據(jù)可知，在0～900 s時間內(nèi)測量浮球先向下運動0.5 cm，900～4 000 s時間內(nèi)向上運動5.9 cm；而根據(jù)圓環(huán)測量示數(shù)顯示，測量浮球先向下運動約0.5 cm，然后向上運動約5.5 cm。試驗結(jié)束后從水槽壁外察看，觀測點測量浮球水砂界面處沒有凹陷，且浮球沒有下陷。

2.4分析與討論

由室內(nèi)觀測裝置實際觀測可行性驗證試驗可知，在波浪作用下，測量浮球在水與底砂界面處可隨觀測點底砂高程的變化而豎向運動，且始終處在水砂界面處，可以說明觀測裝置的實際觀測是可行的。

由室內(nèi)觀測裝置實際觀測結(jié)果的準確性試驗可知，在測量浮球下降的過程中，壓力傳感器實測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)很吻合，準確性較好。然而在測量浮球上升的過程中，三次試驗結(jié)果相差較大。第一次試驗測量浮球的密度最大，此浮球上升過程不太靈敏且在試驗結(jié)束后，浮球略微下陷、底部周圍有圓弧形凹陷，壓力傳感器實測的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)吻合程度不高，可能是因為浮球在水中的整體密度與砂比較接近，導致砂的推動作用不太明顯。第二次試驗減小了測量浮球的密度，結(jié)果測量浮球上升過程比第一次靈敏，浮球底部只有些微圓弧形凹陷并無下陷，壓力傳感器實測的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)吻合程度較好。第三次試驗繼續(xù)減小測量浮球的密度，其上升過程中靈敏程度很好，壓力傳感器實測的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場觀測吻合很好。當浮球的密度繼續(xù)減小時，則懸浮在水中，無法再進行觀測。由這四次試驗可以說明，測量浮球的密度處于一定范圍內(nèi)時，觀測裝置的準確性很好，可以對沙波的波高和遷移周期進行測量。

經(jīng)四組波浪水槽試驗，第三種情況下，觀測裝置的測量結(jié)果較為精準，在潮灘現(xiàn)場觀測試驗中，使用密度為1.13 g/cm3的測量浮球。

3 潮灘現(xiàn)場觀測

3.1觀測點概況

觀測點位于山東省青島市仰口灣海灘，溫帶季風性氣候，夏季盛行南到西南及東南風，冬季盛行北到西北風。

波浪以風浪為主，全年常浪向為SSE，頻率15%；次浪向為SE，頻率12%；最大波高2.3 m，波向為ENE。潮流為往復規(guī)則半日潮流，淺水分潮比較強。漲潮時流向為順時針方向，落潮時流向為逆時針方向。表層余流一般為10～13 cm/s。潮汐為規(guī)則半日潮，平均潮差約2.4 m，最大潮差約4.2 m，潮流作用較強。

觀測點水深約2 m，在底床上發(fā)育有3～5 cm高的小沙紋。

3.2觀測方法與過程

仰口潮灘現(xiàn)場觀測，使用的觀測裝置及方法與室內(nèi)水槽試驗基本相同，唯一的差別是現(xiàn)場觀測使用壓力傳感器和波潮儀，壓力傳感器固定在測量浮球中，波潮儀固定在光滑鋼桿的頂部。

在沙紋發(fā)育的海域選擇一個觀測點，在平潮期進行布放應用。首先在光滑鋼桿上加上測量浮球、波潮儀和壓力采集儀，波潮儀固定在其頂部；然后將光滑鋼桿豎直插入觀測點底床約50 cm，以保證整個觀測裝置的穩(wěn)定性；測量浮球則順著光滑鋼桿慢慢下沉至底床表面。當天觀測完后，即展開觀測儀器回收工作，進行觀測數(shù)據(jù)的分析處理。

3.3觀測結(jié)果及分析

現(xiàn)場觀測應用試驗獲取了水壓、波浪、潮汐數(shù)據(jù)，如圖6所示，記錄了壓力傳感器所處位置高程隨時間的變化，顯示了傳感器在沙紋表面的豎向運動，得到了觀測點沙紋的高度和遷移周期。

圖6 沙紋波高與遷移周期Fig. 6 Height and migration period of ripples

從圖6可知，該觀測裝置能夠在水下正常工作，經(jīng)過10小時的沙紋遷移觀測數(shù)據(jù)，得到該觀測點區(qū)域沙紋的高度和運動周期，沙紋高度約為4 cm，運移周期約2小時30分鐘，而且沙紋的相鄰兩個波之間還有距離不一的平坦緩沖地帶。與實際情況對比，吻合程度較好，表明觀測系統(tǒng)在實際中具有較強的應用性。

4 結(jié) 語

對海底沙波遷移過程的觀測裝置進行設計研究，得到了以下結(jié)論：

1)設計了一套海底沙波遷移過程的原位觀測裝置，提供了海底沙波原位長期觀測的新方法。并經(jīng)過室內(nèi)波浪水槽試驗驗證，證明了該設計實際觀測的可行性與觀測結(jié)果的準確性，相對于以往的探測方法有原位長期性、連續(xù)觀測性的明顯優(yōu)勢。

2)經(jīng)過四組波浪水槽試驗，發(fā)現(xiàn)測量浮球在密度為1.13～1.18 g/cm3的范圍內(nèi)時，觀測裝置的測量結(jié)果較為準確。同時利用密度為1.13 g/cm3的測量浮球進行潮灘沙紋觀測試驗，得到了觀測點沙紋的高度和遷移的周期，說明該觀測裝置就有較好的適用性。

在此基礎上，下一步的工作就是優(yōu)化浮球大小和浮球密度的關系，找出最優(yōu)值；設計出海底沙波波長觀測裝置，并進行驗證；然后與沙波遷移過程測量裝置整合，在淺海沙波發(fā)育區(qū)布放，進行長期的原位觀測。可獲得海底沙波的波高、波長以及遷移周期數(shù)據(jù)，計算出沙波的遷移速率，了解其遷移的動態(tài)變化過程，為海底基礎工程設施預警提供依據(jù)和幫助。

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Design and test of in-situ observation device for submarine sandwave migration process

SHEN Zezhong1, JIA Yonggang1, 2, ZHANG Shaotong1, ZHANG Bowen1, SHAN Hongxian1, 2, LIU Xiaolei1, 2

(1. Environmental Geotechnical Engineering Institute, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Qingdao 266100, China)

The migration of submarine sandwave is potentially harmful to the submarine foundation engineering, which has become a hot spot of concern. At present, the study of migration process of submarine sandwave lacks long-term in-situ observation data. So in this paper, the in-situ observation device of the submarine sandwave migration process is designed and the morphological changes and migration process of sandwave are determined by the correspondence between water pressure difference and elevation difference variation. We use indoor wave flume tests to verify the feasibility of the observation of the device and the accuracy of the observation results, and apply the observation devices in the Yangkou tidal flat. The surface height change of the sandwave is 5.9 cm, which is calculated by the indoor test, and the actual height change of the sandwave surface is 5.5 cm. The experimental results show that the in-situ observation device of submarine sandwave migration process can measure the external shape of the sandwave and the accuracy is high, which provides a new method for the observation of the submarine sandwave migration.

submarine sandwave; height and migration period; in-situ observation; design and verification; flume test

1005-9865(2017)06-0094-07

P737.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.011

2017-03-12

國家自然科學基金(41272316；41372287；41402253)

沈澤中(1992-)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事海洋工程地質(zhì)研究。E-mail：shenzezhong0714@126.com