应用声光学仪器原位观测海底浮泥层动态变化的(2)
图1 潮滩试验场地俯视图(a)及试验布置图(b)Fig.1 Top view of tidal flat test site (a) and test device (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:
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Fig.2 Suspended sediment concentration profile obtained by ASM during the settlement process
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)Fig.3 The fitting curve of ADV backscatter intensity Sv and log10(turbidity) in different SSC ranges (a)~(b) and comparison of suspended sediment concentration (SSC) observed by ADV and ASM (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)Fig.4 The fitting curve of ADP backscatter intensity Sv and log10(turbidity) in different SSC ranges (a)~(b) and comparison of suspended sediment concentration (SSC) observed by ADP and ASM (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Fig.5 Suspended sediment concentration profile obtained by ADP during the settlement process
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。
文章来源:《光学与光电技术》 网址: http://www.gxygdjs.cn/qikandaodu/2021/0302/417.html