应用声光学仪器原位观测海底浮泥层动态变化的(3)
((a)0.2H处;(b)0.4H处;(c)0.6H处;(d)0.8H处。 (a) at 0.2H; (b) at 0.4H; (c) at 0.6H; (d) at 0.8H.)图6 不同高度处ADP与ASM对应OBS探头观测悬浮泥沙浓度(SSC)结果对比Fig.6 Comparison of the suspended sediment concentration (SSC) observed by ADP and ASM at different heights
表1 ADP与ASM对应OBS探头观测悬浮泥沙浓度相对误差Table 1 Relative error of suspended sediment concentration observed by ADP and ASM /%0.2 H0.4 H0.6 H0.8 H沉降阶段前期Early settlement 沉降阶段后期Late settlement
2.2 海床界面观测
本文所采用的声学蚀积仪AA400可以垂直向下固定于四脚架进行海床高程测量,此外ASM也可以进行海床高程变化观测。ASM探杆在原位观测的过程中,将探杆的一部分贯入海床,导致一部分OBS探头在海床界面以下,当水体悬浮泥沙浓度较低时,将超量程的数据分离出来,也可以得到海床界面位置。
选取加波阶段的前10 min和后10 min进行分析海床界面变化分析。图7为加波阶段的前10 min和后10 min两种仪器对海床界面变化的响应。在加波阶段的前10 min,此时水体中悬浮泥沙浓度较低,ASM和AA400均能得到理想的海床界面位置,两者绝对误差在0.5 cm左右波动。随着波浪作用时间增加,近底悬浮泥沙浓度上升,逐渐超出ASM的量程范围,影响了海床界面位置的判断精度,但AA400仍能较理想地得到海床界面位置。在加波阶段的后10 min,根据ASM测得的悬浮泥沙浓度剖面可知(见图8),该阶段悬浮沉积物浓度较高且变化剧烈, AA400无法得到有效数据。水体中悬浮泥沙浓度超出ASM的测量量程,导致ASM无法分辨悬沙水体和海床界面。因此, 在高悬浮泥沙浓度(>30 g/L)的情况下, AA400和ASM均无法得到连续有效的海床界面位置,可作为风暴作用诱发大规模浮泥层发育的标志,并不影响AA400在实际使用过程中的适用性。
((a)加波阶段前10 min;(b)加波阶段后10 min。(a)The first ten minutes of wave action stage;(b)The last ten minutes of wave action stage.)图7 ASM和AA400所测海床界面变化Fig.7 Seabed interface changes obtained by ASM and AA400
图8 ASM所测悬浮泥沙浓度剖面(加波阶段后10 min)Fig.8 Suspended sediment concentration profile obtained by ASM during the last ten minutes of settlement process
3 讨论
3.1 时空分辨率
表2展示了本文所用仪器相关指标。对于时间分辨率,AA400直接输出相对高程,采集间隔为5 s;ASM进行观测时所有OBS探头同时工作,也可得出同一时间的悬浮泥沙浓度剖面,每5 s测量一次;ADV、ADP直接输出声后向散射强度,ADP采集频率可达1 Hz,ADV采集频率可从1~64 Hz,具有高频优势。对于长时间尺度的原位观测,上述仪器的时间分辨率均能满足悬浮泥沙浓度和海床界面观测需要。
表2 海底浮泥层原位观测仪器技术指标Table 2 Technical indicators for the in-situ observation instrument of the fluid mud序号Serial number仪器Instrument时间分辨率(采集频率)Time resolution空间分辨率Spatial resolution精度 Hz1 cm±10%2ADV1~64 Hz单点1%3ADP1 Hz0.7~15 cm1% Hz<0.1 cm1 mm
对于空间分辨率,ASM探杆可以测量悬浮沉积物浓度剖面,OBS传感器排列间隔为1 cm,能对待测水体每1 cm分层进行观测;ADV可以得到测量点处15 mm范围内流速与声后向散射强度,可视为单点数据;本文使用的高频ADP测量层厚范围可从0.7~15 cm,空间分辨率较高,而非高频ADP测量层厚最小为10 cm,空间分辨率较低;AA400能够精确监测侵蚀、淤积引起的海床界面高程的变化速率,高程测量分辨率可达1 mm。
3.2 准确度
以上几种声、光仪器的准确度在实际工作过程中都会受到多种环境因素的影响,其影响因素主要包括:(1)悬浮泥沙浓度和气泡。试验中沉降阶段初期和加波阶段后期悬沙浓度较大,声衰减显著,从而影响了ADP、AA400等仪器的测量,该临界浓度受到仪器声波频率、海床沉积物性质等影响。(2)海床沉积物。OBS的响应与颗粒浓度成正比,与颗粒直径成反比[16],当沉积物颗粒粒径随时间变化时,需要对OBS和粒径进行校正。此外海床沉积物的差异造成了对声波的吸收和散射效果不同,会影响声学仪器对海床界面的判定和悬浮泥沙沉积物的观测。(3)温度和盐度。不同的温盐会影响声波在水中的传播速度,导致海床高程测量出现误差。
悬浮泥沙浓度观测方面,根据拟合结果(见图3,4),在低浓度(<10 g/L)情况下ASM、ADV、ADP均能准确有效地得到悬浮泥沙浓度数据。在高悬浮泥沙浓度的情况下(SSC>20 g/L)(见图6),ADP所发射的高频声波穿透整个水体较为困难,声衰减作用显著,影响了对下部水体悬浮泥沙浓度的测量,相对误差最高可达30.95%(0.8H处)。在沉降过程的后期,整个水体的悬浮泥沙浓度降低,因此ADP与ASM所测结果重新有了良好的一致性,相对误差最高为11.06%(0.8H处)。该结果表示,使用ADP来测量悬浮泥沙浓度剖面极大地受到了水体悬浮泥沙浓度的制约,当水体中的悬浮泥沙浓度高于一定值时,无法准确地进行悬浮泥沙浓度剖面观测,且该值受到ADP声波频率、海床沉积物性质等影响。若水体中高浓度含沙层离海床较近,声波在上部水体中能量没有被大量衰减,此时ADP也可以有效、准确地测量该高浓度含沙层的悬浮泥沙浓度。
文章来源:《光学与光电技术》 网址: http://www.gxygdjs.cn/qikandaodu/2021/0302/417.html