南海內(nèi)波監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用

淳明浩 ，冷述棟 ，梁樹(shù)森 ，王 琮 ，羅小橋 ，楊肖迪 ，徐 爽

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451

3.中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，北京 100081

海洋內(nèi)波是一種因海水密度垂直分層而引發(fā)的波動(dòng)，常發(fā)生于海面以下的數(shù)百米深度內(nèi)[1]。海洋內(nèi)波的成因，多歸結(jié)為近海面處的海水對(duì)流、波浪運(yùn)動(dòng)等攪拌，形成密度均勻的混合層，但繼續(xù)往下，海水密度受溫度、鹽度影響而明顯分層，分層界面受到攪動(dòng)便產(chǎn)生內(nèi)波[2]。海洋內(nèi)波在全球海洋都存在，其中中國(guó)南海發(fā)生過(guò)目前已知有歷史記錄以來(lái)全球振幅最大的內(nèi)波[3]。大振幅的海洋內(nèi)波經(jīng)常引起強(qiáng)烈、瞬變的海流，產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切振幅，可使海水水體在數(shù)分鐘內(nèi)下沉超過(guò)150 m，水溫驟變12℃以上，對(duì)海洋油氣開(kāi)發(fā)設(shè)施造成破壞[4]，主要表現(xiàn)為造成勘探鉆井大傾斜、產(chǎn)生過(guò)度的水平位移、錯(cuò)段隔水管和增大錨纜的額外張力，引起海底管道和電纜斷裂，導(dǎo)致海洋工程項(xiàng)目額外的時(shí)間和設(shè)備損失等[5]。

1 目標(biāo)海域概況

南海是我國(guó)最大的邊緣海，通過(guò)呂宋海峽與太平洋相連，周邊環(huán)繞中國(guó)珠三角、臺(tái)灣地區(qū)以及東南亞等重要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)區(qū)[5]。本文研究的目標(biāo)海域位于中國(guó)南海北部陸坡中段、珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷南側(cè)，處在陸架到深海的陸坡位置，水深900～1 500 m，海底地形總體呈東北高、西南低的斜坡形態(tài)，屬于內(nèi)波易發(fā)海域[6]。

目標(biāo)海域的水體在垂向上存在大通量的溫度和鹽度混合，這種混合的劇烈程度相比公海高出數(shù)十倍乃至上百倍[7]。與臨近的呂宋海峽、南北向的恒春海脊及巴坦海脊之間相隔僅約100 km，高度卻相差多達(dá)500m，在此特別的環(huán)境條件下，曾造就了振幅達(dá)150m的巨大內(nèi)波[8]。因此，在呂宋海峽海底山脊的影響下，南海內(nèi)波生成頻繁，并向西傳播影響目標(biāo)海域[9]。南海內(nèi)波在兩個(gè)海脊之間生成后，往西傳播行進(jìn)至東沙海域，因海水深度變淺、內(nèi)波波速變慢而變形、破碎、翻轉(zhuǎn)進(jìn)而消散，影響范圍為北南海至東沙之間的400 km區(qū)域，從生成到消散歷時(shí)約兩天半[10]。圖1中深黃色區(qū)域表示內(nèi)波在南海曾出現(xiàn)的區(qū)域，由圖2可知目標(biāo)海域位于內(nèi)波的高發(fā)區(qū)，影響目標(biāo)海域的內(nèi)波主要來(lái)自東部海域。

圖1 歷史南海海域內(nèi)波分布圖

圖2 目標(biāo)海域位置

2 監(jiān)測(cè)方案制定與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了全面監(jiān)測(cè)與預(yù)警海上半潛式鉆井平臺(tái)在目標(biāo)海域內(nèi)作業(yè)時(shí)的內(nèi)波風(fēng)險(xiǎn)，在鉆井平臺(tái)周圍布設(shè)3個(gè)內(nèi)波流監(jiān)測(cè)預(yù)警站位，即以1套潛標(biāo)和2套浮標(biāo)組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行為期1年的全水深剖面的海流、溫度、鹽度、底流和水體密度等內(nèi)波相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，獲取目標(biāo)海域內(nèi)波關(guān)鍵特征信息，為海上鉆井作業(yè)和工程保障提供海洋內(nèi)波實(shí)時(shí)環(huán)境資料。監(jiān)測(cè)預(yù)警站位布置如圖3所示。

圖3 平臺(tái)及監(jiān)測(cè)站位布置

選擇150、300、600 kHz等多種頻率多普勒海流計(jì)（ADCP）、溫鹽深傳感器（CTD）、溫深傳感器（TD）以及海流計(jì)等傳感器，配置組成適用于1 500 m水深的全海深觀測(cè)潛標(biāo)系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）和海底錨固長(zhǎng)周期觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)（見(jiàn)圖5）。配置后的潛標(biāo)系統(tǒng)和浮標(biāo)系統(tǒng)，水下監(jiān)測(cè)最大范圍可覆蓋從海面表層至海底1 500 m深度，確保每種監(jiān)測(cè)設(shè)備均可在有效量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)全海深監(jiān)測(cè)覆蓋。

圖4 潛標(biāo)系統(tǒng)

圖5 浮標(biāo)系統(tǒng)

為確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作正常，總計(jì)利用2套潛標(biāo)系統(tǒng)和4套浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行輪換監(jiān)測(cè)，每三個(gè)月進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的回收與再布放，確保傳感器能夠累計(jì)一年周期持續(xù)工作。1套潛標(biāo)系統(tǒng)布放位置距離平臺(tái)30 km處，2套浮標(biāo)系統(tǒng)布放位置分別距離平臺(tái)36 km和54 km處，布放位置均處于歷史內(nèi)波經(jīng)過(guò)高概率的路徑區(qū)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器均具有自容式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，回收后可進(jìn)行數(shù)據(jù)下載與分析處理。同時(shí)，浮標(biāo)系統(tǒng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星與岸站進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果能及時(shí)傳輸至作業(yè)平臺(tái)與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸模式見(jiàn)圖6。

圖6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模式

3 風(fēng)險(xiǎn)分析與環(huán)境預(yù)警

對(duì)2套潛標(biāo)系統(tǒng)和4套浮標(biāo)系統(tǒng)的一年周期內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載、分析，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)連續(xù)、完整，全剖面水體信號(hào)的采集率和捕獲率均達(dá)95%以上，可為內(nèi)波特征與風(fēng)險(xiǎn)分析提供充足依據(jù)[l1]。

3.1 內(nèi)潮波特征

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明內(nèi)波監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水體慣性周期約為35 h，不關(guān)注慣性頻率的海水運(yùn)動(dòng)，首先對(duì)觀測(cè)的海水溫度序列進(jìn)行低通濾波，濾除慣性振蕩信號(hào)。濾波后的能量譜密度函數(shù)如圖7所示，全日周期和半日周期的譜能量顯著，三個(gè)譜峰分別對(duì)應(yīng)M2（周期12.420 6 h）、K1（周期23.934 5 h）、O1（周期25.819 3 h）三個(gè)分潮，其中全日周期能量絕對(duì)占優(yōu)。對(duì)高頻部分（周期＜12 h）進(jìn)行高通濾波，可以看到高頻的波動(dòng)信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)其他頻率的內(nèi)潮波及內(nèi)孤立波，如圖8所示。

圖7 濾除慣性信號(hào)后的內(nèi)潮波能量譜密度

圖8 高頻部分的能量譜密度

對(duì)海水溫度信號(hào)進(jìn)行全日潮（22～27 h） 和半日潮（11～13 h） 頻段的帶通濾波，可以得到全日周期內(nèi)潮和半日周期內(nèi)潮波動(dòng)信號(hào)及振幅，如圖9所示，其中全日周期內(nèi)潮振幅明顯大于半日周期內(nèi)潮，兩者的最大振幅分別為33 m和20 m。

圖9 全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮特征

3.2 內(nèi)孤立波特征

對(duì)系統(tǒng)采集到的內(nèi)孤立波海溫等值線、等溫線深度、經(jīng)向流速等值線等特征進(jìn)行分析。在當(dāng)年的4～6月之間共捕捉到內(nèi)孤立波信號(hào)39個(gè)，分析統(tǒng)計(jì)內(nèi)孤立波的時(shí)間、振幅和流速特征，分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

圖10 監(jiān)測(cè)到的內(nèi)孤立波特征

利用氣候態(tài)層結(jié)關(guān)系，求解內(nèi)孤立波本征方程，得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)處第一模態(tài)內(nèi)波數(shù)量占優(yōu)，平均相速度約為1.97 m/s，最大振幅和流速轉(zhuǎn)向的深度約為海面之下400 m（見(jiàn)圖11）。

圖11 氣候態(tài)層結(jié)和內(nèi)波垂向第一模態(tài)

3.3 內(nèi)波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.3.1 內(nèi)孤立波時(shí)間特征

監(jiān)測(cè)期間內(nèi)孤立波主要集中在四個(gè)時(shí)間段發(fā)生，2016年4月26日—30日、5月9日—16日、5月24日至6月1日、6月5日—10日基本都處于農(nóng)歷朔望大潮期間，這一特性與已有研究結(jié)果相符。內(nèi)孤立波平均每天約0.9個(gè)，在內(nèi)波活躍的朔望大潮期間，內(nèi)孤立波發(fā)生的頻率約為每天1～2個(gè)，接近半日潮周期（約12.4 h）。孤立波（列）持續(xù)時(shí)間為40 min～8.5 h，單個(gè)波列包含孤立波總數(shù)1～10個(gè)，波列內(nèi)內(nèi)孤立波發(fā)生間隔為10～70 min不等，單個(gè)孤立波生命周期較長(zhǎng)，一般為1.5～2h。

3.3.2 內(nèi)孤立波振幅特征

監(jiān)測(cè)到的內(nèi)孤立波振幅主要分布在30～40 m和60～70 m兩個(gè)范圍內(nèi)，最大振幅92 m，海水起伏引起的溫度變化最大為6.07℃。5個(gè)內(nèi)孤立波的最大振幅發(fā)生在海面以下200 m以淺層位，34個(gè)內(nèi)孤立波發(fā)生在海面以下300 m以深層位。最大振幅發(fā)生深度為最大振幅對(duì)應(yīng)的等溫線在內(nèi)波發(fā)生時(shí)間段內(nèi)的平均深度。

3.3.3 內(nèi)孤立波波致流特征分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，內(nèi)孤立波西向流速主要分布在0.5～0.7 m/s左右，最大流速1.09 m/s，最大剪切流速0.078 m/s，最大流速多分布于近表層（海面下60～90 m深度）。通過(guò)求解本征方程，可以得到內(nèi)孤立波上、下層流速反向深度約為400 m。

3.3.4 內(nèi)孤立波傳播速度計(jì)算

由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為單點(diǎn)時(shí)序，精確計(jì)算內(nèi)波傳播特征有很大困難，因此基于氣候態(tài)層結(jié)對(duì)傳播速度進(jìn)行估算：

首先，通過(guò)求解本征方程[10-13]可以得到監(jiān)測(cè)海域的內(nèi)波線性相速度c0=1.97 m/s和垂向各個(gè)模態(tài)。

式中：W″（z）為垂向速度二次反演，m/s；z代表垂向深度，m；W（z）為垂向速度，m/s；k3為內(nèi)波流Brunt-Vaisala頻率。

通過(guò)垂向模態(tài)、線速度和密度層結(jié)可以進(jìn)一步計(jì)算非線性系數(shù)α=-0.014 7[12-15]。

再通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式估算內(nèi)波傳播速度[14-15]：

式中：cg為內(nèi)波傳播速度，m/s；c0為內(nèi)波線性相速度，m/s；η為振幅，m。

按照上述方式對(duì)內(nèi)波傳播速度進(jìn)行估算的結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，39個(gè)內(nèi)孤立波的傳播速度在2.1～2.4 m/s之間，平均傳播速度為2.2 m/s。

根據(jù)內(nèi)波風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)（見(jiàn)表1），在監(jiān)測(cè)到的內(nèi)波傳播速度較大時(shí)，通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)傳輸預(yù)警，預(yù)警信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨霛撌阶鳂I(yè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)波風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

表1 內(nèi)波預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

4 結(jié)論

（1）綜合利用由潛標(biāo)和浮標(biāo)組成的深水內(nèi)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行南海深水內(nèi)波監(jiān)測(cè)作業(yè)，經(jīng)驗(yàn)證科學(xué)有效。一年監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，采集的數(shù)據(jù)連續(xù)、完整，采集率達(dá)95%以上，監(jiān)測(cè)過(guò)程中成功捕獲多次海洋內(nèi)波運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)捕獲率達(dá)95%以上。

（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被用于綜合分析目標(biāo)海域平臺(tái)周圍的內(nèi)波最大振幅、最大流速以及傳播速度，得出平臺(tái)作業(yè)期間產(chǎn)生的內(nèi)波對(duì)半潛式平臺(tái)不構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)隱患，實(shí)際上內(nèi)波最終未對(duì)平臺(tái)連續(xù)作業(yè)造成影響。

（3）全海深潛標(biāo)和浮標(biāo)構(gòu)成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)全海深剖面水體異常，對(duì)深水內(nèi)波參數(shù)的監(jiān)測(cè)成功率高。同時(shí)，構(gòu)建連續(xù)、實(shí)時(shí)的深水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是精確監(jiān)測(cè)和有效預(yù)警內(nèi)波的重要方法之一，對(duì)保障深水油氣生產(chǎn)作業(yè)的安全極其重要。