南海北部外陸架區海底沙波動態分析

摘 要：南海北部水深100～250m的外陸架區分布著大片沙波地貌。本文以大量實測和數模資料為基礎，對該區沙波的形成條件及遷移速度進行了初步分析。結果表明，研究區內泥沙顆粒粒徑適宜，海底坡度平緩，有利于海底沙波的形成；沙波的形成和遷移主要受到風暴形成的風海流與潮流的綜合影響；沙波的年移動距離在10.7～71.5cm之間，對海底工程威脅不大。

關鍵詞：南海北部；海底沙波；形成條件；遷移速度

中圖分類號：U674；TH766 文獻標志碼：A 文章編號：1671-7953(2009)02-0001-05

長期以來，海底沙波一直被作為石油、天然氣的良好儲集場所，因而有關其形態、內部結構等沉積地質學的研究內容和研究方法受到重視。近年來，隨著海洋資源的開發，人們發現海底沙波的遷移對港口、航道和海底電纜、海洋鉆井平臺和油氣管道等海洋工程設施造成極大危害，同時沙波的遷移也可以標志海洋環境的變化。因此，對海底沙波穩定性的評價和預測已引起眾多地質學家和工程師的重視［1-3］。

南海北部海底資源豐富，濱海地區有各種各樣的砂礦，大陸架蘊藏有豐富的石油和天然氣資源，中央海盆區和大陸坡區還分布有鐵錳結核和結殼。近年來，在南海北部陸架區陸續發現了PY34-1、PY30-1、HZ21-1、LF13-1、LF13-2、LH19-5等油汽田，并鋪設了大量油氣管線和海底電纜等，因此需要對管線和平臺周圍的海底地貌，尤其是以活動沙波為代表的海底地質災害因素有詳細的觀察和認識，以保證穿過這些沙波區的管線和平臺的安全。

1 研究區概況及資料來源

1.1 沙波形態

南海北部水深100～250m的外陸架區分布著大片沙波地貌（圖1），沙波波高在0.3～3m之間，波長數米到數十米，波形一般以不對稱居多，緩坡向NW，陡坡向SE，波脊線大都沿NE～SW方向延伸（圖2和圖3）。中型沙波和大型沙波兩翼及谷部發育有次一級的小型沙波或沙紋，他們形態細小、排列緊密，形成復式沙體。沙波區的底質類型以中砂、中細砂和細砂為主，其兩側均較細，東側以粘土為主，西側以粉質砂土為主。

1.2 資料來源

本文資料來源于2部分：第1部分為2003年9月完成的番禹/惠州油氣田平臺、管線和終端環境標準最終報告［4］；第二部分為2003年9月完成的LF13-2平臺和LF13-1到LF13-2管線路由調查最終報告［5］。這2份報告為本文提供了詳細的研究資料，包括熱帶風暴、波浪、潮流、潮汐、物探資料、工程地質資料以及數模資料等。

根據上述資料、井場位置和水深將研究區劃分為4個小研究區，分別為P區（PY34-1、PY30-1和 LH19-5所在區域）、PH區（PY30-1－HZ21-1中間點）、H區（HZ21-1井場所在區域）和L區（LF13-2和LF13-1所在區域），如圖1所示。

2 沙波形成條件

陸架沙波的形成發育條件較為復雜，影響因素較多，莊振業［6］、劉振夏［7］提出陸架沙丘（波）形成發育的條件包括水深、海底地形、底質類型和水動力4個方面。

2.1 水深

水深對沙波的發育有無影響或者說其影響程度有多大，現無一個成熟的說法或者理論。根據現在國內外發表的相關文獻來看，從水深幾米到幾千米的海底均有沙丘底形發育，可以看出水深是通過與底質類型以及水動力條件結合影響沙波發育的。

2.2 海底地形

研究區海底坡度較為平緩，除了L區海底平均坡度變化較大外，其它區坡度變化不大。各區具體坡度如下：P區海底平均坡度在5′～6′之間，PH區海底平均坡度在6′～8′之間，H區海底平均坡度在4′～6′之間，L區海底平均坡度在7′～19′之間。適宜的坡度將有利于底沙的搬運和遷移，從而為沙波提供更好的形成和發育條件。底坡過陡或過緩會影響底砂的運移效率，從而改變沙丘的形態，并影響到水下沙丘的生存［8］。國內已發現的陸架沙波所處的海底坡度在0.5′～13′［2-9］之間，而本研究區內海底坡度亦在次范圍內，海底地形平緩，有利于沙波的形成和發育。

2.3 底質類型

按Simons［10］的研究，從極細砂（0.125～0.063 mm）到中砂（0.5～0.25 mm）是水下沙丘的主要組成粒級，粒級過大或過小，均不發育水下沙丘。莊振業等［6］統計了世界19個陸架海區的沙丘，其平均粒徑在0.1～0.6mm之間。研究區內沙波的底質類型以中砂、中細砂和細砂為主，中值粒徑在0.075～0.25mm之間，分選較好，磨圓度較好。研究區沙波內底質類型既符合Simons的水槽試驗結果，也符合已知陸架海區的實際情況，有利于海底沙波的形成。

2.4 水動力條件

波浪：根據研究區的波浪要素的特征，本區海浪屬于深水波性質（波長小于2倍水深）。即使在暴風時，海浪的影響深度一般為40～60m，200m以下相對平靜。而本區沙波的水深基本上在200m等深線附近，因此海浪（包括臺風浪）對海床變化的直接作用不會很大。

潮流：莊振業等［6］初步統計了國內外已發表的關于水下沙丘的文章，認為陸架海底沙丘發育所要求的底流速一般在20～100cm/s之間，其中50～80cm/s底流速發育的水下沙丘最好。研究區內正常氣候條件下底流速一般不超過20cm/s，這么小的流速無法起動底質砂體，更不會形成沙波。根據對流的數值模擬顯示［4］，風暴期間形成的風海流與潮流疊加后流速可以成倍加大，疊加后的流速完全可以起動細砂－中砂級別的泥沙顆粒［3］。因此，研究區內沙波的形成和遷移主要受到風暴形成的風海流與潮流的綜合影響。

夏東興等［11］對海南東方岸外20～50m水深海底沙丘的動力環境作過研究，認為沙丘陡坡朝向與主水流方向一致。本研究區內的海底沙波波脊線大都NE～SW方向延伸，沙波緩坡面向NW，陡坡面向SE，這些特征說明形成沙波的主水流為SE流，也就是說落潮流是海底沙波形成和發育的主要水動力因素。

綜合以上4個方面可以看出，研究區內充足的砂源、適宜的顆粒粒徑、平緩的海底坡度以及足夠大的底流速為沙波的形成奠定了基礎，有利于沙波的形成和遷移。

3 沙波遷移速度

一般認為沙波是近底床面水流不穩定的產物，沙波的形成、增大乃至消失，近底流速起主要的作用。關于水下沙波移動方向和速度的計算，是一個極為復雜的課題，河道中水流的流向基本上是定向的，而海底底流流向是多變的。本文根據研究區的水動力條件，采用Shinohara和Tsubaki［12］的公式估算研究區沙波的移動速度，公式如下：

根據研究區底質類型和水深資料，分別計算了細砂（FS）、中細砂（MFS）和中砂（MS）三種底質類型在水深分別為100m、150m和200m的條件下沙波的遷移速率和遷移距離。關于三種底質砂的起動速度，本文采用的是根據竇國仁［13］公式計算的泥沙起動流速。該公式考慮到水深和粘性顆粒對泥沙起動流速的影響，較好的反映了各種泥沙粒徑的起動流速?，F以水深150m對應的泥沙起動流速為例計算沙波的遷移速率，其起動流速分別為47.7cm/s、30.4cm/s和33.0cm/s［3］。根據王尚毅［14］的沙波形成機理和數學模型的分析計算，首先得到研究區不同水深、不同底質類型所需要的沙紋和沙波移動時的初始速度（表1）。

1）細砂（FS）：d＝0.075mm

起動底速uΔ≈47.7 cm/s

沙紋底速uΔ′≈1.19×uΔ＝1.19×47.7＝56.8cm/s

沙丘底速uΔ′≈1.40×uΔ＝1.40×47.7＝66.8 cm/s

2）中細砂（MFS）：d＝0.163mm

起動底速uΔ≈30.4cm/s

沙紋底速uΔ′≈1.19×uΔ＝1.19×30.4＝36.2 cm/s

沙丘底速uΔ′≈1.40×uΔ＝1.40×30.4＝42.6 cm/s

3）中砂（MS）：d＝0.25mm

起動底速uΔ≈33.0cm/s

沙紋底速uΔ′≈1.19×uΔ＝1.19×33.0＝39.3 cm/s

沙丘底速uΔ′≈1.40×uΔ＝1.40×33.0＝46.2 cm/s

上面uΔ′≈1.19×uΔ，為床面出現沙紋（ripples）的水流摩阻流速；uΔ′≈1.40×uΔ ，為床面出現沙丘（dunes）的水流摩阻流速。其中，1.19和1.40均為試驗系數。

從表2可以看出，在相同底流速和相同粒級條件下，隨水深的加大，沙波的移動速度隨之變小；在相同粒級和相同水深條件下，隨著底流速的增大，沙波的移動速度之增大。底流速只有超過沙波移動所需最小流速后，沙波才會移動，且對于海底管線和平臺來說，計算極大值流速下的沙波移動距離具有重要意義。根據研究區年底層流速和流向統計資料來看［4］，SE向流最大值為88.4cm/s，NW向流最大值為70.8cm/s，因此，取SE向流最大值88.4cm/s代表向海底流速，取NW向流最大值70.8cm/s代表向岸底流速。根據2005年8月16號在4#號站點（N：21°40′；E：114°00′）的實測潮流資料（圖3），取漲潮時間為15小時，落潮時間為9小時，分區計算得到研究區沙波一天的最大移動距離（表3）。

注：向岸遷移為正，向海遷移為負

計算結果表明研究區內的海底沙波從總體上來看向海（SE方向）移動，由細砂、中細砂和中砂組成的沙波一天最大移動距離分別為5.1～10.2cm、2.4～4.8cm和1.5～3.1cm。根據統計資料［4］，1961～2000年影響研究區的熱帶氣旋共254個，平均每年6.4個。按每年7個熱帶氣旋來計，則由細砂、中細砂和中砂組成的沙波年最大移動距離分別為36.0～71.5cm、16.5～33.4cm和10.7～21.6cm。馮文科等計算的本海域的沙波年移動距離在10.1～53.4cm之間，這與本文的計算結果相差不大，但在計算過程中采用的流速和時間卻是不一樣的。本文計算是以極端條件下的流速和作用時間為基礎的，相對馮文科等的計算來說，本文采用的流速值較大，時間較短，之所以如此取值，是因為本研究區的沙波主要是在風暴條件下形成和遷移的。

同時，陸架水流在塑造海底沙波時除流速之外還有流向和作用時間兩個參數，陸架水流固然也有主水流，但還有多方向的水流，多向水流必然制約或削弱主水流對底沙的搬運量，也會不斷降低水下沙丘的遷移速度。研究區3月、4月、8月和12月的NE～SW方向底流速均較強，該方向剛好與研究區沙波的移動方向相垂直，這必將降低沙波的移動速度。此外，由于研究區沙波的移動是在風暴形成的風海流與潮流聯合作用下進行的，而此作用持續的時間一般較短，這也會制約著沙波的遷移。因此，研究區沙波的實際移動速度應小于計算值。

根據以上計算結果并綜合各方面因素來看，研究區沙波遷移速率相對較小，對海底工程的實施不至于形成直接的危害。但是，從公式（1）中可以看出，沙波的移動速度隨底流速的增加成幾何級倍數增大，倘若底流達到90cm/s，水深為100m，則在該流速的作用下，由細砂組成的沙波的移動距離一天內可達66.0cm，這將對海底構筑物產生一定威脅。

4 結論

1）研究區砂源充足、顆粒粒徑適宜、海底坡度平緩，有利于沙波的形成和發育。

2）風暴是沙波的形成和遷移的主要水動力因素，在風海流與潮流的綜合作用下沙波總體向海（SE方向）移動。

3）由細砂、中細砂和中砂組成的沙波一天最大移動距離分別5.1～10.2cm、2.4～4.8cm和1.5～3.1cm，遷移速率較小，對海底工程威脅不大。

參考文獻

［1］ Anthony D，Leth J O. Large-scale bedforms， sediment distribution and sand mobility in the eastern North Sea off the Danish west coast［J］.Marine Geology，2002，182(3): 247-263.

［2］ 葉銀燦，莊振業，來向華，等. 東海揚子淺灘砂質底形研究［J］.中國海洋大學學報，2004，34 (6): 1057-1062.

［3］ 吳建政，胡日軍，朱龍海，等. 南海北部海底沙波研究［J］.中國海洋大學學報，2006，36 (6): 1019-1023.

［4］ Panyu/Huizhou Gas Field Platforms， Pipeline，Terminal Environmental Criteria (Extreme/Operational Condition) Final Report［R］. Qingdao: First Institute of Oceanography，2003.

［5］ Final Report of LF13-2 Platform Site LF13-1 to LF13-2 Pipeline Route［R］.Tianjin: Cnooc Research Center，2003.

［6］ 莊振業，林振宏，周 江，等. 陸架沙丘(波)形成發育的環境條件［J］.海洋地質動態，2004，20(4): 5-10.

［7］ 劉振夏，夏東興. 中國近海潮流沉積沙體［M］.北京: 海洋出版社，2004.

［8］ Bangnold R A. An approach to the sediment transport problem from general physics［C］.U. S.Geological Survey，Washington D C，Professional Paper 422-1，1996，1-37.

［9］ 謝欽春，葉銀燦，陸炳文. 東海陸架坡折地形和沉積作用過程. 海洋學報［J］.1984，6 (1): 61-71.

［10］ Simons D B，Richardson E V. Resistance to flow in alluvial channels［C］//Reineck，H. E. and Singh I B. Depositional Sedimentary Environments With Reference to Terrigenous Clastics， Berlin: Spring Verlag，1973: 1962.

［11］ 夏東興，吳桑云，劉振夏，等. 海南東方岸外海底沙波活動性研究［J］.黃渤海海洋，2001，19(1): 17-24.

［12］ Shinohara K，Tsubaki T. On the characteristics of sand waves formed upon the beds of open channels and rivers［J］.Reports of Research Institute for Applied Mechanics，1959，7(25)，15-45.

［13］ 竇國仁. 再論泥沙起動流速［J］.泥沙研究，1999，(6): 5-9.

［14］ 王尚毅，顧元琰，郭傳鎮. 河口工程數學模型［M］.北京: 海洋出版社，1990.