劉曉磊, 馬路寬, 張 紅, 陸 楊, 陳安鐸, 張淑玉

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

海底浮泥層是一種高濃度沉積物流體層，廣泛存在于海底表面，主要由細(xì)顆粒沉積物(黏土和粉土)與水混合而成，與上層含沙水體與下層固結(jié)海床之間具有相對(duì)明顯的分界面。浮泥層沉積物濃度較高，在重力作用下形成的重力流是細(xì)顆粒沉積物跨大陸架輸運(yùn)的重要機(jī)制[1-2]。此外，風(fēng)暴作用會(huì)誘發(fā)大范圍浮泥層形成[3]，其沿斜坡運(yùn)動(dòng)對(duì)海底工程設(shè)施威脅巨大。因此，研究浮泥層的形成與運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)了解泥沙輸運(yùn)過(guò)程、海底地形地貌演變過(guò)程以及工程選址等具有重大意義。由于真實(shí)海洋環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)海底浮泥層動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行研究，主要依賴現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)方法。

在進(jìn)行海底浮泥層判定時(shí)，國(guó)際上普遍將懸浮泥沙濃度10 g/L定義為浮泥層的濃度下限，將懸浮泥沙濃度達(dá)到10 g/L的水體定義為浮泥層上界面，海床位置處為浮泥層下界面[4-5]。自1980年代以來(lái)，隨著聲學(xué)和光學(xué)傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)針對(duì)浮泥層動(dòng)態(tài)變化開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)。Ogston等[6]使用了搭載光學(xué)后向散射傳感器OBS的觀測(cè)系統(tǒng)，于1996年冬季風(fēng)暴期間在加利福尼亞北部陸架觀測(cè)到了浮泥層形成，并在重力作用下形成重力流向海運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。Hale等[3]使用聲學(xué)后向散射傳感器ABS于2010年在新西蘭Waipaoa河沿岸陸架測(cè)得浮泥層的懸浮泥沙濃度剖面，并測(cè)得近底懸浮泥沙濃度達(dá)到50 g/L。不同儀器受限于觀測(cè)原理，存在測(cè)量量程、測(cè)量范圍、測(cè)量精度、是否擾動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)等方面的局限性，無(wú)法保證整個(gè)觀測(cè)過(guò)程均符合儀器的觀測(cè)要求，需要使用不同儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提高原位觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)潮灘試驗(yàn)?zāi)M海底浮泥層的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，采用4種國(guó)際主流的聲學(xué)和光學(xué)儀器對(duì)浮泥層要素進(jìn)行分析對(duì)比，探討不同儀器的時(shí)空分辨率、準(zhǔn)確度、影響因素與適用范圍，為浮泥層動(dòng)態(tài)變化過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)、海底沉積物輸運(yùn)與地形地貌演變研究提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)儀器及原理

1.1.1 高密度懸沙濃度剖面儀ASM 光學(xué)方法測(cè)量懸浮泥沙濃度是目前常用的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法。光學(xué)后向散射傳感器OBS(Optical Back Scattering)廣泛用于懸浮物濃度研究[7-8]。其工作原理是向水體發(fā)射光束，光束由于水體中懸浮物作用發(fā)生散射，通過(guò)接收后向散射信號(hào)得到水體濁度。OBS測(cè)量的濁度能達(dá)到較高的精度，適用于現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)[9]。高密度懸沙濃度剖面儀ASM(Argue Surface Meter)測(cè)量原理與OBS相同，測(cè)量結(jié)果也與OBS具有很好的一致性[10]。本文采用德國(guó)Argus公司生產(chǎn)的ASM-IV探桿，其集成了144個(gè)OBS傳感器，傳感器間隔為1 cm，采集頻率0.2 Hz,量程為0～4 000 FTU，適用水深100 m，可有效測(cè)量濁度剖面隨時(shí)間的變化。

1.1.2 聲學(xué)多普勒流速儀ADV/ADP 聲學(xué)多普勒流速儀ADV(Acoustic Doppler Velocimetry)與聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADP(Acoustic Doppler Profilers)是目前水力及海洋實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)流速測(cè)量?jī)x器。使用聲學(xué)后向散射來(lái)測(cè)量顆粒濃度的方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于泥沙動(dòng)力過(guò)程的研究[11-12]。本文采用的ADV與ADP產(chǎn)自挪威Nortek公司，能向水體中發(fā)射0.4～2.0 MHz的聲波并接收聲散射信號(hào)，ADV采集頻率范圍為1～64 Hz，ADP采集頻率最高為1 Hz，適用水深500 m。從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中，可以提取有關(guān)水體懸浮顆粒物信息，經(jīng)過(guò)校正后可得測(cè)量點(diǎn)的懸浮泥沙濃度。

1.1.3 聲學(xué)蝕積儀AA400 聲學(xué)測(cè)深儀器通過(guò)發(fā)射器向海床方向發(fā)射一定頻率的聲波，聲波在接觸聲學(xué)最大反射面(即海床界面)反射后被接收器接收，通過(guò)計(jì)算聲波傳播速度和時(shí)間，得到發(fā)射器相對(duì)于海床界面的高程。本文采用韓國(guó)EOFE公司生產(chǎn)的聲學(xué)蝕積儀AA400，可發(fā)射450 kHz超聲波，可以垂直向下固定于四腳架進(jìn)行海床高程測(cè)量，采集頻率0.2 Hz，測(cè)量精度為1 mm，適用水深為100 m。

1.2 試驗(yàn)方法及過(guò)程

2019年7月22～30日，于東營(yíng)市401采油平臺(tái)附近潮灘進(jìn)行試驗(yàn)(見(jiàn)圖1(a))。潮灘沉積物由黃河攜帶入海泥沙沉積形成，與黃河口形成的海底浮泥層具有相同的物質(zhì)來(lái)源[13]，該處沉積物的粉粒含量為60.2%，黏粒含量為15.4%，平均粒徑為0.029 mm。退潮時(shí)潮灘外露，便于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)儀器布放與回收，能更好地進(jìn)行海底浮泥層動(dòng)態(tài)變化過(guò)程觀測(cè)。

在原始潮灘開(kāi)挖一個(gè)長(zhǎng)200 cm，寬60 cm，深80 cm的試坑，底部模擬原始海床。將光學(xué)懸沙剖面儀ASM、聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADP、聲學(xué)多普勒流速儀ADV、聲學(xué)蝕積儀AA400使用觀測(cè)架固定，放置于試坑一端，另一端放置造波裝置進(jìn)行造波(見(jiàn)圖1(b))。儀器布放完畢后，選取潮灘土配置泥漿倒入試坑中，待儀器與水體穩(wěn)定開(kāi)始觀測(cè)浮泥沉降過(guò)程，該過(guò)程用于比較在浮泥層存在的情況下不同儀器對(duì)懸浮泥沙濃度以及海床界面的響應(yīng)，共持續(xù)30 min。待沉降完畢，使用試坑另一端的造波裝置進(jìn)行造波，造波過(guò)程持續(xù)30 min，觀測(cè)并比較在波浪影響下，沉積物再懸浮過(guò)程中各儀器對(duì)海床界面變化的響應(yīng)。其中光學(xué)懸沙剖面儀ASM與聲學(xué)蝕積儀AA400每5 s分別測(cè)一次濁度剖面和海床高程，ADP采集頻率1 Hz，ADV采用高頻采集，采集頻率16 Hz。試驗(yàn)結(jié)束后得到了隨時(shí)間變化的水體濁度剖面(ASM)，單點(diǎn)聲后向散射強(qiáng)度(ADV)，聲后向散射強(qiáng)度剖面(ADP)，以及海床界面高程(AA400)。

圖1 潮灘試驗(yàn)場(chǎng)地俯視圖(a)及試驗(yàn)布置圖(b)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 懸浮泥沙濃度觀測(cè)

觀測(cè)懸浮泥沙濃度(SSC)可使用光學(xué)懸沙剖面儀ASM直接得出濁度剖面，也可以使用聲學(xué)多普勒流速儀ADV/ADP得到聲后向散射強(qiáng)度，從而轉(zhuǎn)換為懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)。

根據(jù)聲后向散射的原理，在懸沙濃度較低的情況下(一般小于10 g/L)，聲后向散射強(qiáng)度(dB)正比于懸浮泥沙濃度[14](g/L)，兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

log10(SSC)=aSV+b。

(1)

式中系數(shù)a、b為常數(shù)，本次潮灘實(shí)驗(yàn)未取得實(shí)時(shí)水樣，因此使用ASM所測(cè)懸浮泥沙濃度來(lái)校準(zhǔn)ADV和ADP。采用線性回歸分析方法，建立聲后向散射強(qiáng)度和懸浮泥沙濃度相關(guān)關(guān)系，從而將聲學(xué)儀器測(cè)得的聲后向散射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為懸浮泥沙濃度。

圖2為潮灘實(shí)驗(yàn)沉降過(guò)程中由ASM測(cè)量的水體濁度，并根據(jù)儀器自身的校正得到的懸浮泥沙濃度剖面[15]。從圖2中可以得到沉降過(guò)程下部懸浮沉積物濃度高于上部，并隨著時(shí)間推移，上部水體中懸浮沉積物濃度逐步降低，代表浮泥層的沉降過(guò)程。

圖2 沉降過(guò)程ASM所得懸浮泥沙濃度剖面

ADV探頭距離海床底部50 cm，其儀器本身具有15 cm的盲區(qū)，因此ADV所測(cè)數(shù)據(jù)為距離海床35 cm處的聲后向散射強(qiáng)度SV。使用對(duì)應(yīng)高度處ASM的OBS探頭所得到的輸出值濁度來(lái)校準(zhǔn)聲后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。以ASM所測(cè)SSC為標(biāo)準(zhǔn)，可將聲后向散射數(shù)據(jù)分為三部分：在SSC小于10 g/L的情況下，濁度與聲后向散射強(qiáng)度具有顯著的線性關(guān)系(見(jiàn)圖3(a))，擬合相關(guān)性R2等于0.92；在SSC大于10 g/L小于20 g/L的情況下，兩者的相關(guān)性減小(見(jiàn)圖3(b))，R2等于0.67。當(dāng)SSC大于20 g/L時(shí)，懸浮沉積物濃度過(guò)高，聲后向散射強(qiáng)度無(wú)法準(zhǔn)確有效反應(yīng)沉積物濃度的變化。

根據(jù)擬合結(jié)果得到聲后向散射強(qiáng)度SV與懸浮泥沙濃度之間的關(guān)系，對(duì)比ADV和ASM對(duì)懸浮泥沙濃度的響應(yīng)(見(jiàn)圖3(c))。發(fā)現(xiàn)當(dāng)SSC大于20 g/L時(shí)，使用校準(zhǔn)關(guān)系得到的ADV反演值與ASM實(shí)測(cè)值具有較大差距。在SSC小于20 g/L的范圍內(nèi)，ASM實(shí)測(cè)值與ADV反演值具有相似的變化趨勢(shì)。當(dāng)SSC大于6 g/L時(shí)，ADV反演值在實(shí)測(cè)值上下波動(dòng)，最終當(dāng)SSC小于3 g/L時(shí)，兩者趨于相等。

圖3 不同SSC范圍內(nèi)ADV聲后向散射強(qiáng)度Sv與log10(濁度)擬合曲線(a)～(b)及ADV與ASM對(duì)應(yīng)OBS探頭觀測(cè)懸浮泥沙濃度(SSC)結(jié)果對(duì)比(c)

ADP和ADV具有相同的原理，使用相同的方法對(duì)ADP所測(cè)得第一層的聲后向散射強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)ASM的OBS探頭所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖4(a),(b))，得到ADP與ASM對(duì)懸浮泥沙濃度的響應(yīng)對(duì)比(見(jiàn)圖4(c))。擬合后相關(guān)性R2分別等于0.92與0.85，擬合效果良好。根據(jù)圖4發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SSC大于20 g/L時(shí)，ADP反演值與ASM實(shí)測(cè)值具有較大差距。在SSC小于20 g/L的范圍內(nèi)，ADP和ASM觀測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系與ADV和ASM觀測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系具有相似性，同樣具有同步的趨勢(shì)變化，當(dāng)SSC大于4 g/L時(shí)，ADP反演值在ASM實(shí)測(cè)值上下波動(dòng)，最終當(dāng)SSC小于3 g/L時(shí)，兩者趨于相等。

圖4 不同SSC范圍內(nèi)ADP聲后向散射強(qiáng)度Sv與log10(濁度)擬合曲線(a)～(b)及ADP與ASM對(duì)應(yīng)OBS探頭觀測(cè)懸浮泥沙濃度(SSC)結(jié)果對(duì)比(c)

對(duì)于整個(gè)剖面的聲后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，去除代表海床的異常值及以下區(qū)域，得到水體范圍內(nèi)的聲后向散射強(qiáng)度，若將擬合關(guān)系運(yùn)用到整個(gè)剖面，可以得到ADP所測(cè)的隨時(shí)間變化的懸浮泥沙濃度剖面(見(jiàn)圖5)。通過(guò)與ASM的實(shí)測(cè)懸浮泥沙濃度剖面(見(jiàn)圖2)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在趨勢(shì)上兩者相同， 但是在靠近海床位置處兩者具有較大差距。由于該過(guò)程是一個(gè)沉降過(guò)程，因此顯然ASM所測(cè)泥沙濃度剖面更加準(zhǔn)確，簡(jiǎn)單地將擬合關(guān)系運(yùn)用到整個(gè)ADP所測(cè)剖面是不準(zhǔn)確的。

圖5 沉降過(guò)程ADP所得懸浮泥沙濃度剖面

為了提高ADP觀測(cè)懸浮泥沙濃度的準(zhǔn)確性，并發(fā)揮ADP能測(cè)量剖面的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)聲后向散射強(qiáng)度剖面的多個(gè)層與ASM所測(cè)懸浮泥沙濃度剖面進(jìn)行擬合，分析ADP對(duì)于各個(gè)分層的懸浮泥沙濃度測(cè)量準(zhǔn)確性。

對(duì)ADP所測(cè)聲后向散射強(qiáng)度使用六點(diǎn)法進(jìn)行進(jìn)一步的校正，將ADP所測(cè)有效剖面高度設(shè)為H，分別將0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、H六處高度的聲后向散射強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)高度的OBS探頭所測(cè)濁度進(jìn)行擬合，圖6展示了沉降階段0.2H、0.4H、0.6H、0.8H四處高度兩種儀器的對(duì)比，表1展示了沉降階段前期(13:40之前)和沉降階段后期(13:46之后)四處高度ADP所測(cè)懸浮泥沙濃度相對(duì)于ASM所測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差。發(fā)現(xiàn)在沉降階段前期，上部水體懸浮泥沙濃度較大，ADP所測(cè)得各水深的懸浮泥沙濃度與ASM所測(cè)數(shù)據(jù)差距較大。在沉降階段后期，水體中懸浮泥沙濃度下降，兩者在各水深的測(cè)量值相差極小。說(shuō)明懸浮泥沙濃度極大地影響著ADP測(cè)量的準(zhǔn)確性。

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

表1 ADP與ASM對(duì)應(yīng)OBS探頭觀測(cè)懸浮泥沙濃度相對(duì)誤差Table 1 Relative error of suspended sediment concentration observed by ADP and ASM /%

2.2 海床界面觀測(cè)

本文所采用的聲學(xué)蝕積儀AA400可以垂直向下固定于四腳架進(jìn)行海床高程測(cè)量，此外ASM也可以進(jìn)行海床高程變化觀測(cè)。ASM探桿在原位觀測(cè)的過(guò)程中，將探桿的一部分貫入海床，導(dǎo)致一部分OBS探頭在海床界面以下，當(dāng)水體懸浮泥沙濃度較低時(shí)，將超量程的數(shù)據(jù)分離出來(lái)，也可以得到海床界面位置。

選取加波階段的前10 min和后10 min進(jìn)行分析海床界面變化分析。圖7為加波階段的前10 min和后10 min兩種儀器對(duì)海床界面變化的響應(yīng)。在加波階段的前10 min，此時(shí)水體中懸浮泥沙濃度較低，ASM和AA400均能得到理想的海床界面位置，兩者絕對(duì)誤差在0.5 cm左右波動(dòng)。隨著波浪作用時(shí)間增加，近底懸浮泥沙濃度上升，逐漸超出ASM的量程范圍，影響了海床界面位置的判斷精度，但AA400仍能較理想地得到海床界面位置。在加波階段的后10 min，根據(jù)ASM測(cè)得的懸浮泥沙濃度剖面可知(見(jiàn)圖8)，該階段懸浮沉積物濃度較高且變化劇烈， AA400無(wú)法得到有效數(shù)據(jù)。水體中懸浮泥沙濃度超出ASM的測(cè)量量程，導(dǎo)致ASM無(wú)法分辨懸沙水體和海床界面。因此， 在高懸浮泥沙濃度(>30 g/L)的情況下， AA400和ASM均無(wú)法得到連續(xù)有效的海床界面位置，可作為風(fēng)暴作用誘發(fā)大規(guī)模浮泥層發(fā)育的標(biāo)志，并不影響AA400在實(shí)際使用過(guò)程中的適用性。

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

圖8 ASM所測(cè)懸浮泥沙濃度剖面(加波階段后10 min)

3 討論

3.1 時(shí)空分辨率

表2展示了本文所用儀器相關(guān)指標(biāo)。對(duì)于時(shí)間分辨率，AA400直接輸出相對(duì)高程，采集間隔為5 s；ASM進(jìn)行觀測(cè)時(shí)所有OBS探頭同時(shí)工作，也可得出同一時(shí)間的懸浮泥沙濃度剖面，每5 s測(cè)量一次；ADV、ADP直接輸出聲后向散射強(qiáng)度，ADP采集頻率可達(dá)1 Hz，ADV采集頻率可從1～64 Hz，具有高頻優(yōu)勢(shì)。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間尺度的原位觀測(cè)，上述儀器的時(shí)間分辨率均能滿足懸浮泥沙濃度和海床界面觀測(cè)需要。

表2 海底浮泥層原位觀測(cè)儀器技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于空間分辨率，ASM探桿可以測(cè)量懸浮沉積物濃度剖面，OBS傳感器排列間隔為1 cm，能對(duì)待測(cè)水體每1 cm分層進(jìn)行觀測(cè)；ADV可以得到測(cè)量點(diǎn)處15 mm范圍內(nèi)流速與聲后向散射強(qiáng)度，可視為單點(diǎn)數(shù)據(jù)；本文使用的高頻ADP測(cè)量層厚范圍可從0.7～15 cm，空間分辨率較高，而非高頻ADP測(cè)量層厚最小為10 cm，空間分辨率較低；AA400能夠精確監(jiān)測(cè)侵蝕、淤積引起的海床界面高程的變化速率，高程測(cè)量分辨率可達(dá)1 mm。

3.2 準(zhǔn)確度

以上幾種聲、光儀器的準(zhǔn)確度在實(shí)際工作過(guò)程中都會(huì)受到多種環(huán)境因素的影響，其影響因素主要包括：(1)懸浮泥沙濃度和氣泡。試驗(yàn)中沉降階段初期和加波階段后期懸沙濃度較大，聲衰減顯著，從而影響了ADP、AA400等儀器的測(cè)量，該臨界濃度受到儀器聲波頻率、海床沉積物性質(zhì)等影響。(2)海床沉積物。OBS的響應(yīng)與顆粒濃度成正比，與顆粒直徑成反比[16]，當(dāng)沉積物顆粒粒徑隨時(shí)間變化時(shí)，需要對(duì)OBS和粒徑進(jìn)行校正。此外海床沉積物的差異造成了對(duì)聲波的吸收和散射效果不同，會(huì)影響聲學(xué)儀器對(duì)海床界面的判定和懸浮泥沙沉積物的觀測(cè)。(3)溫度和鹽度。不同的溫鹽會(huì)影響聲波在水中的傳播速度，導(dǎo)致海床高程測(cè)量出現(xiàn)誤差。

懸浮泥沙濃度觀測(cè)方面，根據(jù)擬合結(jié)果(見(jiàn)圖3，4)，在低濃度(<10 g/L)情況下ASM、ADV、ADP均能準(zhǔn)確有效地得到懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)。在高懸浮泥沙濃度的情況下(SSC>20 g/L)(見(jiàn)圖6)，ADP所發(fā)射的高頻聲波穿透整個(gè)水體較為困難，聲衰減作用顯著，影響了對(duì)下部水體懸浮泥沙濃度的測(cè)量，相對(duì)誤差最高可達(dá)30.95%(0.8H處)。在沉降過(guò)程的后期，整個(gè)水體的懸浮泥沙濃度降低，因此ADP與ASM所測(cè)結(jié)果重新有了良好的一致性，相對(duì)誤差最高為11.06%(0.8H處)。該結(jié)果表示，使用ADP來(lái)測(cè)量懸浮泥沙濃度剖面極大地受到了水體懸浮泥沙濃度的制約，當(dāng)水體中的懸浮泥沙濃度高于一定值時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行懸浮泥沙濃度剖面觀測(cè)，且該值受到ADP聲波頻率、海床沉積物性質(zhì)等影響。若水體中高濃度含沙層離海床較近，聲波在上部水體中能量沒(méi)有被大量衰減，此時(shí)ADP也可以有效、準(zhǔn)確地測(cè)量該高濃度含沙層的懸浮泥沙濃度。

海床界面觀測(cè)方面，AA400聲波頻率較低，能穩(wěn)定測(cè)量海床界面高程變化，但在高懸浮泥沙濃度海況下難以工作。ASM簡(jiǎn)單地將超量程部分定義為海床界面，在低懸沙濃度情況下觀測(cè)結(jié)果良好(見(jiàn)圖7)，但隨著懸沙濃度的上升，ASM無(wú)法將海床界面與高懸沙濃度水體分開(kāi)，從而影響海床界面判別的準(zhǔn)確性。AA400更適合進(jìn)行海床界面位置的觀測(cè)。

3.3 適用范圍

ASM探桿使用光學(xué)原理，能對(duì)懸浮泥沙濃度剖面進(jìn)行觀測(cè)，適用于大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)懸沙濃度觀測(cè)。但由于探桿的工作原理，ASM只能觀測(cè)探桿范圍內(nèi)的懸浮泥沙濃度剖面，無(wú)法滿足大范圍懸浮泥沙濃度剖面的觀測(cè)需要，且ASM探桿本身會(huì)在一定程度上造成水體擾動(dòng)，影響觀測(cè)結(jié)果。ADV雖然只能獲得單點(diǎn)的懸浮泥沙濃度變化，但是它不與觀測(cè)點(diǎn)的水體直接接觸，獲得的數(shù)據(jù)較ASM探桿頻率更高，可以根據(jù)高頻泥沙濃度數(shù)據(jù)與所測(cè)的高頻流速數(shù)據(jù)計(jì)算泥沙沉降速率[17]、底床切應(yīng)力[18]等。ADP，特別是高頻ADP具有上述兩者的優(yōu)點(diǎn)，且本身也不與待測(cè)水體直接接觸，但是它會(huì)受到聲衰減的影響，在高懸浮泥沙濃度海況下無(wú)法得到準(zhǔn)確的觀測(cè)結(jié)果，且由于儀器本身設(shè)計(jì)，增大測(cè)量分層密度需要減小測(cè)量的剖面范圍，反之增大測(cè)量剖面范圍需要減小分層密度，這在一定程度限制了ADP進(jìn)行小范圍觀測(cè)的適用性，但大范圍觀測(cè)相對(duì)ASM探桿更具有優(yōu)勢(shì)。若單獨(dú)使用ADP，則需要采集現(xiàn)場(chǎng)原位水樣進(jìn)行校正。表3展示了ASM、ADV、ADP與AA400對(duì)懸浮泥沙濃度條件和觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的適用范圍，在符合該范圍的前提下，若需測(cè)量SSC剖面，則選擇ADP或ASM進(jìn)行觀測(cè)；若需高頻測(cè)量單點(diǎn)SSC，則選擇ADV進(jìn)行觀測(cè)。

表3 不同儀器對(duì)浮泥層現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)條件的適用范圍

AA400等聲學(xué)測(cè)高儀器不會(huì)直接接觸到海床界面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)擾動(dòng)小，且聲波頻率較低，能穩(wěn)定測(cè)量海床界面，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)一個(gè)月，但是在高懸浮泥沙濃度的海況下難以工作。ASM探桿需要插入海床造成擾動(dòng)，也會(huì)受到量程的影響，因此在測(cè)量海床高程方面不如聲學(xué)蝕積儀AA400有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)在較低懸浮泥沙濃度條件(SSC<10 g/L)下對(duì)浮泥層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)時(shí)，ASM、ADV、ADP均能完成懸浮泥沙濃度的觀測(cè)要求，在SSC<3 g/L的情況下，ADV、ADP與ASM觀測(cè)結(jié)果十分接近。隨著SSC的增加，ADV、ADP測(cè)量準(zhǔn)確度降低，在高懸浮泥沙濃度條件(SSC>20 g/L)下，兩者無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量懸浮泥沙濃度。

(2)AA400等聲學(xué)測(cè)高儀器不會(huì)直接接觸到海床界面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)擾動(dòng)小，能穩(wěn)定測(cè)量海床界面。ASM探桿需要插入海床，會(huì)對(duì)海床造成一定的擾動(dòng)，同時(shí)在高懸浮泥沙濃度情況下無(wú)法分辨懸沙水體和海床，因此在測(cè)量海床高程方面不如聲學(xué)蝕積儀AA400有優(yōu)勢(shì)。

(3)海底浮泥層的現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)，需要使用多種儀器相互配合。其中，AA400更適合海床界面位置的觀測(cè)，ASM探桿更適合進(jìn)行懸浮泥沙濃度的測(cè)量，但結(jié)合ADV和ADP觀測(cè)到的浪流要素，能更加全面地描述風(fēng)暴作用下海底浮泥層的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，且ADP能對(duì)ASM測(cè)量范圍外的懸浮泥沙濃度剖面進(jìn)行補(bǔ)充。