基于剖面聲吶的海底沙紋演變規(guī)律試驗(yàn)研究

彭子奇， 賈永剛,2， 田壯才， 程 升， 單紅仙,2*

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)， 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室， 青島 266100)

海底沙紋是一種尺度比小型沙波更小，且脊線往往與流體流向垂直并具有一定韻律性的海底微地貌形態(tài)[1-2]，是水底床面形態(tài)存在的最小尺度，波高一般為0.5～2 cm，最大不超過7.5 cm，斷面形態(tài)一般呈三角形，其發(fā)育與遷移往往與地形、水動(dòng)力條件和沉積物特性等因素息息相關(guān)[3]，普遍發(fā)育于河口[4]、海峽[5]、海灣[6]、大陸坡[7]和全球潮流陸架[8]等海域。與平坦底床相比，沙紋會(huì)影響底床阻力，對(duì)底床演變和沉積物輸運(yùn)起著重要作用[9-10]。沙紋的發(fā)育可能會(huì)促進(jìn)航道的淤積和管線的破壞，因此研究沙紋演變規(guī)律對(duì)港口、航運(yùn)以及海岸帶的防護(hù)具有重要意義[11-13]。

對(duì)海底沙紋的觀測(cè)研究，最早始于1901年[14]，興起于20世紀(jì)90年代。目前，大多數(shù)關(guān)于沙紋的研究是基于光學(xué)攝影技術(shù)和聲學(xué)測(cè)量技術(shù)，通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等方法進(jìn)行的。程永舟等[15]基于CCD(charge coupled device)圖像技術(shù)和ADV(acoustic doppler velocimeter)測(cè)量技術(shù)，通過水槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非線性波作用下沙紋的形成原因是底層漩渦結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用；許棟[16]基于光學(xué)攝影技術(shù)和地形掃描儀測(cè)量發(fā)現(xiàn)，沙紋形成過程是非線性的，從平床發(fā)育到沙紋雛形需要較長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng)雛形形成后其發(fā)展速度會(huì)變得很快。但這些技術(shù)手段大多數(shù)只適用于室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中的一種情況，且大都具有滯后性，很難實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。例如，光學(xué)攝影技術(shù)雖然適用于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，但對(duì)水體環(huán)境要求很高，實(shí)際測(cè)量時(shí)水體環(huán)境往往較渾濁，觀測(cè)范圍和精度十分有限；多波束測(cè)量技術(shù)雖然適用范圍廣，但很難實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)而且只能用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查；地形掃描儀測(cè)量技術(shù)往往只用于室內(nèi)試驗(yàn)，是在試驗(yàn)結(jié)束后才進(jìn)行工作，不能實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。為了解決這一問題，國(guó)外學(xué)者發(fā)明了剖面聲吶觀測(cè)手段，剖面聲吶觀測(cè)手段適用于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，數(shù)據(jù)精度能達(dá)到2 mm，并能實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)剖面聲吶屬于聲學(xué)儀器范疇，對(duì)水體環(huán)境要求較低，即使在非常渾濁的水體中也能獲得較好的數(shù)據(jù)。但中國(guó)關(guān)于剖面聲吶觀測(cè)方法僅有陳景東等[17]和馬小川[18]有所研究，基于剖面聲吶觀測(cè)沙紋的研究還未見到。

基于大型波浪水槽試驗(yàn)，通過對(duì)剖面聲吶數(shù)據(jù)與光學(xué)攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來檢驗(yàn)剖面聲吶的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了剖面聲吶觀測(cè)沙紋的可行性，擴(kuò)展了中國(guó)的沙紋觀測(cè)手段。并基于剖面聲吶數(shù)據(jù)與光學(xué)攝影數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究了波浪作用下海底沙紋的演變規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和材料

試驗(yàn)在山東省海洋地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)海洋大學(xué))的大型波浪水槽中進(jìn)行，試驗(yàn)的主體設(shè)備為波浪水槽，水槽長(zhǎng)4 m、寬0.5 m、高1 m，左右兩端配備有消浪裝置，中部配有沙槽，尺寸為1 m(長(zhǎng))×0.5 m(寬)×0.3 m(高)，一端配有推板式造波機(jī)，能產(chǎn)生規(guī)則波，如圖1所示。

圖1 波浪水槽示意圖Fig.1 Sketch of wave flume

試驗(yàn)用砂取自青島周邊海域，為了能更好地產(chǎn)生沙紋，使用0.25 mm細(xì)篩篩除沙樣中超過0.25 mm的顆粒，對(duì)試驗(yàn)沙樣取樣進(jìn)行粒度分析，測(cè)得沙樣中值粒徑為183 μm，其中0.075 mm<粒徑d<0.25 mm的顆粒所占比例為99.7%。

試驗(yàn)所用聲吶為Imagenex 881A多頻數(shù)字剖面聲吶(Benthic SRP-Scan，新西蘭)，儀器精度為2 mm，主要用于測(cè)量水槽內(nèi)沙紋的形態(tài)特征數(shù)據(jù)。該聲吶是一款能實(shí)時(shí)記錄水底地形地貌圖像數(shù)據(jù)的儀器，由于光等在海水中的傳輸衰減較大，因而相對(duì)于光學(xué)等儀器而言，圖像聲吶能提供更加準(zhǔn)確且更加完整的海底地形地貌數(shù)據(jù)。該剖面聲吶的工作原理是通過探頭發(fā)射聲波信號(hào)，聲波信號(hào)到達(dá)海底后反射回到換能器接收，回波信號(hào)經(jīng)加工處理和計(jì)算，得到海底各點(diǎn)相對(duì)于換能器的位置, 以換能器位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算出海底各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其工作模式分為直線測(cè)量和旋轉(zhuǎn)測(cè)量(圖2)：直線測(cè)量時(shí)，一般選定平行于流向的一個(gè)剖面，實(shí)時(shí)測(cè)量剖面上各點(diǎn)的高程變化，進(jìn)而在聲吶配套軟件中顯示出測(cè)線上各點(diǎn)的高程變化，通過對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理能得到各個(gè)時(shí)刻海底剖面圖像；旋轉(zhuǎn)測(cè)量時(shí)，則是以一定的角度間隔(0.3°的倍數(shù))進(jìn)行一周的旋停測(cè)量(旋轉(zhuǎn)到一個(gè)設(shè)置角度后停止旋轉(zhuǎn)，測(cè)量該角度剖面數(shù)據(jù)后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直至測(cè)量完一周)，能夠獲取測(cè)點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)的地形地貌數(shù)據(jù)，一次旋轉(zhuǎn)測(cè)量可以認(rèn)為是多組不同角度的直線測(cè)量的集合。試驗(yàn)中兩種工作模式均有采用，每隔1 min進(jìn)行一次直線測(cè)量。試驗(yàn)中的水體流速由聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀(ADV)測(cè)得，采用三相模式(x方向同水槽方向一致)，每秒測(cè)量一次，采樣頻率64 Hz，固定于沙床正上方。

圖2 剖面聲吶工作示意圖Fig.2 Schematic of profiling sonar work

水槽內(nèi)波浪數(shù)據(jù)和濁度數(shù)據(jù)分別由波潮儀和RBRconcerto型多參數(shù)水質(zhì)儀測(cè)定，波潮儀采樣頻率1 Hz，每秒測(cè)量一次，固定于沙床尾部上方，主要用于測(cè)量水槽中的波高和波周期等波浪參數(shù)；多參數(shù)水質(zhì)儀采樣頻率1 Hz，每半秒測(cè)量一次，固定于沙床正上方，主要用于測(cè)量水槽內(nèi)的濁度等參數(shù)。試驗(yàn)過程中，使用兩個(gè)高速圖像采集系統(tǒng)(CCD相機(jī))測(cè)量海底沙紋形態(tài)特征，CCD相機(jī)的空間分辨率為1 920×1 080像素，頻率為10 Hz，其中一個(gè)相機(jī)始終與水槽側(cè)壁保持固定距離，另一相機(jī)則對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行拍照補(bǔ)充。

1.2 試驗(yàn)過程

對(duì)于由同一種成分組成的細(xì)沙沙床，施加不同的波浪條件[19]，波浪載荷的物理參數(shù)如表1所示。波浪作用不僅會(huì)導(dǎo)致水槽內(nèi)水體環(huán)境的變化，也會(huì)使沙床形態(tài)特征發(fā)生變化。因而，試驗(yàn)過程中主要觀測(cè)懸浮泥沙濃度變化和沙床形態(tài)特征變化。

表1 波浪參數(shù)

不同波浪條件下，試驗(yàn)過程一致。①鋪設(shè)沙床：向已篩分的試驗(yàn)沙中注入少量水，攪拌濕潤(rùn)后再裝入沙槽，沙床鋪設(shè)完畢后緩慢注水至水深35 cm。②布置儀器：將剖面聲吶、波潮儀、ADV和多參數(shù)水質(zhì)儀安裝固定在水槽內(nèi)。③測(cè)量初始沙床形態(tài)數(shù)據(jù)：試驗(yàn)開始前，使用剖面聲吶進(jìn)行直線測(cè)量和旋轉(zhuǎn)測(cè)量以獲取初始的沙床形態(tài)數(shù)據(jù)。④施加波浪條件：按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)波高值5 cm和10 cm分別加載波浪載荷進(jìn)行試驗(yàn)。⑤拍照記錄：試驗(yàn)加波過程中，實(shí)時(shí)觀察并記錄沙床的形態(tài)特征變化。在沙紋出現(xiàn)后，在沙槽側(cè)壁上用記號(hào)筆描繪出不同時(shí)刻的沙紋形態(tài)，并拍照記錄沙紋形態(tài)特征隨時(shí)間的發(fā)育情況。⑥試驗(yàn)結(jié)束后，首先使用聲吶對(duì)沙床形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，隨后在水槽末端和沙槽中每隔20 cm處均設(shè)置采樣點(diǎn)，對(duì)表層沙樣進(jìn)行取樣分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 懸浮泥沙濃度變化

波浪作用下兩次試驗(yàn)的水體懸浮泥沙濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖3所示。在試驗(yàn)未開始前，兩組試驗(yàn)的濁度均為15 mg/L左右。在5 cm波高波浪載荷作用下，懸浮泥沙濃度在10 min內(nèi)快速上升至30 mg/L，隨后略微下降至28 mg/L，在試驗(yàn)開始170 min后再次上升至30 mg/L并趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)束后懸浮泥沙濃度緩慢降低。

圖3 波浪作用下水體懸浮泥沙濃度變化曲線Fig.3 Curves of suspended sediment concentration under waves

在10 cm波高波浪載荷作用下，懸浮泥沙濃度首先快速上升至75 mg/L，隨后增速減緩，試驗(yàn)開始105 min后上升至90 mg/L發(fā)生跳躍，該時(shí)刻造波裝置發(fā)生故障停止了約1 min，隨后懸浮泥沙濃度以約0.3 mg/(L·min)的增速繼續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)懸浮泥沙濃度增至120 mg/L時(shí)趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)束后，懸浮泥沙濃度緩慢降低。

通過對(duì)兩次試驗(yàn)懸浮泥沙數(shù)據(jù)的比較，可以看出10 cm波高試驗(yàn)組的懸浮泥沙濃度普遍高于5 cm波高試驗(yàn)組，最大懸浮泥沙濃度差約為90 mg/L。這主要是由于10 cm波高波浪載荷作用會(huì)對(duì)沙床產(chǎn)生更大的剪切力，進(jìn)而導(dǎo)致更多的泥沙顆粒起動(dòng)并進(jìn)入水體。在試驗(yàn)結(jié)束后的靜水沉降過程中，兩組試驗(yàn)的懸浮泥沙濃度降低趨勢(shì)有所不同，10 cm波高試驗(yàn)組懸浮泥沙濃度總體降低趨勢(shì)更快。這主要是由于10 cm波高波浪載荷作用下水體中含有更多的粗顆粒泥沙，而粗顆粒泥沙在靜水沉降時(shí)自重力要大于細(xì)顆粒泥沙，靜水沉降速度相對(duì)較快。

2.2 底床形態(tài)特征

2.2.1 底床侵蝕淤積情況

圖4 底床隨時(shí)間變化圖Fig.4 Bottom bed change trend chart

波浪作用下沙床高程隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖4所示(僅截取了0.6 m的沙床進(jìn)行研究)，x軸零點(diǎn)即對(duì)應(yīng)聲吶在測(cè)線上的位置，x軸正方向?yàn)樯炒睬皞?cè)，色標(biāo)零點(diǎn)為設(shè)定的水底底面，白色區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)測(cè)量時(shí)段。在5 cm波高波浪作用下，由于波浪作用較小使得底床變化不明顯。在試驗(yàn)前110 min內(nèi)，在-30～-10 cm區(qū)域(前部)沙床高程略微增長(zhǎng)，在-10～10 cm區(qū)域(中部)沙床各部分變化趨勢(shì)不一致，在10～30 cm區(qū)域(尾部)沙床被侵蝕了約0.5 cm，隨后沙床各部分無明顯變化趨勢(shì)，試驗(yàn)前后沙床各部分總體約被侵蝕了0.5 cm。

在10 cm波高作用下，試驗(yàn)前90 min內(nèi)，沙床各部分變化不明顯，隨后沙床整體被侵蝕，高程持續(xù)降低，試驗(yàn)開始210 min后，沙床前部和中部趨于穩(wěn)定，無明顯變化趨勢(shì)，試驗(yàn)開始230 min后沙床尾部趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)前后沙床整體被侵蝕了約1.5 cm。

通過對(duì)兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，可以看出在波浪作用下沙床均被侵蝕。這主要是由于波浪作用會(huì)對(duì)沙床產(chǎn)生剪切力，當(dāng)超過泥沙起動(dòng)臨界切應(yīng)力時(shí)沙床上的泥沙顆粒會(huì)起動(dòng)，一部分泥沙顆粒會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙瀑|(zhì)進(jìn)入水體環(huán)境，另一部分會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥埔瀑|(zhì)，從而導(dǎo)致沙床高程降低。但由于波浪條件不同，波浪作用越強(qiáng)起動(dòng)的泥沙顆粒越多，兩組試驗(yàn)沙床高程變化有所不同。

2.2.2 沙紋形成過程

試驗(yàn)開始前，沙床平整[如圖5(a)]。當(dāng)施加波浪荷載后，會(huì)在床面產(chǎn)生剪切應(yīng)力。當(dāng)剪切應(yīng)力超過泥沙臨界起動(dòng)值時(shí)，泥沙起動(dòng)形成沙紋。首先，沙床會(huì)形成一些小的侵蝕凹坑，隨著時(shí)間的增加，沙床會(huì)緩慢形成規(guī)則的沙紋雛形，隨后沙紋雛形快速發(fā)育為彎曲沙紋[如圖5(b)]。隨著沙紋的運(yùn)動(dòng)，部分彎曲沙紋會(huì)發(fā)生交叉形成交叉沙紋(X型沙紋和Y型沙紋)[如圖5(c)]。隨著時(shí)間的進(jìn)一步增加，沙床和波浪作用達(dá)到一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)，形成了順直沙紋[如圖5(d)]，沙紋形態(tài)趨于穩(wěn)定變化十分緩慢。

圖5 試驗(yàn)沙紋形態(tài)實(shí)物圖Fig.5 Physical map of wave ripples

3 分析與討論

為了驗(yàn)證剖面聲吶觀測(cè)沙紋的可行性，基于圖4中的剖面聲吶數(shù)據(jù)，截取了沙紋發(fā)育為順直沙紋后的部分聲吶數(shù)據(jù)，對(duì)聲吶數(shù)據(jù)和實(shí)際照片進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。

聲吶位于實(shí)物圖中20 cm刻度處，即聲吶數(shù)據(jù)圖橫坐標(biāo)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)物圖中20 cm刻度處圖6 5 cm波高底床形態(tài)圖Fig.6 Bed morphology with 5 cm wave height

在5 cm波高波浪作用下，試驗(yàn)進(jìn)行到179 min時(shí)，聲吶測(cè)量到了5個(gè)完整的沙紋，通過對(duì)5個(gè)波紋的統(tǒng)計(jì)分析得到波紋的平均波脊間距約為35 mm，波高約為6 mm，通過對(duì)實(shí)物照片分析可以得出，在標(biāo)尺20～40 cm段有5個(gè)完整沙紋，根據(jù)圖像得到的波紋的平均波脊間距約為33 mm，波高約為7 mm，聲吶數(shù)據(jù)得到的沙紋數(shù)量和形態(tài)特征與實(shí)際情況基本一致，平均波脊間距誤差為2 mm，波高誤差為1 mm，在儀器2 mm誤差范圍內(nèi)。試驗(yàn)進(jìn)行到239 min時(shí)，聲吶測(cè)量到了6個(gè)完整的沙紋，計(jì)算得到波紋的平均波脊間距約為30 mm，波高約為6 mm，通過對(duì)實(shí)物照片分析可以得出，存在有6個(gè)完整沙紋，平均波脊間距約為32 mm，波高約為6 mm，聲吶數(shù)據(jù)得到的沙紋數(shù)量和平均波脊間距尺寸與實(shí)際情況基本一致，平均波脊間距誤差為2 mm, 在儀器2 mm誤差范圍內(nèi)；試驗(yàn)進(jìn)行到299 min時(shí)，聲吶測(cè)量到了4個(gè)完整的沙紋和2個(gè)不完整沙紋，計(jì)算得到波紋的平均波脊間距約為35 mm，波高約為6 mm，通過對(duì)實(shí)物照片分析可以得出，存在有5個(gè)完整沙紋和1個(gè)不完整沙紋，波紋的平均波脊間距約為32 mm，波高約為7 mm，聲吶數(shù)據(jù)得到的沙紋數(shù)量和尺寸與實(shí)際情況有一定誤差，平均波脊間距誤差為3 mm，波高誤差為1 mm，這主要是由于聲吶數(shù)據(jù)反演的沙紋形態(tài)是通過數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合而成，這使得部分沙紋的水平位置和形態(tài)數(shù)據(jù)存在一定偏差。

聲吶位于實(shí)物圖中20 cm刻度處，即聲吶數(shù)據(jù)圖橫坐標(biāo)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)物圖中20 cm刻度處圖7 10 cm波高底床形態(tài)圖Fig.7 Bed morphology with 10 cm wave height

在10 cm波高波浪作用下，試驗(yàn)進(jìn)行到102 min時(shí)，聲吶測(cè)量到了5個(gè)完整的沙紋，通過對(duì)5個(gè)波紋的統(tǒng)計(jì)分析得到波紋的平均波脊間距約為36 mm，波高約為6 mm，通過對(duì)實(shí)物照片分析可以得出，在標(biāo)尺20～40 cm段有5個(gè)完整沙紋，根據(jù)圖像得到的波紋的平均波脊間距約為37 mm，波高約為8 mm，聲吶數(shù)據(jù)得到的沙紋數(shù)量和尺寸與實(shí)際情況基本一致，平均波脊間距誤差為1 mm，波高誤差為2 mm，在儀器2 mm誤差范圍內(nèi)；試驗(yàn)進(jìn)行到162 min時(shí)，聲吶測(cè)量到了5個(gè)完整的沙紋，計(jì)算得到波紋的平均波脊間距約為36 mm，波高約為7 mm，通過對(duì)實(shí)物照片分析可以得出，存在有5個(gè)完整沙紋，波紋的平均波脊間距約為35 mm，波高約為10 mm，聲吶數(shù)據(jù)得到的沙紋數(shù)量和尺寸與實(shí)際情況基本一致，平均波脊間距誤差為1 mm，波高誤差為3 mm；試驗(yàn)進(jìn)行到222 min時(shí)，聲吶測(cè)量到了4個(gè)完整的沙紋，計(jì)算得到波紋的平均波脊間距約為42 mm，波高約為7 mm，通過對(duì)實(shí)物照片分析可以得出，存在有4個(gè)完整沙紋，波紋的平均波脊間距約為42 mm，波高約為9 mm，聲吶數(shù)據(jù)得到的沙紋數(shù)量和尺寸與實(shí)際情況基本一致，波高誤差為2 mm；試驗(yàn)進(jìn)行到270 min時(shí)，聲吶測(cè)量到了4個(gè)完整的沙紋，計(jì)算得到波紋的平均波脊間距約為42 m，波高約為7 mm，通過對(duì)實(shí)物照片分析可以得出，存在有4個(gè)完整沙紋，波紋的平均波脊間距約為42 mm，波高約為8 mm，聲吶數(shù)據(jù)得到的沙紋數(shù)量和尺寸與實(shí)際情況基本一致，波高誤差為1 mm。

4 結(jié)論

基于水槽試驗(yàn)，通過對(duì)比剖面聲吶數(shù)據(jù)與光學(xué)攝影數(shù)據(jù)來驗(yàn)證了剖面聲吶研究觀測(cè)沙紋的可行性，并基于剖面聲吶數(shù)據(jù)與光學(xué)攝影數(shù)據(jù)研究了波浪作用下沙紋的演變規(guī)律，得出如下結(jié)論。

(1)通過對(duì)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以認(rèn)為剖面聲吶近底觀測(cè)沙紋是可行的，聲吶數(shù)據(jù)能夠較好地反演出沙紋的波脊間距和波高等形態(tài)特征和位置信息。但由于聲吶數(shù)據(jù)反演沙紋形態(tài)是通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合來實(shí)現(xiàn)的，聲吶數(shù)據(jù)會(huì)存在3 mm的誤差(儀器誤差2 mm)。

(2)在5 cm波高和10 cm波高波浪作用下，沙紋在發(fā)育過程中會(huì)依次經(jīng)歷不規(guī)則沙紋—彎曲沙紋—交叉沙紋—順直沙紋四個(gè)過程，當(dāng)波浪作用與沙床達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，沙紋會(huì)趨于穩(wěn)定，變化十分緩慢。沙紋在發(fā)育過程中其波脊間距不超過4.5 cm，其波高為0.5～1.5 cm。