基于濁度計和ADCP的懸沙濃度估計與分析

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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基于濁度計和ADCP的懸沙濃度估計與分析

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. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 青島科技大學 自動化與電子工程學院, 山東 青島 266042)

作者采用濁度計和聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)在近海區域連續、定點觀測的應用中, 利用濁度與懸沙濃度之間良好的線性關系, 對潮汐半月周期內的濁度和ADCP后向散射聲強數據進行相關性分析, 討論了小、中、大潮期間利用ADCP后向散射聲強反演懸沙濃度的可靠性, 反演過程中綜合考慮了聲學近場非球面擴散和本底噪聲的影響。結果表明, 在實驗海域中, 小潮情況下, 各水層內懸浮泥沙成分較為穩定, ADCP后向散射聲強與濁度變化相關性較高, 達到0.91; 而在大潮情況下, ADCP后向散射聲強與濁度變化的相關性降低, 懸沙濃度及成分容易在海流的影響下發生變化。

聲學多普勒流速剖面儀; 濁度; 懸沙濃度; 后向散射聲強

懸沙濃度(Suspended sediment concentration, SSC)是海洋沉積動力學研究的一個關鍵參量, 其大小及變化直接體現懸沙的集聚與輸運情況, 關系到岸灘、濕地的沖淤、海岸工程設計與防護等。懸沙濃度變化的研究方法可以分為傳統方法和現代方法兩種[1]。其中, 傳統方法是現場采集水樣, 通過對水樣過濾和稱質量來計算采樣水域的懸沙濃度。雖然這種方法是最準確的方法, 但費時費力, 僅能得到幾個采樣水層深度處少量、離散的懸沙濃度數據。近年來, 越來越多的研究人員利用光學與聲學探測特性的現代方法觀測懸沙濃度[1-5]。雖然依據光學原理探測的是濁度, 聲學儀器測量的是后向散射聲強(Acoustic BackScatter, ABS), 但在一定范圍內懸沙濃度和濁度(Turbidity, 簡寫為Turb)呈良好的線性關系(表1)[6-9], 與聲學反向散射強度也呈單調增加變化[9-11]。利用現代觀測方法, 懸沙濃度的測量效率有較大提高, 并可獲得較高時空分辨率的實時數據。

雖然濁度和聲學后向散射都可作為懸沙濃度的替代測量, 但較之而言, 由于光、聲在海水中的傳播特性, 利用濁度計只能獲得探頭位置處的懸沙濃度, 而聲學遙測技術具有不干擾水體、同時獲得水體垂直斷面內高空間分辨率數據的優點, 并且能夠實現長期、實時、連續性的觀測[12]。然而, 回聲強度的測量也會受懸沙成分的影響[2, 3], 在ADCP連續、定點觀測應用情況中, 潮汐變化會對懸沙濃度及成分產生擾動, 因而影響ADCP反演懸沙濃度的可靠性。作者通過對潮汐半月周期內的濁度和ADCP后向散射聲強數據進行對比分析, 考慮ADCP連續、定點觀測的應用情況, 利用濁度與懸沙濃度之間的線性關系, 分析不同潮汐情況下ADCP后向散射聲強與海水懸沙濃度間相關性, 研究潮汐狀況對ADCP反演懸沙濃度可靠性的影響。