單紅仙， 沈澤中， 劉曉磊， 文明征， 朱超祁， 賈永剛

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

綜述

海底沙波分類與演化研究進(jìn)展?

單紅仙1,2， 沈澤中1， 劉曉磊1,2， 文明征1， 朱超祁1， 賈永剛1,2

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

海底沙波普遍存在且嚴(yán)重危害海底工程，成為人們?nèi)找骊P(guān)注的熱點(diǎn)。為了加深對海底沙波研究的認(rèn)識，總結(jié)論述了海底沙波的分類與成因，重點(diǎn)對海底沙波遷移的預(yù)測、觀測進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，對海底沙波的成因認(rèn)識逐步加深、分類逐步細(xì)化，成因及遷移過程是多種水動力因素共同作用的結(jié)果，但形成及遷移的機(jī)制至今仍未有系統(tǒng)理論形成。由于缺乏長期觀測數(shù)據(jù)，無法對海底沙波的遷移進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。今后研究的方向主要是，將理論研究與現(xiàn)場觀測緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)新的原位長期觀測方法，完善預(yù)測模型，建立全面的資料數(shù)據(jù)庫為海底基礎(chǔ)工程預(yù)警。

海底沙波；分類；成因；遷移；原位觀測

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)育了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。海底沙波在全球潮流陸架、海岸、海峽、海灣以及有定向流速的陸架海區(qū)等地普遍發(fā)育，如Hinder Banks北部[1]、白令海[2]、日本海[3]、北海荷蘭外岸[4]、地中海沿岸[5]、Long Island Sound東部[6]、韓國西岸Garolim Bay潮灘[7]等海底區(qū)域均發(fā)育有沙波地貌。中國的沙波則主要分布在渤海東部淺灘[8]、東海中外陸架[9]、揚(yáng)子淺灘[10-11]、臺灣海峽東山島岸外[12]、南海北部陸架[13]以及海南東方岸外[14-15]等海域。

對于海底沙波的研究，國外首見于1901年Cornish V.[16]的文章，我國較早的系統(tǒng)研究是1990年代馮文科[14]對南海北部陸架沙波的研究。本文討論的都是可能造成海底工程地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)代海底沙波，它是區(qū)域沉積系統(tǒng)在現(xiàn)今海洋動力條件下所形成的，對其演化的研究有利于更好的了解海底沉積物輸運(yùn)以及當(dāng)今水動力特征下海底地形地貌的演變。

近年國家對海洋資源開發(fā)的力度加大，在大陸架鋪設(shè)了大量的電纜和油氣輸運(yùn)管線。而海底沙波在潮流、熱帶風(fēng)暴或內(nèi)波等作用下會產(chǎn)生快速遷移，可能造成海底輸運(yùn)管道的懸空或掩埋，更嚴(yán)重的可能導(dǎo)致海底輸運(yùn)管道和光纜斷裂、海上平臺傾斜，給經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來巨大損失。目前已有許多學(xué)者對海底沙波的演化做過研究分析，但是對其形成與遷移機(jī)制仍未有系統(tǒng)理論形成，同時也無法對海底沙波的遷移進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。所以，對海底沙波演化的深入研究具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本文對海底沙波的成因認(rèn)識與分類進(jìn)行了歸納總結(jié)，對海底沙波遷移的觀測與預(yù)測進(jìn)行了分析討論，并指出了海底沙波未來研究的主要方向，希望能對今后的研究工作提供借鑒指導(dǎo)。

1 海底沙波的成因

海底沙波的形成實(shí)質(zhì)上就是海床面的砂質(zhì)沉積物為適應(yīng)水流剪切而使海床面發(fā)生規(guī)則的變化，與地形、沉積物供給、水動力條件以及水深息息相關(guān)。對于成因的研究，仍然是海底沙波研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。海底沙波成因機(jī)制研究的程度直接影響對海底沙波的認(rèn)識深度和預(yù)測遷移的可信度。

海底沙波形成的基本機(jī)制與陸地沙波有相似之處，與此同時，海洋環(huán)境更為復(fù)雜，其成因又具有特殊性。究其成因大體可分兩類：一是與地形地質(zhì)特征有關(guān)，一是與水動力條件有關(guān)[9]，兩者缺一不可。

1.1 海底沙波形成的內(nèi)在因素

海底沙波形成的內(nèi)在因素是其形成的基本條件，包括海底地形、沉積物類型及供應(yīng)等。

1.1.1 平坦寬闊的海底地形 以東海大陸架為例，陸架北部地形平坦，平均坡度只有17″～20″，適合沙波發(fā)育。中部地形起伏較大，水流不穩(wěn)，南部海底又恢復(fù)平坦[17]。經(jīng)實(shí)際調(diào)查，北部和南部發(fā)育著海底沙波，中部沒有沙波發(fā)育痕跡[9]。所以，平坦廣闊的海底地形是發(fā)育海底沙波必不可少的有利條件。

1.1.2 充足的中細(xì)砂供應(yīng) 黏土含量大于15%或者粗砂分布的海域不發(fā)育海底沙波[1]，沙波一般在中細(xì)砂沙質(zhì)的底床上形成，粒徑范圍在0.15～1.15 mm，粒徑過大或過小均不會有沙波生成[18]。莊振業(yè)[19]曾統(tǒng)計(jì)過世界19個陸架海區(qū)的海底沙波，發(fā)現(xiàn)它們的粒徑均在0.15～0.6 mm之間。說明中細(xì)砂是形成海底沙波有利的物質(zhì)條件。

除了粒徑大小，供沙量也起著重要作用。根據(jù)現(xiàn)場觀測和實(shí)驗(yàn)證明，海底底流流速降低，供沙量增大時，沙丘將發(fā)育成沙波[20]。

1.2 海底沙波形成的外部水動力因素

海底沙波形成的外部因素主要是水動力環(huán)境條件，包括海流、波浪以及內(nèi)波等。

對海底沙波的形成，王尚毅[21]與竇國仁[22]針對不同底質(zhì)類型形成沙波的流速進(jìn)行模擬計(jì)算，得到沙波形成和遷移需滿足的最小底流流速，如圖1所示，a、b圖分別是依據(jù)王尚毅、竇國仁的數(shù)據(jù)繪制。

(據(jù)文獻(xiàn)[21-22]修改。Modified from reference[21-22].)圖1 沙波形成和遷移的最小底流流速Fig.1 The minimum underflow velocity of formation and migration of sandwave

如圖所示，兩者的計(jì)算研究都只是沙波形成與底流流速的關(guān)系，未涉及其他水動力條件。王尚毅認(rèn)為沙波形成和遷移的最小流速與砂粒粒徑成正相關(guān)關(guān)系，而竇國仁則認(rèn)為當(dāng)砂粒粒徑很小時，沙波形成與遷移的底流流速會比較大，這是由于黏粒對細(xì)顆粒的影響。不僅如此，還充分考慮了水深對細(xì)顆粒泥沙起動流速的影響。但就南海北部實(shí)測水流數(shù)據(jù)分析，許多海域的底層海流平均值在10～18 cm/s之間[23]，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，沙波形成所需的最小流速為19.8 cm/s，遷移所需最小流速為27.7 cm/s，所以單單只是底流作用，不足以形成沙波和造成沙波遷移。在這方面，兩者得出的結(jié)論還是一致的。

繼王尚毅之后，許多學(xué)者都對海底沙波形成的水動力條件進(jìn)行研究。(1)波浪作用，Hill[24]在水槽試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)波浪在向前傳播時能帶動泥沙運(yùn)動并形成沙波地貌；Yalin[25]認(rèn)為表面波是沙波產(chǎn)生的直接原因；Voropayev[26]則認(rèn)為駐波是海底沙波形成的動力，而且在水槽試驗(yàn)中驗(yàn)證了這一過程。(2)往復(fù)流作用，潮流的往復(fù)運(yùn)動是海底沙波形成最主要的動力來源，并指出底床發(fā)育與底流流速有著密切關(guān)系[27]。Dalrymp[28]，Harris[29]也是相同的觀點(diǎn)。(3)波潮耦合作用，認(rèn)為海底沙波是在波浪與潮流共同作用下所形成。Li[30]使用海底視頻圖像觀測，發(fā)現(xiàn)波浪與潮流以小角度疊加作用下形成的海底沙波形狀更加規(guī)則，波峰呈現(xiàn)圓形。(4)內(nèi)波作用，內(nèi)波能起動泥沙，Cacchioe[31]已經(jīng)在試驗(yàn)中證明。但是內(nèi)波作為形成海底沙波的水動力條件的研究還很薄弱，內(nèi)波波致強(qiáng)流起動泥沙形成海底沙波有待進(jìn)一步研究。(5)極端海況，在臺風(fēng)作用下，底流流速增大，出現(xiàn)了能起動泥沙的流速[46]。同時，過境臺風(fēng)也可重建小型沙波[32]。

對于各類水動力條件，波浪與潮流的研究較多，極端海況的研究較少?，F(xiàn)今臺風(fēng)等極端天氣發(fā)生的頻率和強(qiáng)度逐漸增大，導(dǎo)致短期的強(qiáng)流對近海海底的影響不斷增強(qiáng)。然而極端海況很難預(yù)測，且在臺風(fēng)等發(fā)生時對海底砂質(zhì)沉積物響應(yīng)進(jìn)行實(shí)際觀測也很困難，所以，臺風(fēng)等極端天氣是否能形成沙波需要重點(diǎn)研究。

雖然許多學(xué)者對不同海域海底沙波的成因都做了大量工作，也得到了一定的研究成果，但是不同海域的水動力環(huán)境差異較大，不同學(xué)者關(guān)于海底沙波成因機(jī)制的解釋不盡相同?？傮w來說，對海底沙波的成因機(jī)制目前缺乏一個比較系統(tǒng)的理論，有待研究總結(jié)。

2 海底沙波的分類

海底沙波作為一種極具活動性的海底底形，類型劃分的研究對完善其理論體系、正確把握海底泥沙運(yùn)動規(guī)律意義重大，同時有助于我們更全面的了解海底沙波。國內(nèi)外眾多學(xué)者對不同海域海底沙波的形態(tài)、泥沙運(yùn)移和水動力環(huán)境做了大量研究，提出了多種分類方法，但目前尚無共識。

2.1 根據(jù)海底沙波的尺度分類

1980年代，波長L<0.6 m，波高H<0.06 m的砂質(zhì)底形稱為小沙波(Smallripples)，大于這個范圍則統(tǒng)稱為沙波和沙丘[33-34]。這個分類過于籠統(tǒng)，沙波和沙丘無明顯區(qū)分。在1987年美國沉積地質(zhì)專業(yè)會議上，建議根據(jù)Flemming[35]波高(H)與波長(L)的關(guān)系式H=0.067 7L0.809 8將沙波分為小型、中型、大型以及巨型沙波，至今普遍使用。如表1所示。

該分類方式較為簡單，從尺度來說基本覆蓋了已觀測到的海底沙波類型，制定了較為統(tǒng)一的類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，但并沒有給出一個具體量化的劃分依據(jù)。時至今日，由于各海區(qū)水動力條件的差異和營力作用不統(tǒng)一，致使今天海底沙波的命名還是未能明確。

2.2 根據(jù)海底沙波形成時期分類

根據(jù)海底沙波形成時期，可分兩類：殘留沙波和現(xiàn)代沙波[36]。殘留沙波是指在晚更新世末次冰期時，裸露在海底面或淺水潮灘所形成的沙波，和現(xiàn)代的水動力環(huán)境無關(guān)，長期穩(wěn)定無變化；現(xiàn)代沙波則是在現(xiàn)代沉積物供應(yīng)條件和水動力環(huán)境下形成，隨著水動力環(huán)境的改變而改變[37]，是變化且不穩(wěn)定的。

表1 海底沙波分類表Table 1 Classification of submarine sandwave

長期以來，對海底沙波是穩(wěn)定的殘留沙波或者是活躍的現(xiàn)代沙波，都還存在著爭議，需要具體分析。以南海北部陸坡的海底沙波為例，馮文科[38]認(rèn)為南海北部陸坡的海底沙波是在晚更新世末次冰期形成的殘留沙波，而王尚毅[13]、彭學(xué)超[39]等認(rèn)為是在現(xiàn)代潮流作用下形成的現(xiàn)代沙波。經(jīng)泥沙啟動流速和底形相圖參數(shù)近似計(jì)算這兩種方法計(jì)算分析[40]以及現(xiàn)場觀測研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的沙波存在遷移現(xiàn)象，即為現(xiàn)代沙波。

雖然殘留沙波的形成與現(xiàn)代的水動力條件無關(guān)，但是在現(xiàn)代的水動力條件下可能會發(fā)生重塑和起動遷移。當(dāng)然，這種情況只是很少數(shù)，也有可能會誤導(dǎo)判斷。僅以殘留和現(xiàn)代沙波進(jìn)行分類，也略顯不足。

2.3 根據(jù)海底沙波的形態(tài)分類

根據(jù)沙波的剖面形態(tài)，可分為擺線型、雙峰型以及余弦型沙波[41]。如下圖所示，擺線型沙波一邊陡峭、一邊平緩，在波谷處發(fā)育有小沙波或波痕；余弦型沙波對稱性好，波高較大、波谷較寬、規(guī)則性好，沒有次一級沙波或波痕發(fā)育；雙峰型沙波的波高和波長在三者之中最大且走向多樣，在波谷上有著次一級沙波發(fā)育，疊加型特征明顯，可以看作是余弦型沙波和擺線型沙波疊加形成。

(據(jù)文獻(xiàn)[41]修改。Modified from[41].)圖2 海底沙波形態(tài)分類圖Fig.2 Morphological classification of submarine sandwave

從圖形形態(tài)對比，余弦型沙波對稱性最好，擺線型次之，雙峰型最差。3類沙波的初始階段都是余弦型沙波，可以推測沙波最開始應(yīng)該是在往復(fù)流的作用下形成，所以對稱性很好。之后水動力條件改變形成了不同類型的沙波。由此可見，根據(jù)沙波的類型，我們能夠了解當(dāng)時的水動力環(huán)境以及更多信息。

劉振夏和夏東興[42]根據(jù)平面形態(tài)將海底沙波分為三維新月型水下沙丘、二維直脊型水下沙波和波痕。如表2所示。

表2 水下沙丘類型與特征 (據(jù)文獻(xiàn)[42]修改)

根據(jù)剖面形態(tài)還可分為對稱型水下沙波與不對稱水下沙波，對稱型沙波波峰線兩側(cè)坡度相近，不對稱型沙波兩側(cè)坡度差異大。

2.4 根據(jù)海底沙波的遷移程度分類

海底沙波在波浪、潮流以及內(nèi)波作用下可能會發(fā)生遷移。根據(jù)海底沙波的運(yùn)移程度將其劃分為強(qiáng)運(yùn)動、弱運(yùn)動、不運(yùn)動和埋藏沙波四類[19]，如表3所示。還有一些學(xué)者是根據(jù)運(yùn)移程度將沙波分為運(yùn)動型、穩(wěn)定型、侵蝕型以及埋藏型沙波。

表3 海底沙丘動態(tài)分類 (據(jù)文獻(xiàn)[19]修改)

該分類對沙波的穩(wěn)定性和運(yùn)動量級作了初步綜合，為陸架工程設(shè)計(jì)提供借鑒。根據(jù)以往研究，強(qiáng)、弱運(yùn)動型沙丘所占比例很大，運(yùn)動型沙丘的存在對海底基礎(chǔ)工程有重大安全隱患。所以在運(yùn)動型沙丘存在海域，基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)前應(yīng)先確定其穩(wěn)定類型，再根據(jù)不同類型予以不同強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。

2.5 其他分類

除了上述分類方法，根據(jù)形成原因分類，將海底沙波分為浪成沙波、流成沙波與混合成沙波[18]。根據(jù)形態(tài)與規(guī)模特征，分為強(qiáng)生長弱遷移沙波、強(qiáng)遷移弱生長沙波和再發(fā)育沙波[43]。

鄭樹偉[44]于2015年提出“沙波形態(tài)-伴生底形”的命名分類方法，首次對長江口南北港河槽床面形態(tài)進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)了由鏈狀沙波和橢圓形凹坑組成的微地貌，定義為鏈珠狀沙波，豐富了對海底沙波類型的認(rèn)識。

眾多學(xué)者對海底沙波的分類持有不同意見，一般來說，海底沙波是不同時期、不同類型的復(fù)合體，目前的物理技術(shù)手段，只能觀測到它的外在特征和內(nèi)部形態(tài)，對其遷移機(jī)制還不了解。由于海底沙波在全球不同海域都有分布，不同海域的地形底質(zhì)、沉積物性質(zhì)以及水動力條件都有很大差異，所以不同海域形成的海底沙波形態(tài)大小各異，即便是同一海域，也有較大差異。所以，對海底沙波開展深入分類研究是今后工作的重點(diǎn)，合理分類，一定會對海底沙波的研究大有裨益。

3 海底沙波的遷移

目前，國內(nèi)外對于海底沙波遷移的研究主要集中在現(xiàn)場觀測和遷移預(yù)測兩方面。觀測只是手段，最終目的是對海底沙波的遷移速率和方向進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測判斷，從而保護(hù)海底基礎(chǔ)工程設(shè)施。

3.1 海底沙波遷移的預(yù)測

海底沙波的遷移可能對海底工程設(shè)施造成巨大危害，在加強(qiáng)海底設(shè)施的安全性能之外，各學(xué)者還對海底沙波遷移的預(yù)測進(jìn)行研究，希望能將危害降到最低。

海底沙波遷移的實(shí)質(zhì)[45]是沙波表面泥沙沖淤的不均勻，迎流面沖刷、背流面淤積是其遷移的主要形式。在沙波遷移過程中，表面一定厚度砂層變?yōu)榛顒訉?，沿著向水坡方向移動，并在背水坡上形成交錯層理，如圖5所示，即以推移質(zhì)的形式向水流方向遷移。在突發(fā)熱帶風(fēng)暴的情況下，海底沙波有部分會以懸移質(zhì)的形式向前遷移，兩種形式同時存在時懸移質(zhì)遷移占多少比例，還有待研究。

(據(jù)文獻(xiàn)[46]修改。Modified from[46].)圖3 海底沙波移動示意圖Fig 3 Migration of submarine sand wave

Cherlet[47]將二維垂向理論模型應(yīng)用到比利時海岸，對沙波遷移進(jìn)行預(yù)測，與現(xiàn)場結(jié)果比較吻合。從風(fēng)成流的角度，林緬[48-49]針對南海沙波建立了模擬沙波運(yùn)移過程的準(zhǔn)三維力學(xué)模型，憑借水文資料和多波束水深數(shù)據(jù)，預(yù)測研究區(qū)沙波的運(yùn)移，預(yù)測結(jié)果在沙脊脊溝處與實(shí)際情況一致，在脊背處則存在較大的差異。其模型只是針對小尺度推移質(zhì)遷移的海底沙波，沒有考慮到懸移質(zhì)遷移的情況，同時對大尺度的海底沙波也不適用，相對比于cherlet的二維垂向理論模型稍顯不足。

對于波浪作用和波潮耦合作用下沙波的遷移預(yù)測，是利用已知的幾何形態(tài)預(yù)測公式，并用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行公式驗(yàn)證[50]。為預(yù)測沙波的遷移，周其坤[46]利用rubin公式模擬計(jì)算，與收集到的實(shí)際資料進(jìn)行對比分析，結(jié)合臺風(fēng)資料與底流數(shù)據(jù)，分析臺風(fēng)對海底沙波運(yùn)移演化的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用rubin公式計(jì)算的海底沙波遷移方向和距離與實(shí)際資料比較吻合，但是在某些海域仍舊存在著差異?，F(xiàn)在還缺乏對極端天氣條件下的實(shí)測數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行理論數(shù)值研究，所以這些差異目前無法避免。

對海底沙波遷移的預(yù)測通常需要與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比來驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，雖然現(xiàn)有的預(yù)測模型顯著提高了人們對海底沙波的認(rèn)識水平，但是海底沙波遷移預(yù)測的結(jié)果和實(shí)際觀測的結(jié)果經(jīng)常會出現(xiàn)較大差異，模型有待優(yōu)化。同時在海域熱帶風(fēng)暴愈發(fā)頻繁，所以今后應(yīng)該考慮熱帶風(fēng)暴的影響，以便合理預(yù)測海底沙波的運(yùn)移。

3.2 海底沙波遷移的現(xiàn)場觀測

沙波模型模擬以及預(yù)測的準(zhǔn)確性都需要實(shí)測的現(xiàn)場數(shù)據(jù)來證實(shí)，只有相互對比，理論模型才能得以改進(jìn)，才能更加符合實(shí)際情況?，F(xiàn)在海底沙波遷移的主要觀測手段有多波束測深、水下攝影、沙波坡面自動測量儀等，這些精密儀器的使用，使人們更加了解沙波的形態(tài)特征和動力行為，也給我們檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠駵?zhǔn)確帶來了希望。

3.2.1 水深重復(fù)測量法 國外研究者多采用定位重復(fù)測量水深的方法對海底沙波的遷移進(jìn)行觀測[51-52]，并用剖面對比研究地貌演化，這是目前最直接也是最有效的方法，尤其是對于單個大尺度的海底沙波，如Ludwick[53]、Van Dijk[54]、Idier[55]、Fenster[56]等，如圖4所示[57]。Ludwick提出了海底沙波遷移速率與沙波大小成反比的觀點(diǎn)。Van Dijk測得了北海荷蘭外岸海底沙波的分布與遷移速率，分析討論波浪和潮流對遠(yuǎn)近岸沙波演化的影響。Idier的水深重復(fù)測量結(jié)果顯示英吉利海峽Dover straits區(qū)域沙波的移動速率可達(dá)17 m/a。Li[58]在1996—2001年間多次重復(fù)測量加拿大塞布爾吉島附近海域的沙波區(qū)，通過脊線比對確定其遷移距離。Fenster通過對十幾年的高精度水深數(shù)據(jù)的分析討論，發(fā)現(xiàn)了Long Island Sound東部海底沙波沿著波峰方向的遷移速度是不均勻的，并且在遷移的過程中發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。

國內(nèi)學(xué)者也多使用同樣的方法研究海底沙波的遷移，綜合2007—2009年海南東方外岸多波束測深數(shù)據(jù)資料[59]，如圖5所示，黑色表示2007年的沙波脊線，紅色表示2009年的沙波脊線，圖片直觀表達(dá)了海底沙波兩年遷移的距離，由測量結(jié)果得出海底沙波的移動速度最大為43.2 m/a。通過對比分析連續(xù)三年的區(qū)域水深和側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)，王偉偉[60]認(rèn)為同一組沙波存在著反向扭轉(zhuǎn)遷移的現(xiàn)象，與底層海流和海底地形都有著密切關(guān)系，并且認(rèn)識到浪流聯(lián)合作用在底床所形成的剪切力是沙波遷移的直接動力來源。這和Fenster結(jié)論相似，可以說明，底層海流與地形影響著海底沙波的遷移對不同海域都具有適用性。

多波束水深重復(fù)測量雖然能比較直觀的反映海底沙波的遷移，但它只能使用科考船對某海域進(jìn)行定期的水深測量，然后對比多次測量的水深數(shù)據(jù)得到遷移的距離，計(jì)算出沙波遷移速率。這種方法測量次數(shù)多、時間短且不連續(xù)，單從間斷的水深數(shù)據(jù)不能完全準(zhǔn)確的判定遷移的實(shí)際距離，進(jìn)行長期觀測應(yīng)是今后工作的眾中之重。

圖4 英吉利海峽1937、1993、2007年海底沙波剖面對比[57]Fig.4 Comparison of submarine sandwave profiles in english channel of 1937,1993,2007(ferretet,2010)

(據(jù)文獻(xiàn)[59]修改。Modified from[59].)圖5 海底沙波的遷移距離示意圖Fig.5 Migration distance of submarine sand wave

3.2.2 實(shí)時監(jiān)測法 除了利用水深重復(fù)測量，還可以使用聲、光學(xué)觀測儀器集成構(gòu)建的綜合觀測平臺，進(jìn)行海底動力過程實(shí)時監(jiān)測?，F(xiàn)有的綜合觀測平臺只能直接完整觀測單個小沙波的動力過程但無法長時間觀測，Jo and Lee[61-62]曾經(jīng)利用實(shí)時監(jiān)測的綜合觀測平臺采集了韓國西岸Garolim Bay潮灘上的水動力特征以及底面沙波的動力過程，測得了沙波紋隨漲落潮的變化，并且總結(jié)出與推移質(zhì)輸運(yùn)的關(guān)系。Peter Traykovski[63]利用LEO-15平臺，如圖6所示，對沙紋進(jìn)行原位觀測。該觀測包括扇形區(qū)域掃描聲納和聲學(xué)反向散射系統(tǒng)，不過只適用于很小的沙紋，要想觀測海底沙波的遷移還有待改進(jìn)。

圖6 扇形測掃聲吶和聲學(xué)反向散射系統(tǒng)[61]Fig.6 Sector-scanning sonar and acoustic backscattering system[61]

然而海底沙波的遷移并不僅僅是單個小沙波遷移， 利用綜合平臺實(shí)時監(jiān)測對財(cái)力物力以及技術(shù)水平的要求較高，所以應(yīng)該從新的角度考慮，比如設(shè)計(jì)出一套簡便易行的觀測裝置布放在海底長期監(jiān)測，等到海底長期觀測技術(shù)成熟后，再布設(shè)海底沙波遷移的監(jiān)測網(wǎng)。

至今為止，各學(xué)者對不同海域海底沙波遷移的觀測和預(yù)測做了大量的研究工作，但要想實(shí)現(xiàn)沙波的長期原位觀測，準(zhǔn)確地預(yù)測遷移速率和方向，還需要長期深入的研究。

4 總結(jié)與展望

鑒于海底沙波帶來的嚴(yán)重危害，本文總結(jié)了國內(nèi)外先進(jìn)的研究成果，歸納了海底沙波的類型劃分，并從內(nèi)因與外因兩種視角剖析了海底沙波的成因機(jī)制，著重分析討論了海底沙波遷移的觀測和預(yù)測。已有研究結(jié)果表明，海底沙波的內(nèi)涵正逐步深化、類型逐步細(xì)化，但其形成與遷移機(jī)制尚未形成系統(tǒng)理論。

為深入研究海底沙波的形成與遷移，建立海底沙波預(yù)警系統(tǒng)，應(yīng)該重點(diǎn)開展以下工作：

(1) 將理論研究和現(xiàn)場觀測緊密結(jié)合，加大對沙波分類和形成機(jī)制的研究。目前對于海底沙波的研究就是觀測創(chuàng)新不夠、理論創(chuàng)新匱乏，分類尚無共識，成因與遷移也沒有系統(tǒng)的理論。因此，在研究過程中不能局限于某一種方法，應(yīng)該結(jié)合多種有效手段進(jìn)行研究。如數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)，數(shù)值模擬參數(shù)的選取與真是值存在較大差異，室內(nèi)試驗(yàn)的尺度效應(yīng)在所難免，若與現(xiàn)場觀測緊密結(jié)合，則可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整室內(nèi)試驗(yàn)、完善數(shù)值模型，將理論研究提升到新的高度，對沙波分類和成因的研究大有裨益。

(2) 加強(qiáng)極端天氣下海底沙波理論與觀測的研究。極端天氣對海底沙波的形成與遷移均有重要作用，然而極端海況很難預(yù)測，且在臺風(fēng)等發(fā)生時對海底砂質(zhì)沉積物響應(yīng)進(jìn)行實(shí)際觀測也很困難，所以目前的研究大多局限在理論研究和數(shù)值計(jì)算，缺乏實(shí)測的數(shù)據(jù)，以后應(yīng)當(dāng)多開展極端海況下海底沉積物運(yùn)移的原為觀測研究。

(3) 設(shè)計(jì)新的原位長期觀測方法，完善預(yù)測模型，建立數(shù)據(jù)庫為海底基礎(chǔ)工程預(yù)警。對于海底沙波遷移的觀測，可以分步進(jìn)行，如設(shè)計(jì)搭載平臺，使平臺能隨沙波的遷移而上下運(yùn)動，利用水深壓力計(jì)所測水壓變化反映搭載平臺的高程變化，相鄰的水壓最值所記錄的時間間隔即為沙波遷移一個波長所需的時間；旋轉(zhuǎn)式沉積物剖面成像儀測量地形得出沙波波長，然后計(jì)算出沙波遷移的速率。再根據(jù)長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立全面的資料數(shù)據(jù)庫，綜合分析，更好的監(jiān)測和預(yù)測海底沙波的遷移。

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Key words: submarine sandwave; classification; cause; migration; in-situ observation

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Classification and Evolution of Submarine Sandwave: a Review

SHAN Hong-Xian1, 2, SHEN Ze-Zhong1, LIU Xiao-Lei1, 2, WEN Ming-Zheng1, ZHU Chao-Qi1, JIA Yong-Gang1, 2

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

TV148

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1672-5174(2017)10-073-10

10.16441/j.cnki.hdxb.20160471

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(43172287；41427803；41402253)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China(43172287；41427803；41402253)

2017-05-10；

2017-07-12

單紅仙(1965-)，女，教授，主要從事海洋工程地質(zhì)研究。E-mail：hongxiani@ouc.edu.cn