应用声、光学仪器原位观测海底浮泥层动态变化的对比研究*

刘晓磊, 马路宽, 张 红, 陆 杨, 陈安铎, 张淑玉

(1. 中国海洋大学 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100；2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266237)

海底浮泥层是一种高浓度沉积物流体层，广泛存在于海底表面，主要由细颗粒沉积物(黏土和粉土)与水混合而成，与上层含沙水体与下层固结海床之间具有相对明显的分界面。浮泥层沉积物浓度较高，在重力作用下形成的重力流是细颗粒沉积物跨大陆架输运的重要机制[1-2]。此外，风暴作用会诱发大范围浮泥层形成[3]，其沿斜坡运动对海底工程设施威胁巨大。因此，研究浮泥层的形成与运动过程，对了解泥沙输运过程、海底地形地貌演变过程以及工程选址等具有重大意义。由于真实海洋环境复杂多变，对海底浮泥层动态变化过程进行研究，主要依赖现场原位观测方法。

在进行海底浮泥层判定时，国际上普遍将悬浮泥沙浓度10 g/L定义为浮泥层的浓度下限，将悬浮泥沙浓度达到10 g/L的水体定义为浮泥层上界面，海床位置处为浮泥层下界面[4-5]。自1980年代以来，随着声学和光学传感器技术的快速发展，国内外学者陆续针对浮泥层动态变化开展了现场原位观测。Ogston等[6]使用了搭载光学后向散射传感器OBS的观测系统，于1996年冬季风暴期间在加利福尼亚北部陆架观测到了浮泥层形成，并在重力作用下形成重力流向海运动的过程。Hale等[3]使用声学后向散射传感器ABS于2010年在新西兰Waipaoa河沿岸陆架测得浮泥层的悬浮泥沙浓度剖面，并测得近底悬浮泥沙浓度达到50 g/L。不同仪器受限于观测原理，存在测量量程、测量范围、测量精度、是否扰动观测点等方面的局限性，无法保证整个观测过程均符合仪器的观测要求，需要使用不同仪器对测量结果进行对比，提高原位观测数据的准确性。

本文通过现场潮滩试验模拟海底浮泥层的动态变化过程，采用4种国际主流的声学和光学仪器对浮泥层要素进行分析对比，探讨不同仪器的时空分辨率、准确度、影响因素与适用范围，为浮泥层动态变化过程现场原位观测、海底沉积物输运与地形地貌演变研究提供参考。

1 试验设计

1.1 试验仪器及原理

1.1.1 高密度悬沙浓度剖面仪ASM 光学方法测量悬浮泥沙浓度是目前常用的现场观测方法。光学后向散射传感器OBS(Optical Back Scattering)广泛用于悬浮物浓度研究[7-8]。其工作原理是向水体发射光束，光束由于水体中悬浮物作用发生散射，通过接收后向散射信号得到水体浊度。OBS测量的浊度能达到较高的精度，适用于现场原位观测[9]。高密度悬沙浓度剖面仪ASM(Argue Surface Meter)测量原理与OBS相同，测量结果也与OBS具有很好的一致性[10]。本文采用德国Argus公司生产的ASM-IV探杆，其集成了144个OBS传感器，传感器间隔为1 cm，采集频率0.2 Hz,量程为0～4 000 FTU，适用水深100 m，可有效测量浊度剖面随时间的变化。

1.1.2 声学多普勒流速仪ADV/ADP 声学多普勒流速仪ADV(Acoustic Doppler Velocimetry)与声学多普勒流速剖面仪ADP(Acoustic Doppler Profilers)是目前水力及海洋实验室的标准流速测量仪器。使用声学后向散射来测量颗粒浓度的方法已经被广泛地应用于泥沙动力过程的研究[11-12]。本文采用的ADV与ADP产自挪威Nortek公司，能向水体中发射0.4～2.0 MHz的声波并接收声散射信号，ADV采集频率范围为1～64 Hz，ADP采集频率最高为1 Hz，适用水深500 m。从现场观测数据中，可以提取有关水体悬浮颗粒物信息，经过校正后可得测量点的悬浮泥沙浓度。

1.1.3 声学蚀积仪AA400 声学测深仪器通过发射器向海床方向发射一定频率的声波，声波在接触声学最大反射面(即海床界面)反射后被接收器接收，通过计算声波传播速度和时间，得到发射器相对于海床界面的高程。本文采用韩国EOFE公司生产的声学蚀积仪AA400，可发射450 kHz超声波，可以垂直向下固定于四脚架进行海床高程测量，采集频率0.2 Hz，测量精度为1 mm，适用水深为100 m。

1.2 试验方法及过程

2019年7月22～30日，于东营市401采油平台附近潮滩进行试验(见图1(a))。潮滩沉积物由黄河携带入海泥沙沉积形成，与黄河口形成的海底浮泥层具有相同的物质来源[13]，该处沉积物的粉粒含量为60.2%，黏粒含量为15.4%，平均粒径为0.029 mm。退潮时潮滩外露，便于现场观测仪器布放与回收，能更好地进行海底浮泥层动态变化过程观测。

在原始潮滩开挖一个长200 cm，宽60 cm，深80 cm的试坑，底部模拟原始海床。将光学悬沙剖面仪ASM、声学多普勒流速剖面仪ADP、声学多普勒流速仪ADV、声学蚀积仪AA400使用观测架固定，放置于试坑一端，另一端放置造波装置进行造波(见图1(b))。仪器布放完毕后，选取潮滩土配置泥浆倒入试坑中，待仪器与水体稳定开始观测浮泥沉降过程，该过程用于比较在浮泥层存在的情况下不同仪器对悬浮泥沙浓度以及海床界面的响应，共持续30 min。待沉降完毕，使用试坑另一端的造波装置进行造波，造波过程持续30 min，观测并比较在波浪影响下，沉积物再悬浮过程中各仪器对海床界面变化的响应。其中光学悬沙剖面仪ASM与声学蚀积仪AA400每5 s分别测一次浊度剖面和海床高程，ADP采集频率1 Hz，ADV采用高频采集，采集频率16 Hz。试验结束后得到了随时间变化的水体浊度剖面(ASM)，单点声后向散射强度(ADV)，声后向散射强度剖面(ADP)，以及海床界面高程(AA400)。

图1 潮滩试验场地俯视图(a)及试验布置图(b)

2 试验结果

2.1 悬浮泥沙浓度观测

观测悬浮泥沙浓度(SSC)可使用光学悬沙剖面仪ASM直接得出浊度剖面，也可以使用声学多普勒流速仪ADV/ADP得到声后向散射强度，从而转换为悬浮泥沙浓度数据。

根据声后向散射的原理，在悬沙浓度较低的情况下(一般小于10 g/L)，声后向散射强度(dB)正比于悬浮泥沙浓度[14](g/L)，两者的对应关系为：

log10(SSC)=aSV+b。

(1)

式中系数a、b为常数，本次潮滩实验未取得实时水样，因此使用ASM所测悬浮泥沙浓度来校准ADV和ADP。采用线性回归分析方法，建立声后向散射强度和悬浮泥沙浓度相关关系，从而将声学仪器测得的声后向散射强度转换为悬浮泥沙浓度。

图2为潮滩实验沉降过程中由ASM测量的水体浊度，并根据仪器自身的校正得到的悬浮泥沙浓度剖面[15]。从图2中可以得到沉降过程下部悬浮沉积物浓度高于上部，并随着时间推移，上部水体中悬浮沉积物浓度逐步降低，代表浮泥层的沉降过程。

图2 沉降过程ASM所得悬浮泥沙浓度剖面

ADV探头距离海床底部50 cm，其仪器本身具有15 cm的盲区，因此ADV所测数据为距离海床35 cm处的声后向散射强度SV。使用对应高度处ASM的OBS探头所得到的输出值浊度来校准声后向散射强度数据。以ASM所测SSC为标准，可将声后向散射数据分为三部分：在SSC小于10 g/L的情况下，浊度与声后向散射强度具有显著的线性关系(见图3(a))，拟合相关性R2等于0.92；在SSC大于10 g/L小于20 g/L的情况下，两者的相关性减小(见图3(b))，R2等于0.67。当SSC大于20 g/L时，悬浮沉积物浓度过高，声后向散射强度无法准确有效反应沉积物浓度的变化。

根据拟合结果得到声后向散射强度SV与悬浮泥沙浓度之间的关系，对比ADV和ASM对悬浮泥沙浓度的响应(见图3(c))。发现当SSC大于20 g/L时，使用校准关系得到的ADV反演值与ASM实测值具有较大差距。在SSC小于20 g/L的范围内，ASM实测值与ADV反演值具有相似的变化趋势。当SSC大于6 g/L时，ADV反演值在实测值上下波动，最终当SSC小于3 g/L时，两者趋于相等。

图3 不同SSC范围内ADV声后向散射强度Sv与log10(浊度)拟合曲线(a)～(b)及ADV与ASM对应OBS探头观测悬浮泥沙浓度(SSC)结果对比(c)

ADP和ADV具有相同的原理，使用相同的方法对ADP所测得第一层的声后向散射强度和对应ASM的OBS探头所测数据进行拟合(见图4(a),(b))，得到ADP与ASM对悬浮泥沙浓度的响应对比(见图4(c))。拟合后相关性R2分别等于0.92与0.85，拟合效果良好。根据图4发现，当SSC大于20 g/L时，ADP反演值与ASM实测值具有较大差距。在SSC小于20 g/L的范围内，ADP和ASM观测数据的关系与ADV和ASM观测数据的关系具有相似性，同样具有同步的趋势变化，当SSC大于4 g/L时，ADP反演值在ASM实测值上下波动，最终当SSC小于3 g/L时，两者趋于相等。

图4 不同SSC范围内ADP声后向散射强度Sv与log10(浊度)拟合曲线(a)～(b)及ADP与ASM对应OBS探头观测悬浮泥沙浓度(SSC)结果对比(c)

对于整个剖面的声后向散射强度数据，去除代表海床的异常值及以下区域，得到水体范围内的声后向散射强度，若将拟合关系运用到整个剖面，可以得到ADP所测的随时间变化的悬浮泥沙浓度剖面(见图5)。通过与ASM的实测悬浮泥沙浓度剖面(见图2)进行对比，发现在趋势上两者相同， 但是在靠近海床位置处两者具有较大差距。由于该过程是一个沉降过程，因此显然ASM所测泥沙浓度剖面更加准确，简单地将拟合关系运用到整个ADP所测剖面是不准确的。

图5 沉降过程ADP所得悬浮泥沙浓度剖面

为了提高ADP观测悬浮泥沙浓度的准确性，并发挥ADP能测量剖面的优点，对整个声后向散射强度剖面的多个层与ASM所测悬浮泥沙浓度剖面进行拟合，分析ADP对于各个分层的悬浮泥沙浓度测量准确性。

对ADP所测声后向散射强度使用六点法进行进一步的校正，将ADP所测有效剖面高度设为H，分别将0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、H六处高度的声后向散射强度与其对应高度的OBS探头所测浊度进行拟合，图6展示了沉降阶段0.2H、0.4H、0.6H、0.8H四处高度两种仪器的对比，表1展示了沉降阶段前期(13:40之前)和沉降阶段后期(13:46之后)四处高度ADP所测悬浮泥沙浓度相对于ASM所测数据的相对误差。发现在沉降阶段前期，上部水体悬浮泥沙浓度较大，ADP所测得各水深的悬浮泥沙浓度与ASM所测数据差距较大。在沉降阶段后期，水体中悬浮泥沙浓度下降，两者在各水深的测量值相差极小。说明悬浮泥沙浓度极大地影响着ADP测量的准确性。

((a)0.2 H处；(b)0.4 H处；(c)0.6 H处；(d)0.8 H处。 (a) at 0.2 H; (b) at 0.4 H; (c) at 0.6 H; (d) at 0.8 H.)

表1 ADP与ASM对应OBS探头观测悬浮泥沙浓度相对误差Table 1 Relative error of suspended sediment concentration observed by ADP and ASM /%

2.2 海床界面观测

本文所采用的声学蚀积仪AA400可以垂直向下固定于四脚架进行海床高程测量，此外ASM也可以进行海床高程变化观测。ASM探杆在原位观测的过程中，将探杆的一部分贯入海床，导致一部分OBS探头在海床界面以下，当水体悬浮泥沙浓度较低时，将超量程的数据分离出来，也可以得到海床界面位置。

选取加波阶段的前10 min和后10 min进行分析海床界面变化分析。图7为加波阶段的前10 min和后10 min两种仪器对海床界面变化的响应。在加波阶段的前10 min，此时水体中悬浮泥沙浓度较低，ASM和AA400均能得到理想的海床界面位置，两者绝对误差在0.5 cm左右波动。随着波浪作用时间增加，近底悬浮泥沙浓度上升，逐渐超出ASM的量程范围，影响了海床界面位置的判断精度，但AA400仍能较理想地得到海床界面位置。在加波阶段的后10 min，根据ASM测得的悬浮泥沙浓度剖面可知(见图8)，该阶段悬浮沉积物浓度较高且变化剧烈， AA400无法得到有效数据。水体中悬浮泥沙浓度超出ASM的测量量程，导致ASM无法分辨悬沙水体和海床界面。因此， 在高悬浮泥沙浓度(>30 g/L)的情况下， AA400和ASM均无法得到连续有效的海床界面位置，可作为风暴作用诱发大规模浮泥层发育的标志，并不影响AA400在实际使用过程中的适用性。

((a)加波阶段前10 min；(b)加波阶段后10 min。(a)The first ten minutes of wave action stage；(b)The last ten minutes of wave action stage.)

图8 ASM所测悬浮泥沙浓度剖面(加波阶段后10 min)

3 讨论

3.1 时空分辨率

表2展示了本文所用仪器相关指标。对于时间分辨率，AA400直接输出相对高程，采集间隔为5 s；ASM进行观测时所有OBS探头同时工作，也可得出同一时间的悬浮泥沙浓度剖面，每5 s测量一次；ADV、ADP直接输出声后向散射强度，ADP采集频率可达1 Hz，ADV采集频率可从1～64 Hz，具有高频优势。对于长时间尺度的原位观测，上述仪器的时间分辨率均能满足悬浮泥沙浓度和海床界面观测需要。

表2 海底浮泥层原位观测仪器技术指标

对于空间分辨率，ASM探杆可以测量悬浮沉积物浓度剖面，OBS传感器排列间隔为1 cm，能对待测水体每1 cm分层进行观测；ADV可以得到测量点处15 mm范围内流速与声后向散射强度，可视为单点数据；本文使用的高频ADP测量层厚范围可从0.7～15 cm，空间分辨率较高，而非高频ADP测量层厚最小为10 cm，空间分辨率较低；AA400能够精确监测侵蚀、淤积引起的海床界面高程的变化速率，高程测量分辨率可达1 mm。

3.2 准确度

以上几种声、光仪器的准确度在实际工作过程中都会受到多种环境因素的影响，其影响因素主要包括：(1)悬浮泥沙浓度和气泡。试验中沉降阶段初期和加波阶段后期悬沙浓度较大，声衰减显著，从而影响了ADP、AA400等仪器的测量，该临界浓度受到仪器声波频率、海床沉积物性质等影响。(2)海床沉积物。OBS的响应与颗粒浓度成正比，与颗粒直径成反比[16]，当沉积物颗粒粒径随时间变化时，需要对OBS和粒径进行校正。此外海床沉积物的差异造成了对声波的吸收和散射效果不同，会影响声学仪器对海床界面的判定和悬浮泥沙沉积物的观测。(3)温度和盐度。不同的温盐会影响声波在水中的传播速度，导致海床高程测量出现误差。

悬浮泥沙浓度观测方面，根据拟合结果(见图3，4)，在低浓度(<10 g/L)情况下ASM、ADV、ADP均能准确有效地得到悬浮泥沙浓度数据。在高悬浮泥沙浓度的情况下(SSC>20 g/L)(见图6)，ADP所发射的高频声波穿透整个水体较为困难，声衰减作用显著，影响了对下部水体悬浮泥沙浓度的测量，相对误差最高可达30.95%(0.8H处)。在沉降过程的后期，整个水体的悬浮泥沙浓度降低，因此ADP与ASM所测结果重新有了良好的一致性，相对误差最高为11.06%(0.8H处)。该结果表示，使用ADP来测量悬浮泥沙浓度剖面极大地受到了水体悬浮泥沙浓度的制约，当水体中的悬浮泥沙浓度高于一定值时，无法准确地进行悬浮泥沙浓度剖面观测，且该值受到ADP声波频率、海床沉积物性质等影响。若水体中高浓度含沙层离海床较近，声波在上部水体中能量没有被大量衰减，此时ADP也可以有效、准确地测量该高浓度含沙层的悬浮泥沙浓度。

海床界面观测方面，AA400声波频率较低，能稳定测量海床界面高程变化，但在高悬浮泥沙浓度海况下难以工作。ASM简单地将超量程部分定义为海床界面，在低悬沙浓度情况下观测结果良好(见图7)，但随着悬沙浓度的上升，ASM无法将海床界面与高悬沙浓度水体分开，从而影响海床界面判别的准确性。AA400更适合进行海床界面位置的观测。

3.3 适用范围

ASM探杆使用光学原理，能对悬浮泥沙浓度剖面进行观测，适用于大多数的现场悬沙浓度观测。但由于探杆的工作原理，ASM只能观测探杆范围内的悬浮泥沙浓度剖面，无法满足大范围悬浮泥沙浓度剖面的观测需要，且ASM探杆本身会在一定程度上造成水体扰动，影响观测结果。ADV虽然只能获得单点的悬浮泥沙浓度变化，但是它不与观测点的水体直接接触，获得的数据较ASM探杆频率更高，可以根据高频泥沙浓度数据与所测的高频流速数据计算泥沙沉降速率[17]、底床切应力[18]等。ADP，特别是高频ADP具有上述两者的优点，且本身也不与待测水体直接接触，但是它会受到声衰减的影响，在高悬浮泥沙浓度海况下无法得到准确的观测结果，且由于仪器本身设计，增大测量分层密度需要减小测量的剖面范围，反之增大测量剖面范围需要减小分层密度，这在一定程度限制了ADP进行小范围观测的适用性，但大范围观测相对ASM探杆更具有优势。若单独使用ADP，则需要采集现场原位水样进行校正。表3展示了ASM、ADV、ADP与AA400对悬浮泥沙浓度条件和观测时长的适用范围，在符合该范围的前提下，若需测量SSC剖面，则选择ADP或ASM进行观测；若需高频测量单点SSC，则选择ADV进行观测。

表3 不同仪器对浮泥层现场原位观测条件的适用范围

AA400等声学测高仪器不会直接接触到海床界面，对现场扰动小，且声波频率较低，能稳定测量海床界面，观测时长可达一个月，但是在高悬浮泥沙浓度的海况下难以工作。ASM探杆需要插入海床造成扰动，也会受到量程的影响，因此在测量海床高程方面不如声学蚀积仪AA400有优势。

4 结论

(1)在较低悬浮泥沙浓度条件(SSC<10 g/L)下对浮泥层进行现场原位观测时，ASM、ADV、ADP均能完成悬浮泥沙浓度的观测要求，在SSC<3 g/L的情况下，ADV、ADP与ASM观测结果十分接近。随着SSC的增加，ADV、ADP测量准确度降低，在高悬浮泥沙浓度条件(SSC>20 g/L)下，两者无法准确测量悬浮泥沙浓度。

(2)AA400等声学测高仪器不会直接接触到海床界面，对现场扰动小，能稳定测量海床界面。ASM探杆需要插入海床，会对海床造成一定的扰动，同时在高悬浮泥沙浓度情况下无法分辨悬沙水体和海床，因此在测量海床高程方面不如声学蚀积仪AA400有优势。

(3)海底浮泥层的现场原位观测，需要使用多种仪器相互配合。其中，AA400更适合海床界面位置的观测，ASM探杆更适合进行悬浮泥沙浓度的测量，但结合ADV和ADP观测到的浪流要素，能更加全面地描述风暴作用下海底浮泥层的动态演化过程，且ADP能对ASM测量范围外的悬浮泥沙浓度剖面进行补充。