ASM-IV仪器在河口近底层悬沙浓度观测分析中的应用研究

2020-05-22周晓妍戴志军庞文鸿李为华

应用海洋学学报 2020年2期

周晓妍，戴志军，庞文鸿，李为华

(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

高浊度河口的泥沙起动、输运及沉降与近底层水体悬沙浓度的变化密切相关。研究河口近底层水体的悬沙浓度直接关系到河势演化、河槽冲淤以及河道疏浚。然而河口近底层水体的悬沙浓度存在明显的垂向梯度，以长江口南槽为例，距河槽底部不到1 m的垂向距离，悬沙浓度最大可相差15倍[1]。因此，如何利用观测手段或仪器以获得近底层水体的高精度垂向悬沙浓度对于理解河口区泥沙输移及地貌变化等具有重要意义[2-3]。

当前对河口水体垂向悬沙浓度的观测主要基于传统的“六点法”[4]。“六点法”即基于整点时刻，在表层、相对水深0.2H、0.4H、0.6H、0.8H与底部分别采集水样，随后通过过滤、烘干以及称重等步骤，最终得出不同层位水深的水体中悬沙浓度的变化。近底层水体悬沙浓度通常以0.8H至底部测量数据作为表征。为获取瞬时高精度剖面水沙数据，声学仪器被研制以监测水体垂向悬沙浓度，如声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profile，ADCP)和声学多普勒点流速仪(Acoustic Doppler Velocimetry，ADV)。然而该类仪器大多适用于低浓度非粘性泥沙及石英质床面环境下悬沙浓度的测量[5]。Salehi等(2010)进行的关于回声强度与泥沙浓度的实验表明当悬沙浓度小于3.2 g/dm3时，回声强度与浓度的对数呈线性递增关系；当浓度值大于3.2 g/dm3时，浓度越大则回声强度越弱[6]。该实验表明类似长江口最大浑浊带以黏性泥沙为主且泥沙浓度较高的河口，ADCP、ADV等声学仪器无法有效进行近底层悬沙浓度的反演。同时，光学后向散射浊度仪(Optical Backscatter Sensor，OBS，光学仪器)虽在细颗粒悬沙监测方面已有广泛应用[7]，但由于探头数目限制，只能获取单点悬沙浓度数据。故对于近底层水体的悬沙浓度观测，若需在空间上获得连续的浓度变化，应需在同一垂线上布设多台OBS同步测量，这种方法低效且不易实现。近年来边界层悬浮物剖面测量仪(Argus Surface Meter IV，ASM-IV，光学仪器)观测近底层悬沙运动已有较多成果。如国外学者Svenson等(2011)利用ASM-IV进行监测并推断中潮时期近底层悬沙的输移状态[8]；国内郭磊等(2016)也基于ASM-IV展开了对波致海床沉积物的再悬浮研究[9]。ASM-IV在连续监测近底层悬沙浓度表现出较强优越性，但到目前为止，尚未有研究将其与传统仪器布设方法进行系统对比，从而无法定量判断该仪器所获取的数据优于何处，有何具体研究价值。基于此，本研究将通过在空间与时间两个尺度层面对ASM-IV获取数据进行分析，论证其监测的近底层悬沙浓度数值的时空精度。

1 材料与方法

1.1 数据采集与仪器标定

本次实验于2017年7月9日—19日在长江口南槽的最大浑浊带进行，测点位于31°06′15″N，121°56′36″E。该地带属于径流与潮流交汇处，每日两次涨落潮，为非正规半日潮。沉积物中值粒径集中在3～6 φ，以粉砂为主，其次为砂，粘土含量最小[10-11]。整个观测周期覆盖洪季大、中、小潮。

实验采用德国生产的ASM-IV，型号为SN0107，探头部分总长度约为1 m，浊度观测利用850 nm光学后向散射传感器，测量范围为0～4 095 FTU。ASM-IV内置96个OBS探头，每个探头间隔10 mm，可探测到传感器前方10 cm范围内的水体浊度数值，最大测量体积可达10 cm3，因此可用于进一步连续观测近底层约1 m内的水体悬沙浓度变化。观测期间ASM-IV采样以5 min为间隔进行。

由于OBS体型轻巧，便于标定，加之水体浑浊度与悬沙浓度之间的定量关系通常情况下可认为恒定。故因此在观测期间，将OBS-3A(#514)探头置于离底床约50 cm处(对应ASM-IV第52号探头)，仪器摆放示意图如图1所示。设置以4 min为间隔，连续观测10 d浊度数据。待观测结束后，在实验室结合野外所采集的水样，先对OBS进行浊度-悬沙浓度标定，即将野外带回的水样中过滤出的泥沙进行烘干后，缓慢倒入一定量的清水并不断搅拌，直到OBS读数稳定后在OBS传感器附近开始取水样600 cm3，分别记录取水样前后OBS浊度值的大小并取平均值。随后将取出的水样进行过滤、漂洗、烘干并称重，该质量与被过滤水的体积之比即为悬沙浓度，如此反复多次。

对于ASM-IV所测水体浊度值与OBS测量值进行定量关系分析采用室内标定，进一步获得96个探头统一标定值。首先将各探头在标定前置于清水当中，确认各探头显示均为0 FTU。随后采用国际通用浊度标准液——福尔马肼对ASM-IV所有探头进行统一标定[12]，即配置多标准浓度福尔马肼液对ASM-IV进行室内标定，确定每一探头在各浓度下显示结果相同，因此可挑选任一探头对整体进行标定，即使用OBS浊度数据对ASM-IV第52号探头的浊度数据进行校正和拟合，最终标定结果见图2所示，其中图2(b)为多项式拟合。

图1 仪器布设示意图Fig.1 Schematic diagram of the instrument

为更好地判断由ASM-IV观测数据计算获得的悬沙通量可靠性，在压力传感器离地40 cm处放置一台ADV设置采样频率为8 Hz，间隔时间4 min采样，获取连续10 d的流速数据。

1.2 相对误差计算

相对误差是指由于测量所造成的绝对误差与真值之比乘100%所得的数值，一般更能反应测量的可信程度，该数值在很多方面都有所应用，如张文祥等(2010)曾通过相对误差来比较声学多普勒水流剖面仪(Acoustic Doppler Profiles，ADP)与OBS所观测到的悬沙浓度[13]。为探究测量期间加入ASM-IV前后在近底层水体悬沙浓度的监测差异，本研究采用相对误差来比较两种技术对悬沙浓度数值的监测精度，公式如下：

式(1)中：Er即为相对误差，Cc、Cm分别为加入ASM-IV仪器与传统仪器布设方法所获取浊度(FTU)，N为数据总个数，i为利用该公式进行计算的第i组数据。

图2 OBS-3A、ASM-IV探头标定结果Fig.2 Calibrated results of OBS-3A and ASM-IV sensors

2 结果与讨论

2.1 大小潮期间悬沙浓度的观测分析

在10d连续观测时间序列当中以5min间隔时间尺度进行分析(图3)。提取整点时刻数据作为传统仪器布设方法所获取数据，即实测悬沙浓度；每小时内悬沙浓度进行平均，作为加入ASM-IV仪器后所获取数据，即真实悬沙浓度。此法既可保留某些特征值，又可将整体1h内的变化趋势所反映出来，从而估算两者之间的偏差大小，以验证加入ASM-IV测量的精确度。在10d的观测中，真实悬沙浓度平均为0.77g/dm3，而实测悬沙浓度平均值为0.78g/dm3。将每小时的真实悬沙浓度值与实测悬沙浓度值直接进行对比[图3(b)]，可以发现二者存在误差，且在某些时刻较大。通过计算可得，大潮期间平均相对误差最大，为24.15%，并且在此期间误差波动范围也较大(0.27%～262.76%)。可见，大潮期间悬沙浓度随时间变化波动较大；中潮与小潮误差值相近，分别为17.31%与16.18%。中潮波动范围相对较小(0.42%～145.86%)，且仅一个相对误差值超过67%，因此可考虑作为异常值忽略；小潮相对误差波动范围最小(0.05%～73.00%)，由此可推断悬沙浓度在中、小潮时随时间变化的幅度小于大潮。

2.2 悬沙浓度的垂向分布观测分析

海上定点测量近底层悬沙浓度时，仅采用OBS或采水样进行测量时，空间精确度一般不足。为探究将ASM-IV光学仪器加入垂线仪器布设从而进行精密测量的空间准确性，将ASM-IV某一个探头所测量的浊度值记为真实悬沙浓度，而将某一个探头附近10个探头的平均浊度值作为实测悬沙浓度，用于计算相对误差大小(图4)。以10个探头为一组分别进行相对误差计算，共可分为10组。结果从仪器上部至底部分别为3.22%、10.25%、5.42%、6.81%、10.90%、4.73%、6.63%、11.01%、17.35%以及最底部，同样也是误差最大的46.81%。由图4可以发现两种布设方法之间的确存在偏差，且除距底部较远的水层中相对误差较小外，越靠近底部的偏差越大且无法忽略。因此可以推断近底层泥沙的分层作用明显。

2.3 近底层悬沙浓度与探头对应关系

长江口南槽的实际观测中测量范围基本位于最大浑浊带的近底层区域，该区域垂向分层明显[1]。而ASM-IV测量长度约为1m，在近底层测量过程中碰到仪器拖网等问题时处理难度较大，因此在ASM-IV使用不便时，仅利用采水样或布设单点测量仪器的方法，获取最高精度的近底层悬沙浓度，需探究不同时刻最具代表性的层位。故将所有探头的平均值，即该时刻真实悬沙浓度与实测悬沙浓度进行对比，分析不同误差随深度的变化关系(图5中颜色由浅至深表征误差由大变小)。

观测周期内，13号探头所获取的浓度值与该时刻平均值相同次数最多，除小潮时期偶有出现的高浓度水体，50号探头之上所获取的浓度值大部分接近近底层1m内实际水体浓度值(图5)，甚至部分探头测量值与实际值相等，最大仅相差39.29%，平均相差1.97%；而55号探头开始向下测量浓度值与实际浓度值相差较大，最大可相差1 289.74%，平均相差290.93%。在这些实测值与实际值相差最大的探头中，93号探头出现次数最多。

图3 大、中、小潮期间悬沙浓度相对误差对比结果Fig.3 Comparison of relative errors of SSC during period from neap to spring tide

图4 悬沙浓度垂向相对误差分布结果Fig.4 Vertical distribution of relative errors of SSC

图5 各探头可靠性示意图Fig.5 Diagram for the reliability of each sensor

同时，具有代表性的探头会随时间变化而变化。在大潮期间，最具代表性的是56号探头，与真实悬沙浓度相差0.80%；而中小潮时期，13号探头所测浓度值则最适合用于代表水体中悬沙浓度，二者分别相差2.99%、2.10%。由于悬沙沉降等因素存在，近底层悬沙浓度一般最高，因此最靠近底部所获取数据最不宜代表全部水体。大、中、小潮期间，出现实测悬沙浓度与真实悬沙浓度相差较大最多的均在90号探头之下。由此说明中小潮时期近底层深度代表性较差。

显然，海上观测近底层悬沙浓度变化一般通过整点时刻布设垂线，分层采集水样或布设OBS等单点测量仪器进行垂向悬沙浓度的测量，这种方法虽然操作简单，但获取数据与ASM-IV高频率连续测量所获取的数据量相比略显不足；同时，水体悬沙浓度随时间变化浮动较大，若仅在整点或特定时刻进行测量，会将某些特征值或变化趋势忽略或弱化。

2.4 近底层水体悬沙通量的时间观测分析

利用ASM-IV与ADCP进行同步悬沙观测，计算单宽悬沙通量，观察在时间尺度上研究区域的单宽悬沙通量变化关系。以每个整点时刻所获取的单宽悬沙通量作为实测悬沙通量，将1h内平均悬沙通量作为真实悬沙通量(理由见“2.1”)。在观测周期内，长江口南槽近底层单宽悬沙通量平均为11.51kg/(s·m2)，其中大、中、小潮分别为14.14、13.37、6.82kg/(s·m2)。真实悬沙通量在大、中、小潮分别为10.91、13.40、6.89kg/(s·m2)；而其实测的悬沙通量分别为13.31、13.07、7.40kg/(s·m2)，可以看出大潮时段真实值偏离实测值较多(图6)。

图6 大、中、小潮期间悬沙通量变化结果Fig.6 Time series of suspended sediment flux during period from neap to spring tide

[图6(b)]中的深色封闭区域为绝对误差(真实悬沙通量-实测悬沙通量)，整个观测期间绝对误差为0.16kg/(s·m2)，大、中、小潮的绝对误差分别为1.67、-0.05、-0.77kg/(s·m2)，表明在整个观测期间若不布设ASM-IV进行矫正，会低估实测通量。

2.5 讨论

2.5.1ASM-IV在近底层悬沙观测中的必要性粘性泥沙在河口地区的输移主要依赖于径流、底部地形、温盐、粒径以及冲淤过程，这些过程共同作用于悬沙浓度由分秒到季节的变化[14]，近底层泥沙运动的观测对于理解河口冲淤、河床地貌演变更是必不可少。但是由于河口近底层区域的复杂性，对其研究主要聚焦于宏观方面[15]，又限于仪器本身条件而使时空精确度较低，或与河床底面距离较远，较难做到真正意义的“近”底层微观测量。ASM-IV的出现不仅从时空两个角度证明了传统仪器布设测量具有精度提升空间，同时也间接扩大了“六点法”测量的时间与空间范围。通过上述数据分析得知，ASM-IV所获取数据而求得的悬沙通量与传统船测方法相比的确存在不可忽略的误差。故可通过在垂线布设上加入ASM-IV，矫正由于传统仪器布设方法产生的测量误差。

对于悬沙浓度而言，大潮与中潮浓度最大而小潮浓度最小；是否布设ASM-IV对大潮时期的测量结果影响最为明显，因此推断大潮时期近底层悬沙随时间推移变化过程最为剧烈，每一时刻浓度值都在发生改变，若仅取某一特定时刻水体作为参考，会使得变化过程中某些特征值或变化趋势被忽略，因而这个时期仅利用采集水样或单点仪器进行测量精度较低，而需要通过ASM-IV对每一时刻的浓度值进行高精度监测。就垂向剖面而言，近底层泥沙分层明显，泥沙沉降、再悬浮作用强烈，最底层泥沙浓度远高于上层水体，因此最底层相对误差同样最大。由此推断在测量时，最底部泥沙不能用于代表整个近底层水体进行泥沙浓度的观测与测量。

2.5.2ASM-IV观测的可靠性分析在南槽最大浑浊带区域，海上通过布设单点测量仪器或采集水样的方法，即使考虑仪器干扰、水位波动等因素，测量的数据对于近底层位置仍不具有较为充分的代表性。ASM-IV在此深度可获取高空间精度数据。在这些数据当中，不同时刻不同探头所获取的浓度对于此刻近1m水体中浓度的可代表性，即可靠性不同。对于整个观测周期而言，距底约91cm处(13号探头)悬沙浓度对于近底层水体可代表性最高，而距底约10cm附近处悬沙浓度不宜代表近底层悬沙浓度。

通过比较每一时刻中各个探头的浓度值与近1m测量长度的浓度平均值(图5)，可以看出在距底52cm(50号探头)向上位置的探头对整个近底层区域都具有较好的代表性；而距底52cm之下可以发现，大潮时期，相差最大值较为均匀分散，且相差的最大值较小。由此可推断该时期内水体波动较为剧烈，泥沙分层不明显，近底层1m水体泥沙浓度值整体较为接近，因此大潮采用“六点法”测量时，相对水深0.8H或最底部水体的悬沙浓度都可代表近底层悬沙浓度。相反，在中、小潮时期，越靠近底部的泥沙浓度与整体平均泥沙浓度相去甚远，相差较大的点集中分布在80～96号探头附近，且相差数值随时间推移整体变大，在小潮时期达到最大。说明中、小潮时期水体逐步趋于平静、泥沙开始发生沉降，底部水体中的泥沙浓度与近底层近1m的水体浓度相差很大，该区域附近悬沙浓度不具有较好的代表性，因此若在该时期内采用相对水深0.9H至H深度，取最底部层位附近水样测量，精确度将大大降低。

由此可见，在传统仪器布设方法中加入ASM-IV会有效提高近底层悬沙浓度测量的精准度，由于最大浑浊带底部泥沙沉降以及再悬浮过程明显，悬沙浓度往往会出现较高值；并且在高浓度粘性泥沙河口地区，距底约20cm处也通常有泥跃层的出现[16]，图5也表明即使在距底约1m附近处，也会出现高悬沙浓度层，若仅在某一时刻进行测量会使这些特殊水层中的浓度值被忽略或放大。ASM-IV在近底层泥沙的观测当中不仅可以在空间上高精度地观测到这些特殊值或整体变化趋势的存在，也可论证最具代表性的层位，充分地提高了对于近底层悬沙浓度测量的准确性。