基于剖面聲吶的海底沙紋演變規律試驗研究

彭子奇， 賈永剛,2， 田壯才， 程 升， 單紅仙,2*

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院， 青島 266100；2.中國海洋大學， 山東省海洋環境地質工程重點試驗室， 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[1-2]，是水底床面形態存在的最小尺度，波高一般為0.5～2 cm，最大不超過7.5 cm，斷面形態一般呈三角形，其發育與遷移往往與地形、水動力條件和沉積物特性等因素息息相關[3]，普遍發育于河口[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，沙紋會影響底床阻力，對底床演變和沉積物輸運起著重要作用[9-10]。沙紋的發育可能會促進航道的淤積和管線的破壞，因此研究沙紋演變規律對港口、航運以及海岸帶的防護具有重要意義[11-13]。

對海底沙紋的觀測研究，最早始于1901年[14]，興起于20世紀90年代。目前，大多數關于沙紋的研究是基于光學攝影技術和聲學測量技術，通過室內水槽試驗和現場測量等方法進行的。程永舟等[15]基于CCD(charge coupled device)圖像技術和ADV(acoustic doppler velocimeter)測量技術，通過水槽試驗發現非線性波作用下沙紋的形成原因是底層漩渦結構的動力作用；許棟[16]基于光學攝影技術和地形掃描儀測量發現，沙紋形成過程是非線性的，從平床發育到沙紋雛形需要較長時間，當雛形形成后其發展速度會變得很快。但這些技術手段大多數只適用于室內試驗或現場調查中的一種情況，且大都具有滯后性，很難實時獲取數據。例如，光學攝影技術雖然適用于室內試驗和現場調查，但對水體環境要求很高，實際測量時水體環境往往較渾濁，觀測范圍和精度十分有限；多波束測量技術雖然適用范圍廣，但很難實時獲取數據而且只能用于現場調查；地形掃描儀測量技術往往只用于室內試驗，是在試驗結束后才進行工作，不能實時獲取數據。為了解決這一問題，國外學者發明了剖面聲吶觀測手段，剖面聲吶觀測手段適用于室內試驗和現場調查，數據精度能達到2 mm，并能實時獲取數據，同時剖面聲吶屬于聲學儀器范疇，對水體環境要求較低，即使在非常渾濁的水體中也能獲得較好的數據。但中國關于剖面聲吶觀測方法僅有陳景東等[17]和馬小川[18]有所研究，基于剖面聲吶觀測沙紋的研究還未見到。

基于大型波浪水槽試驗，通過對剖面聲吶數據與光學攝影數據進行對比來檢驗剖面聲吶的數據準確性，驗證了剖面聲吶觀測沙紋的可行性，擴展了中國的沙紋觀測手段。并基于剖面聲吶數據與光學攝影數據進一步研究了波浪作用下海底沙紋的演變規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置和材料

試驗在山東省海洋地質工程重點實驗室(中國海洋大學)的大型波浪水槽中進行，試驗的主體設備為波浪水槽，水槽長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)×0.5 m(寬)×0.3 m(高)，一端配有推板式造波機，能產生規則波，如圖1所示。

圖1 波浪水槽示意圖Fig.1 Sketch of wave flume

試驗用砂取自青島周邊海域，為了能更好地產生沙紋，使用0.25 mm細篩篩除沙樣中超過0.25 mm的顆粒，對試驗沙樣取樣進行粒度分析，測得沙樣中值粒徑為183 μm，其中0.075 mm<粒徑d<0.25 mm的顆粒所占比例為99.7%。

試驗所用聲吶為Imagenex 881A多頻數字剖面聲吶(Benthic SRP-Scan，新西蘭)，儀器精度為2 mm，主要用于測量水槽內沙紋的形態特征數據。該聲吶是一款能實時記錄水底地形地貌圖像數據的儀器，由于光等在海水中的傳輸衰減較大，因而相對于光學等儀器而言，圖像聲吶能提供更加準確且更加完整的海底地形地貌數據。該剖面聲吶的工作原理是通過探頭發射聲波信號，聲波信號到達海底后反射回到換能器接收，回波信號經加工處理和計算，得到海底各點相對于換能器的位置, 以換能器位置為坐標原點，進而計算出海底各點的三維坐標。其工作模式分為直線測量和旋轉測量(圖2)：直線測量時，一般選定平行于流向的一個剖面，實時測量剖面上各點的高程變化，進而在聲吶配套軟件中顯示出測線上各點的高程變化，通過對數據的進一步處理能得到各個時刻海底剖面圖像；旋轉測量時，則是以一定的角度間隔(0.3°的倍數)進行一周的旋停測量(旋轉到一個設置角度后停止旋轉，測量該角度剖面數據后繼續旋轉直至測量完一周)，能夠獲取測點附近一定范圍內的地形地貌數據，一次旋轉測量可以認為是多組不同角度的直線測量的集合。試驗中兩種工作模式均有采用，每隔1 min進行一次直線測量。試驗中的水體流速由聲學多普勒點式流速儀(ADV)測得，采用三相模式(x方向同水槽方向一致)，每秒測量一次，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

水槽內波浪數據和濁度數據分別由波潮儀和RBRconcerto型多參數水質儀測定，波潮儀采樣頻率1 Hz，每秒測量一次，固定于沙床尾部上方，主要用于測量水槽中的波高和波周期等波浪參數；多參數水質儀采樣頻率1 Hz，每半秒測量一次，固定于沙床正上方，主要用于測量水槽內的濁度等參數。試驗過程中，使用兩個高速圖像采集系統(CCD相機)測量海底沙紋形態特征，CCD相機的空間分辨率為1 920×1 080像素，頻率為10 Hz，其中一個相機始終與水槽側壁保持固定距離，另一相機則對試驗現象進行拍照補充。

1.2 試驗過程

對于由同一種成分組成的細沙沙床，施加不同的波浪條件[19]，波浪載荷的物理參數如表1所示。波浪作用不僅會導致水槽內水體環境的變化，也會使沙床形態特征發生變化。因而，試驗過程中主要觀測懸浮泥沙濃度變化和沙床形態特征變化。

表1 波浪參數

不同波浪條件下，試驗過程一致。①鋪設沙床：向已篩分的試驗沙中注入少量水，攪拌濕潤后再裝入沙槽，沙床鋪設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和多參數水質儀安裝固定在水槽內。③測量初始沙床形態數據：試驗開始前，使用剖面聲吶進行直線測量和旋轉測量以獲取初始的沙床形態數據。④施加波浪條件：按照試驗設計波高值5 cm和10 cm分別加載波浪載荷進行試驗。⑤拍照記錄：試驗加波過程中，實時觀察并記錄沙床的形態特征變化。在沙紋出現后，在沙槽側壁上用記號筆描繪出不同時刻的沙紋形態，并拍照記錄沙紋形態特征隨時間的發育情況。⑥試驗結束后，首先使用聲吶對沙床形態數據進行采集，隨后在水槽末端和沙槽中每隔20 cm處均設置采樣點，對表層沙樣進行取樣分析。

2 試驗結果

2.1 懸浮泥沙濃度變化

波浪作用下兩次試驗的水體懸浮泥沙濃度隨時間變化趨勢如圖3所示。在試驗未開始前，兩組試驗的濁度均為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內快速上升至30 mg/L，隨后略微下降至28 mg/L，在試驗開始170 min后再次上升至30 mg/L并趨于穩定，試驗結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，試驗開始105 min后上升至90 mg/L發生跳躍，該時刻造波裝置發生故障停止了約1 min，隨后懸浮泥沙濃度以約0.3 mg/(L·min)的增速繼續增長，當懸浮泥沙濃度增至120 mg/L時趨于穩定，試驗結束后，懸浮泥沙濃度緩慢降低。

通過對兩次試驗懸浮泥沙數據的比較，可以看出10 cm波高試驗組的懸浮泥沙濃度普遍高于5 cm波高試驗組，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對沙床產生更大的剪切力，進而導致更多的泥沙顆粒起動并進入水體。在試驗結束后的靜水沉降過程中，兩組試驗的懸浮泥沙濃度降低趨勢有所不同，10 cm波高試驗組懸浮泥沙濃度總體降低趨勢更快。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自重力要大于細顆粒泥沙，靜水沉降速度相對較快。

2.2 底床形態特征

2.2.1 底床侵蝕淤積情況

圖4 底床隨時間變化圖Fig.4 Bottom bed change trend chart

波浪作用下沙床高程隨時間變化趨勢如圖4所示(僅截取了0.6 m的沙床進行研究)，x軸零點即對應聲吶在測線上的位置，x軸正方向為沙床前側，色標零點為設定的水底底面，白色區域為旋轉測量時段。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。在試驗前110 min內，在-30～-10 cm區域(前部)沙床高程略微增長，在-10～10 cm區域(中部)沙床各部分變化趨勢不一致，在10～30 cm區域(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，試驗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，試驗前90 min內，沙床各部分變化不明顯，隨后沙床整體被侵蝕，高程持續降低，試驗開始210 min后，沙床前部和中部趨于穩定，無明顯變化趨勢，試驗開始230 min后沙床尾部趨于穩定，試驗前后沙床整體被侵蝕了約1.5 cm。

通過對兩次試驗數據的比較，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對沙床產生剪切力，當超過泥沙起動臨界切應力時沙床上的泥沙顆粒會起動，一部分泥沙顆粒會轉變為懸移質進入水體環境，另一部分會轉變為推移質，從而導致沙床高程降低。但由于波浪條件不同，波浪作用越強起動的泥沙顆粒越多，兩組試驗沙床高程變化有所不同。

2.2.2 沙紋形成過程

試驗開始前，沙床平整[如圖5(a)]。當施加波浪荷載后，會在床面產生剪切應力。當剪切應力超過泥沙臨界起動值時，泥沙起動形成沙紋。首先，沙床會形成一些小的侵蝕凹坑，隨著時間的增加，沙床會緩慢形成規則的沙紋雛形，隨后沙紋雛形快速發育為彎曲沙紋[如圖5(b)]。隨著沙紋的運動，部分彎曲沙紋會發生交叉形成交叉沙紋(X型沙紋和Y型沙紋)[如圖5(c)]。隨著時間的進一步增加，沙床和波浪作用達到一個準靜態平衡狀態，形成了順直沙紋[如圖5(d)]，沙紋形態趨于穩定變化十分緩慢。

圖5 試驗沙紋形態實物圖Fig.5 Physical map of wave ripples

3 分析與討論

為了驗證剖面聲吶觀測沙紋的可行性，基于圖4中的剖面聲吶數據，截取了沙紋發育為順直沙紋后的部分聲吶數據，對聲吶數據和實際照片進行了對比分析，結果如圖6和圖7所示。

聲吶位于實物圖中20 cm刻度處，即聲吶數據圖橫坐標零點對應實物圖中20 cm刻度處圖6 5 cm波高底床形態圖Fig.6 Bed morphology with 5 cm wave height

在5 cm波高波浪作用下，試驗進行到179 min時，聲吶測量到了5個完整的沙紋，通過對5個波紋的統計分析得到波紋的平均波脊間距約為35 mm，波高約為6 mm，通過對實物照片分析可以得出，在標尺20～40 cm段有5個完整沙紋，根據圖像得到的波紋的平均波脊間距約為33 mm，波高約為7 mm，聲吶數據得到的沙紋數量和形態特征與實際情況基本一致，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。試驗進行到239 min時，聲吶測量到了6個完整的沙紋，計算得到波紋的平均波脊間距約為30 mm，波高約為6 mm，通過對實物照片分析可以得出，存在有6個完整沙紋，平均波脊間距約為32 mm，波高約為6 mm，聲吶數據得到的沙紋數量和平均波脊間距尺寸與實際情況基本一致，平均波脊間距誤差為2 mm, 在儀器2 mm誤差范圍內；試驗進行到299 min時，聲吶測量到了4個完整的沙紋和2個不完整沙紋，計算得到波紋的平均波脊間距約為35 mm，波高約為6 mm，通過對實物照片分析可以得出，存在有5個完整沙紋和1個不完整沙紋，波紋的平均波脊間距約為32 mm，波高約為7 mm，聲吶數據得到的沙紋數量和尺寸與實際情況有一定誤差，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據反演的沙紋形態是通過數據點擬合而成，這使得部分沙紋的水平位置和形態數據存在一定偏差。

聲吶位于實物圖中20 cm刻度處，即聲吶數據圖橫坐標零點對應實物圖中20 cm刻度處圖7 10 cm波高底床形態圖Fig.7 Bed morphology with 10 cm wave height

在10 cm波高波浪作用下，試驗進行到102 min時，聲吶測量到了5個完整的沙紋，通過對5個波紋的統計分析得到波紋的平均波脊間距約為36 mm，波高約為6 mm，通過對實物照片分析可以得出，在標尺20～40 cm段有5個完整沙紋，根據圖像得到的波紋的平均波脊間距約為37 mm，波高約為8 mm，聲吶數據得到的沙紋數量和尺寸與實際情況基本一致，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；試驗進行到162 min時，聲吶測量到了5個完整的沙紋，計算得到波紋的平均波脊間距約為36 mm，波高約為7 mm，通過對實物照片分析可以得出，存在有5個完整沙紋，波紋的平均波脊間距約為35 mm，波高約為10 mm，聲吶數據得到的沙紋數量和尺寸與實際情況基本一致，平均波脊間距誤差為1 mm，波高誤差為3 mm；試驗進行到222 min時，聲吶測量到了4個完整的沙紋，計算得到波紋的平均波脊間距約為42 mm，波高約為7 mm，通過對實物照片分析可以得出，存在有4個完整沙紋，波紋的平均波脊間距約為42 mm，波高約為9 mm，聲吶數據得到的沙紋數量和尺寸與實際情況基本一致，波高誤差為2 mm；試驗進行到270 min時，聲吶測量到了4個完整的沙紋，計算得到波紋的平均波脊間距約為42 m，波高約為7 mm，通過對實物照片分析可以得出，存在有4個完整沙紋，波紋的平均波脊間距約為42 mm，波高約為8 mm，聲吶數據得到的沙紋數量和尺寸與實際情況基本一致，波高誤差為1 mm。

4 結論

基于水槽試驗，通過對比剖面聲吶數據與光學攝影數據來驗證了剖面聲吶研究觀測沙紋的可行性，并基于剖面聲吶數據與光學攝影數據研究了波浪作用下沙紋的演變規律，得出如下結論。

(1)通過對兩組試驗數據的分析，可以認為剖面聲吶近底觀測沙紋是可行的，聲吶數據能夠較好地反演出沙紋的波脊間距和波高等形態特征和位置信息。但由于聲吶數據反演沙紋形態是通過數據點的擬合來實現的，聲吶數據會存在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，沙紋在發育過程中會依次經歷不規則沙紋—彎曲沙紋—交叉沙紋—順直沙紋四個過程，當波浪作用與沙床達到準靜態平衡狀態時，沙紋會趨于穩定，變化十分緩慢。沙紋在發育過程中其波脊間距不超過4.5 cm，其波高為0.5～1.5 cm。