沈泽中，贾永刚,2，张少同，张博文，单红仙,2，刘晓磊,2

(1. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100; 2. 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100)

海底沙波迁移过程原位观测简易装置设计与试验

沈泽中1，贾永刚1,2，张少同1，张博文1，单红仙1,2，刘晓磊1,2

(1. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100; 2. 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100)

海底沙波的迁移对海底基础工程具有潜在危害，成为人们日益关注的热点。目前对海底沙波迁移过程的研究缺乏原位长期观测数据的支撑，设计一种海底沙波迁移过程的原位观测装置，通过水压差与高程差变化的对应关系来确定沙波的形态变化和迁移过程。并且在室内波浪水槽中对装置观测的可行性和观测结果的准确性进行验证，同时在仰口湾潮滩进行现场观测应用。该装置室内试验测量计算得到沙波表面高度变化5.9 cm，而观测得到沙波表面高度实际变化5.5 cm，两者吻合程度很好。试验结果表明，这套海底沙波迁移过程原位观测装置能对沙波外部形态变化进行测量且准确度较高，为海底沙波迁移的观测提供了新方法。

海底沙波；迁移过程；原位观测；设计与验证；水槽试验

陆架海底砂质沉积物在海洋浪、潮、流等水动力作用下，发育成各种起伏的海底地貌，统称底床形态，波脊线垂直于陆架主水流方向的丘状或新月状底床形态称为海底沙波，在全球潮流陆架、海岸、海峡、海湾普遍发育。

对于海底沙波的研究，国外首见于1901年Cornish[1]的文章，我国较早的系统研究是20世纪90年代冯文科[2]对南海北部陆架沙波地貌动态的研究。随着近年海洋资源开发的力度加大，国家在大陆架铺设了大量的电缆和油气输运管线。而海底沙波在潮流、热带风暴或内波等作用下会产生迁移，可能造成海底输运管道的悬空或掩埋，更严重的可能导致海底输运管道和光缆断裂、海上平台倾斜，给经济和环境带来巨大损失。

现今国内外研究者对海底沙波迁移观测的研究，多采用水深重复测量的观测手段[3-6]，这是目前最直接也是最有效的方法，尤其是对单个大尺度的海底沙波。国外学者Berne等[7]利用水深重复测量配合侧扫声纳探测研究海底沙波长期迁移变化的规律；Li等[8]连续5年重复测量加拿大塞布尔吉岛附近海域沙波区的水深，通过脊线对比确定其迁移距离；Ludwick[9]经过17个月切斯皮克湾的定位水深测量，提出海底沙波迁移速率与其大小成反比的观点；Idier等[10]对英吉利海峡的沙波水深重复测量结果显示其迁移速率可达17 m/a。徐景平等[11]通过4年Monterey峡谷沙波区高精度多波束水深重复测量，得到该海域沙波波高和波长的大体范围，并发现在100～150 m水深范围内波长随水深的增加而增大。李近元等[12]综合2007至2009年海南东方外岸多波束测深数据，得出该海域海底沙波迁移速率最大为47 m/a。除了水深重复测量的观测研究方法，还有声、光学观测仪器集成构建的综合观测平台，Jo and Lee[13]就曾利用观测平台采集潮滩上的水动力特征以及底面沙纹的动力过程，不过目前只是直接完整观测到沙纹的动力过程而未进行长时间观测。

由于现今的观测都具有观测间歇不连续等特点，且没有原位长期观测数据的支撑，致使对海底沙波迁移的实际观测没有新进展，同时更加无法对其迁移进行准确预测。所以，我们亟需研究海底沙波原位观测的新技术，以便透彻的了解其迁移的动态变化过程，为海底基础工程设施提供安全保障。

首先介绍了海底沙波迁移过程观测装置的整体设计，其次在室内波浪水槽试验对观测装置进行可行性和准确性验证试验，之后在青岛仰口湾潮滩上对观测装置进行了短期的观测应用，最后指出了下一步计划，研究沙波活动性原位测量装置，希望能对今后的研究工作提供借鉴指导。

1 观测装置整体设计

1.1整体结构设计

海底沙波迁移过程的观测装置和室内验证测量装置如图1所示，包括观测搭载平台和观测仪器。其中，观测搭载平台主要由不锈钢四脚架、密度大于水的测量浮球及其他附属设备(光滑不锈钢钢杆、细钢筋、配重块等)组成。观测仪器主要为压力计和姿态传感器，压力计用来观测海底沙波的波高和迁移周期，姿态传感器则是在观测搭载平台布放或观测过程中倾斜时，对后续的数据处理起修正作用。

测量浮球分为上端盖、下端盖和主体，所用材料密度大于水小于砂。上、下端盖为半球形，中心都有一个圆孔且设计了承轴和滚珠，并在圆孔内侧添加特殊材料，保证浮球能在光滑钢杆上小摩擦的竖向运动。与下端盖不一样的是，上端盖表面有4个直径0.01 m的圆孔，在距中心轴线0.03 m处的外表面上均匀分布，既是保证浮球内外水压一致，也是为了走线方便。同时在上端盖的两个圆孔上设计缠了一根细钢丝，顶部绕成圆形套在光滑钢杆上，这样可以实时查看光滑钢杆上的读数。浮球整体为空心、厚度1 cm，内部一侧设计了压力传感器的固定架子，保证压力传感器能和测量浮球同步运动。

图1 沙波迁移过程测量装置和室内验证装置Fig. 1 Height and period observation device and indoor verification device

不同海域海水垂向密度存在着差异，不过沙波大部分存在于80～200 m水深处，总体差异很小，对浮球密度的选择不会造成太大影响。由于海底沙波波高由几十厘米到数米，波长由几十厘米至几米或几十米，且现阶段已对不同海域沙波的形态尺度有了大体的了解，布放前需要根据具体形态尺寸设计浮球大小及装置尺寸。在观测装置布放时，需要GPS、调查船和起吊装置辅助。测量浮球内部固定有姿态传感器，测量装置布放时的倾角，以便后续数据处理，确保装置倾斜时也能得到正确的数据。

1.2测量原理

海底沙波波高测量原理，主要是基于观测点测量水压的变化，压力计一个固定在测量浮球内部，测量沙波波高；另一个固定在光滑钢杆上部，消除波浪和潮汐作用的影响。在观测点沙波波峰迁移的过程中，浮球中的压力计会随着浮球竖向运动，且始终处于水砂界面处。当观测点达到波峰时，浮球中压力计示数最小(P1)，当观测点达到波谷时，浮球中压力计示数最大(P2)。消除波浪和潮汐作用的影响后，如果测量周期超过沙波迁移周期，压力计最大值与最小值之差所对应的距离(H)即为海底沙波的波高，如图2所示。

海底沙波迁移周期测量原理，与波高测量原理类似，同样是利用水深压力计对观测点进行水压力测量。将浮球中和光滑金属杆顶部压力计的压力差转化为高程数据，数据记录两个相邻最大高程值所花的时间，即为海底沙波迁移的周期。

图2 观测装置测量原理示意Fig. 2 Measuring principle diagram of observation device

2 水槽验证试验

2.1试验装置与材料

在波浪水槽中进行室内水槽验证试验，试验装置与材料主要包括波浪水槽、测量浮球、压力传感器、压力采集仪、砂。试验水槽及尺寸如图3所示，水槽顶部设有造波机，造波频率由变频控制箱调控，范围是0.2～50 Hz，不同频率对应不同波高。水槽的末端为消波段，铺有砾石斜坡用来消波，防止回波干扰试验。

图3 水槽试验装置示意Fig. 3 Schematic diagram of flume

测量浮球有4个，在空气中密度分别为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。试验自配海水，盐度约为34‰；砂样取自青岛石老人海滩，经筛分实验，砂粒平均粒径0.25 mm，不均匀系数1.475，曲率系数1.13；压力传感器的分辨率0.01 ppm、精度0.01% FS，采集频率10 Hz；压力采集仪的精度0.1% FS，测量范围0～700 bar。

2.2试验方法与过程

2.2.1 试验方法

使用中细砂在水槽中铺设凸形和凹形两种底床形态，将观测装置布设在凹形(两边高中间低)和凸形(两边低中间高)的底床形态上。测量浮球在水中自由下沉，在波浪作用下，水槽中沙波波峰会缓慢向前移动，观察此过程中测量浮球是否在泥沙的作用下竖向运动，验证观测装置实际观测的可行性。同时记录浮球竖直运动的距离，并与观测装置中压力传感器所记录的数据处理后对比，验证其观测结果的准确性。

本试验使用了两个压力传感器，一个固定在测量浮球中用来测量沙波的运动周期和波高，另一个固定在水槽壁上，在处理数据时可消除波浪作用的影响。另外，在波浪水槽中会产生很小的环形底流，经压力传感器校验，对观测结果几乎没有影响，可以忽略。

2.2.2 试验过程

本次室内水槽试验试验过程如下：

1)试验前准备

首先校准两个压力传感器。固定于测量浮球中的压力传感器称为1号压力传感器，固定于水槽壁上的压力传感器称为2号压力传感器。对两个压力传感器进行校准，得到两个压力传感器的标准曲线。

其次选择铺设底床的砂样粒径及波浪加载方式。室内水槽试验所用砂取自青岛石老人海滩，砂粒平均粒径为0.25 mm，不均匀系数1.475，曲率系数1.13。铺设底床尺寸：铺设泥沙底床长2.5 m，厚度10 cm，沙波波高25 cm左右。水槽中注入自配标准海水，水深45 cm，并在水槽壁上标注尺寸。通过变频控制箱可调控波浪的波高，波浪的加载方式为波高15 cm、周期1 s、波长1.6 m，持续加波。

最后安装观测装置。将1号压力传感器固定入测量浮球，接上压力采集仪并与计算机相连；观测装置安置在沙波的侧坡上，距水槽正面玻璃内壁2 cm，以方便对测量浮球的竖向运动过程实时观察。2号压力传感器固定在水槽反面玻璃壁上，实时记录波浪作用，以便后续数据处理工作。另外，两个压力传感器处于同一垂直于水槽的剖面上，保证两者同步记录波浪信息。观测装置布设完成后开始向水槽中注入自配标准海水至45 cm处，然后静置两小时，稳定仪器的测量性能。

2)试验过程

①验证观测装置实际观测的可行性试验

施加15 cm波高的波浪作用60 min，在玻璃壁外观察测量浮球的实时运动情况，同时通过计算机程序记录压力传感器的实测数据，观察测量浮球的运动与压力传感器测量的数据是否同步。60 min后停止波浪加载，观察测量浮球在水砂界面的状态以及压力传感器的数据是否还在变化。

②验证观测装置观测结果的准确性试验

首先记录测量浮球上端盖钢丝圆环在光滑钢杆上的初始读数。然后施加15 cm波高的波浪持续作用，每隔2 min记录测量浮球上端盖钢丝圆环在光滑钢杆上的瞬时读数。最后根据压力传感器测量的实时数据，处理绘图。对比试验过程中现场观测的数据和压力传感器采集的处理数据是否一致，从而验证测量装置测量结果的准确性。

改变测量浮球的密度(共4个不同密度的测量浮球)，依照上述方法继续试验。对比4个测量浮球的试验结果，找出比较适宜的密度。

图4 水压力和传感器水深随时间变化曲线Fig. 4 Water pressure and sensor’s water depth along with the change of time

2.3试验结果

2.3.1 观测装置实际观测的可行性验证

本次观测装置可行性验证试验通过实际观测获得了大量水压数据，处理后得到观测点的水压、水深变化曲线和测量浮球的竖向运动轨迹。

图4是在15 cm波高的波浪作用下，测量的水压力变化曲线和压力传感器的竖向运动轨迹图。如图所示，水压力先增大再减小，然后又增大；随着沙波波峰缓慢向前移动，压力传感器随着测量浮球先较快的向下运动，然后在泥沙移动的作用下向上运动，最后缓慢的向下运动。当停止波浪作用的加载后，压力传感器采集数据没有明显变化。

在水槽试验过程中，现场直接观察到的结果就是测量浮球则一直都处于观测点水砂界面的上方，先下降后上升。根据压力传感器的数据来看，与从水槽壁外现场观察的结果一致。

2.3.2 观测装置实际观测结果的准确性验证

本次试验共四组，密度为1.07 g/cm3的测量浮球入水后悬浮在水中，无法进行测量。其余三组试验结果如图5所示，分别是密度为1.23 g/cm3、1.18 g/cm3、1.13 g/cm3的测量浮球所对应的测量水深和浮球实际竖向运动轨迹图。

图5 观测点水深及浮球竖向运动轨迹图Fig. 5 Diagram of observation point depth and floating ball’s vertical motion

图5(a)从压力传感器实测数据可知，在0～700 s时间内测量浮球先向下运动2.8 cm，700～5 000 s时间内向上运动3.7 cm；而根据圆环测量示数可知，测量浮球先向下运动约2.8 cm，然后向上运动约2.2 cm。试验结束后从水槽壁外察看，测量浮球有略微下陷，且观测点水砂界面有圆弧形凹陷，圆弧形凹陷大约1 cm。

图5(b)从压力传感器实测数据可知，在450～900 s时间内测量浮球向下运动2.7 cm，900～3 000 s时间内向上运动4.8 cm；而根据圆环测量示数可知，测量浮球先向下运动约2.8 cm，然后向上运动约4.0 cm。试验结束后从水槽壁外察看，观测点测量浮球水砂界面处有一点点圆弧形凹陷，而浮球没有下陷。

图5(c)从压力传感器实测数据可知，在0～900 s时间内测量浮球先向下运动0.5 cm，900～4 000 s时间内向上运动5.9 cm；而根据圆环测量示数显示，测量浮球先向下运动约0.5 cm，然后向上运动约5.5 cm。试验结束后从水槽壁外察看，观测点测量浮球水砂界面处没有凹陷，且浮球没有下陷。

2.4分析与讨论

由室内观测装置实际观测可行性验证试验可知，在波浪作用下，测量浮球在水与底砂界面处可随观测点底砂高程的变化而竖向运动，且始终处在水砂界面处，可以说明观测装置的实际观测是可行的。

由室内观测装置实际观测结果的准确性试验可知，在测量浮球下降的过程中，压力传感器实测数据与现场观测数据很吻合，准确性较好。然而在测量浮球上升的过程中，三次试验结果相差较大。第一次试验测量浮球的密度最大，此浮球上升过程不太灵敏且在试验结束后，浮球略微下陷、底部周围有圆弧形凹陷，压力传感器实测的数据与现场观测的数据吻合程度不高，可能是因为浮球在水中的整体密度与砂比较接近，导致砂的推动作用不太明显。第二次试验减小了测量浮球的密度，结果测量浮球上升过程比第一次灵敏，浮球底部只有些微圆弧形凹陷并无下陷，压力传感器实测的数据与现场观测的数据吻合程度较好。第三次试验继续减小测量浮球的密度，其上升过程中灵敏程度很好，压力传感器实测的数据与现场观测吻合很好。当浮球的密度继续减小时，则悬浮在水中，无法再进行观测。由这四次试验可以说明，测量浮球的密度处于一定范围内时，观测装置的准确性很好，可以对沙波的波高和迁移周期进行测量。

经四组波浪水槽试验，第三种情况下，观测装置的测量结果较为精准，在潮滩现场观测试验中，使用密度为1.13 g/cm3的测量浮球。

3 潮滩现场观测

3.1观测点概况

观测点位于山东省青岛市仰口湾海滩，温带季风性气候，夏季盛行南到西南及东南风，冬季盛行北到西北风。

波浪以风浪为主，全年常浪向为SSE，频率15%；次浪向为SE，频率12%；最大波高2.3 m，波向为ENE。潮流为往复规则半日潮流，浅水分潮比较强。涨潮时流向为顺时针方向，落潮时流向为逆时针方向。表层余流一般为10～13 cm/s。潮汐为规则半日潮，平均潮差约2.4 m，最大潮差约4.2 m，潮流作用较强。

观测点水深约2 m，在底床上发育有3～5 cm高的小沙纹。

3.2观测方法与过程

仰口潮滩现场观测，使用的观测装置及方法与室内水槽试验基本相同，唯一的差别是现场观测使用压力传感器和波潮仪，压力传感器固定在测量浮球中，波潮仪固定在光滑钢杆的顶部。

在沙纹发育的海域选择一个观测点，在平潮期进行布放应用。首先在光滑钢杆上加上测量浮球、波潮仪和压力采集仪，波潮仪固定在其顶部；然后将光滑钢杆竖直插入观测点底床约50 cm，以保证整个观测装置的稳定性；测量浮球则顺着光滑钢杆慢慢下沉至底床表面。当天观测完后，即展开观测仪器回收工作，进行观测数据的分析处理。

3.3观测结果及分析

现场观测应用试验获取了水压、波浪、潮汐数据，如图6所示，记录了压力传感器所处位置高程随时间的变化，显示了传感器在沙纹表面的竖向运动，得到了观测点沙纹的高度和迁移周期。

图6 沙纹波高与迁移周期Fig. 6 Height and migration period of ripples

从图6可知，该观测装置能够在水下正常工作，经过10小时的沙纹迁移观测数据，得到该观测点区域沙纹的高度和运动周期，沙纹高度约为4 cm，运移周期约2小时30分钟，而且沙纹的相邻两个波之间还有距离不一的平坦缓冲地带。与实际情况对比，吻合程度较好，表明观测系统在实际中具有较强的应用性。

4 结 语

对海底沙波迁移过程的观测装置进行设计研究，得到了以下结论：

1)设计了一套海底沙波迁移过程的原位观测装置，提供了海底沙波原位长期观测的新方法。并经过室内波浪水槽试验验证，证明了该设计实际观测的可行性与观测结果的准确性，相对于以往的探测方法有原位长期性、连续观测性的明显优势。

2)经过四组波浪水槽试验，发现测量浮球在密度为1.13～1.18 g/cm3的范围内时，观测装置的测量结果较为准确。同时利用密度为1.13 g/cm3的测量浮球进行潮滩沙纹观测试验，得到了观测点沙纹的高度和迁移的周期，说明该观测装置就有较好的适用性。

在此基础上，下一步的工作就是优化浮球大小和浮球密度的关系，找出最优值；设计出海底沙波波长观测装置，并进行验证；然后与沙波迁移过程测量装置整合，在浅海沙波发育区布放，进行长期的原位观测。可获得海底沙波的波高、波长以及迁移周期数据，计算出沙波的迁移速率，了解其迁移的动态变化过程，为海底基础工程设施预警提供依据和帮助。

[1] CORNISH V. On sand-waves surfaces in tidal currents[J]. The Geographical Journal, 1910, 18(2): 170-200.

[2] 冯文科, 黎维峰, 石要红. 南海北部海底沙波地貌动态研究[J]. 海洋学报,1994,16(6):92-99. (FENG Wenke, LI Weifeng, SHI Yaohong. Geomorphic dynamic research of submarine sand wave in the northern south china sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1994, 16(6): 92-99. (in Chinese))

[3] VAN DIJK T A G P, KLEINHANS M G. Processes controlling the dynamics of compound sand waves in the North Sea, Netherlands[J]. Journal of Geophysical Research Earth Surface, 2005, 110(F4): 97-116.

[4] INGERSOLL R W, RYAN B A. Repetitive surveys to assess sand ridge movement offshore sable island[C]//Proceedings of the OCEANS'97. 1997: 1377-1393.

[5] FENSTER M S. Stability of giant sand waves in Eastern Long Island Sound, USA[J]. Marine Geology, 1990, 91: 207-225.

[6] 王伟伟, 范奉鑫, 李成钢, 等. 海南岛西南海底沙波活动及底床冲淤变化[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2007, 27(4): 23-28. (WANG Weiwei, FAN Fengxin, LI Chenggang, et al. Activity of submarine sand waves and seafloor erosion and deposition in the sea area to the southwest of Hainan island[J]. Marine Geology amp; Quaternary Geology, 2007,27(4): 23-28. (in Chinese))

[7] BERNÉ S, CASTAING P, LE DREZEN E, et al. Morphology, internal structure, and reversal of asymmetry of large subtidal dunes in the entrance to Gironde Estuary (France) [J]. Journal Sedimentary Research,1993, 63(5): 780-793.

[8] LI M Z, KING E L. Multibeam bathymetric investigations of the morphology of sand ridges and associated bedforms and their relation to storm processes, Sable Island Bank, Scotian Shelf[J]. Marine Geology, 2007, 243: 200-228.

[9] LUDWIEK J C. Sand waves in the tidal entrance to Chesapeake Bay Preliminary observations[J]. Earth and Environmental Seience, 1970, 11(2):98-110.

[10] IDIER D, EHRHOLD A, GARLANT. Morphodynamics of an undersea sand wave of the Dover Straits[J]. Comptes Rendus Geoscience, 2002, 334(15):1079-1085.

[11] XU J P, WONG F L, KVITEK RIKK. Sandwave migration in monterey submarine canyon, Central California[J]. Marine Geology, 2008, 248:193-212.

[12] 李近元, 范奉鑫. 海南东方岸外海底沙波运移及浅地层结构分析研究[R]. 青岛:中国科学院海洋研究所,2010. (LI Jinyuan, FAN Fengxin. The analysis of sand waves and shallow seismic profile in the sea areo to the southwest of Hainan island[R]. Qingdao: Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences,2010. (in Chinese))

[13] JO H R, LEE H J. Sediment transport processes over a sand bank in macro tidal Garolim Bay, west coast of Korea[J]. Geosciences Journal, 2008,12(3): 243-253.

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

国家自然科学基金(41272316；41372287；41402253)

沈泽中(1992-)，男，湖南常德人，硕士研究生，主要从事海洋工程地质研究。E-mail：shenzezhong0714@126.com