李曉龍, 陳永華, 姜靜波, 倪作濤, 劉慶奎, 徐永平, 涂登志, 李思忍

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基于濁度計(jì)和ADCP的懸沙濃度估計(jì)與分析

李曉龍1, 陳永華1, 姜靜波1, 倪作濤1, 劉慶奎2, 徐永平1, 涂登志1, 李思忍1

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院, 山東 青島 266042)

作者采用濁度計(jì)和聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)在近海區(qū)域連續(xù)、定點(diǎn)觀測(cè)的應(yīng)用中, 利用濁度與懸沙濃度之間良好的線性關(guān)系, 對(duì)潮汐半月周期內(nèi)的濁度和ADCP后向散射聲強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析, 討論了小、中、大潮期間利用ADCP后向散射聲強(qiáng)反演懸沙濃度的可靠性, 反演過(guò)程中綜合考慮了聲學(xué)近場(chǎng)非球面擴(kuò)散和本底噪聲的影響。結(jié)果表明, 在實(shí)驗(yàn)海域中, 小潮情況下, 各水層內(nèi)懸浮泥沙成分較為穩(wěn)定, ADCP后向散射聲強(qiáng)與濁度變化相關(guān)性較高, 達(dá)到0.91; 而在大潮情況下, ADCP后向散射聲強(qiáng)與濁度變化的相關(guān)性降低, 懸沙濃度及成分容易在海流的影響下發(fā)生變化。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀; 濁度; 懸沙濃度; 后向散射聲強(qiáng)

懸沙濃度(Suspended sediment concentration, SSC)是海洋沉積動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)關(guān)鍵參量, 其大小及變化直接體現(xiàn)懸沙的集聚與輸運(yùn)情況, 關(guān)系到岸灘、濕地的沖淤、海岸工程設(shè)計(jì)與防護(hù)等。懸沙濃度變化的研究方法可以分為傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法兩種[1]。其中, 傳統(tǒng)方法是現(xiàn)場(chǎng)采集水樣, 通過(guò)對(duì)水樣過(guò)濾和稱質(zhì)量來(lái)計(jì)算采樣水域的懸沙濃度。雖然這種方法是最準(zhǔn)確的方法, 但費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 僅能得到幾個(gè)采樣水層深度處少量、離散的懸沙濃度數(shù)據(jù)。近年來(lái), 越來(lái)越多的研究人員利用光學(xué)與聲學(xué)探測(cè)特性的現(xiàn)代方法觀測(cè)懸沙濃度[1-5]。雖然依據(jù)光學(xué)原理探測(cè)的是濁度, 聲學(xué)儀器測(cè)量的是后向散射聲強(qiáng)(Acoustic BackScatter, ABS), 但在一定范圍內(nèi)懸沙濃度和濁度(Turbidity, 簡(jiǎn)寫(xiě)為Turb)呈良好的線性關(guān)系(表1)[6-9], 與聲學(xué)反向散射強(qiáng)度也呈單調(diào)增加變化[9-11]。利用現(xiàn)代觀測(cè)方法, 懸沙濃度的測(cè)量效率有較大提高, 并可獲得較高時(shí)空分辨率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

雖然濁度和聲學(xué)后向散射都可作為懸沙濃度的替代測(cè)量, 但較之而言, 由于光、聲在海水中的傳播特性, 利用濁度計(jì)只能獲得探頭位置處的懸沙濃度, 而聲學(xué)遙測(cè)技術(shù)具有不干擾水體、同時(shí)獲得水體垂直斷面內(nèi)高空間分辨率數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn), 并且能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、連續(xù)性的觀測(cè)[12]。然而, 回聲強(qiáng)度的測(cè)量也會(huì)受懸沙成分的影響[2, 3], 在ADCP連續(xù)、定點(diǎn)觀測(cè)應(yīng)用情況中, 潮汐變化會(huì)對(duì)懸沙濃度及成分產(chǎn)生擾動(dòng), 因而影響ADCP反演懸沙濃度的可靠性。作者通過(guò)對(duì)潮汐半月周期內(nèi)的濁度和ADCP后向散射聲強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 考慮ADCP連續(xù)、定點(diǎn)觀測(cè)的應(yīng)用情況, 利用濁度與懸沙濃度之間的線性關(guān)系, 分析不同潮汐情況下ADCP后向散射聲強(qiáng)與海水懸沙濃度間相關(guān)性, 研究潮汐狀況對(duì)ADCP反演懸沙濃度可靠性的影響。