基于浊度计和ADCP的悬沙浓度估计与分析

李晓龙, 陈永华, 姜静波, 倪作涛, 刘庆奎, 徐永平, 涂登志, 李思忍



基于浊度计和ADCP的悬沙浓度估计与分析

李晓龙1, 陈永华1, 姜静波1, 倪作涛1, 刘庆奎2, 徐永平1, 涂登志1, 李思忍1

(1. 中国科学院 海洋研究所, 山东 青岛 266071; 2. 青岛科技大学 自动化与电子工程学院, 山东 青岛 266042)

作者采用浊度计和声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在近海区域连续、定点观测的应用中, 利用浊度与悬沙浓度之间良好的线性关系, 对潮汐半月周期内的浊度和ADCP后向散射声强数据进行相关性分析, 讨论了小、中、大潮期间利用ADCP后向散射声强反演悬沙浓度的可靠性, 反演过程中综合考虑了声学近场非球面扩散和本底噪声的影响。结果表明, 在实验海域中, 小潮情况下, 各水层内悬浮泥沙成分较为稳定, ADCP后向散射声强与浊度变化相关性较高, 达到0.91; 而在大潮情况下, ADCP后向散射声强与浊度变化的相关性降低, 悬沙浓度及成分容易在海流的影响下发生变化。

声学多普勒流速剖面仪; 浊度; 悬沙浓度; 后向散射声强

悬沙浓度(Suspended sediment concentration, SSC)是海洋沉积动力学研究的一个关键参量, 其大小及变化直接体现悬沙的集聚与输运情况, 关系到岸滩、湿地的冲淤、海岸工程设计与防护等。悬沙浓度变化的研究方法可以分为传统方法和现代方法两种[1]。其中, 传统方法是现场采集水样, 通过对水样过滤和称质量来计算采样水域的悬沙浓度。虽然这种方法是最准确的方法, 但费时费力, 仅能得到几个采样水层深度处少量、离散的悬沙浓度数据。近年来, 越来越多的研究人员利用光学与声学探测特性的现代方法观测悬沙浓度[1-5]。虽然依据光学原理探测的是浊度, 声学仪器测量的是后向散射声强(Acoustic BackScatter, ABS), 但在一定范围内悬沙浓度和浊度(Turbidity, 简写为Turb)呈良好的线性关系(表1)[6-9], 与声学反向散射强度也呈单调增加变化[9-11]。利用现代观测方法, 悬沙浓度的测量效率有较大提高, 并可获得较高时空分辨率的实时数据。

虽然浊度和声学后向散射都可作为悬沙浓度的替代测量, 但较之而言, 由于光、声在海水中的传播特性, 利用浊度计只能获得探头位置处的悬沙浓度, 而声学遥测技术具有不干扰水体、同时获得水体垂直断面内高空间分辨率数据的优点, 并且能够实现长期、实时、连续性的观测[12]。然而, 回声强度的测量也会受悬沙成分的影响[2, 3], 在ADCP连续、定点观测应用情况中, 潮汐变化会对悬沙浓度及成分产生扰动, 因而影响ADCP反演悬沙浓度的可靠性。作者通过对潮汐半月周期内的浊度和ADCP后向散射声强数据进行对比分析, 考虑ADCP连续、定点观测的应用情况, 利用浊度与悬沙浓度之间的线性关系, 分析不同潮汐情况下ADCP后向散射声强与海水悬沙浓度间相关性, 研究潮汐状况对ADCP反演悬沙浓度可靠性的影响。