声学悬浮泥沙观测系统的研制和应用

为观测水中悬浮泥沙的浓度剖面、监测水中污染物及研究近岸海区泥沙的迁移和沉积,研制了声学悬浮泥沙观测系统(ASSM).总结了设计时主要技术参数的确定及解决关键技术的方法。应用此系统观测长江口悬浮泥沙,得到典型悬浮泥沙浓度剖面。     

悬沙的ADCP估测方法

ADCP估测悬沙含量是基于声波的背散射强度正比于悬沙浓度的理论。在实际测验中，由于多种因素干扰，ADCP所得到的背散射强度与悬沙浓度之间存在着不定的非线性关系。同传统的回归方法比较，BP网络模型方法可以使含沙估测精度有较大的提高。     

波-流作用下悬沙体积比垂向分布研究

在悬沙体积比垂向分布的研究中往往只研究悬沙体积比时均浓度分布,忽略悬沙体积比随时间的变化。而Wikramanayake悬沙模型采用时不变的紊动黏滞系数,利用奇异摄动理论中的多重尺度法分离波流作用下悬沙运动的对流扩散方程,将悬沙体积比按照时均值和周期分量进行了分析。作者在Wikramanayake悬沙模型中的周期浓度的基础上考虑了对流项的影响,从而使描述瞬时悬沙体积比的数学模型更加合理。     

长江口北槽抛泥流速和悬沙浓度时空分布观测

河口泥沙运动有其独特的规律,需要采用高分辨率的观测手段进行系统的现场观测,以此发现河口流速和泥沙分布结构,进而探讨其形成机制,应用声学多普勒流速剖面仪和声学悬浮泥沙观测系统,通过定点和走航式观测长江河口不同潮型和流态下流速和悬浮泥沙浓度时空分布发现:(1)不同潮型出现高浓度“事件”的次数和成因存在差异,中潮型出现高浓度“事件”的可能性最大;(2)抛泥泥沙浓度垂向分布至少有3种结构类型,即上小下大的“L”型、指数型和上大下小的“漂浮”型;(3)受抛泥泥沙输移的影响,断面流场形成低流速区,它们的强度随落潮流的扩散逐渐减弱;(4)不同潮型的落潮流表现出不同的输移行为,大、小潮型落潮流偏北,中潮型落潮流偏南;(5)在落潮流和颗粒重力共同作用下抛泥泥沙同时存在输移扩散和沉降过程,小潮型抛泥泥沙主要就近扩散和沉降,中潮和大潮型抛泥泥沙输移扩散范围较远。     

Quantitative application study on remote sensing of suspended sediment

Quantitative application on remote sensing of suspended sediment is an important aspect of the engineering application of remote sensing study.In this paper,the Xiamen Bay is chosen as the study area.Eleven different phases of the remote sensing data are selected to establish a quantitative remote sensing model to map suspended sediment by using remote sensing images and the quasi-synchronous measured sediment data.Based on empirical statistics developed are the conversion models between instantaneous suspended sediment concentration and tidally-averaged suspended sediment concentration as well as the conversion models between surface layer suspended sediment concentration and the depth-averaged suspended sediment concentration.On this basis,the quantitative application integrated model on remote sensing of suspended sediment is developed.By using this model as well as multi-temporal remote sensing images,multi-year averaged suspended sediment concentration of the Xiamen Bay are predicted.The comparison between model prediction and observed data shows that the multi-year averaged suspended sediment concentration of studied sites as well as the concentration difference of neighboring sites can be well predicted by the remote sensing model with an error rate of 21.61% or less,which can satisfy the engineering requirements of channel deposition calculation.     

乐清湾悬沙的浓度分布与运移

本文根据冬、夏、秋3季29站次的周日水文泥沙观测资料,通过对悬沙浓度和单宽输沙特征值的计算,讨论了该湾悬沙浓度的分布规律以及单宽输沙与悬沙运移的特点。     

ASM-IV仪器在河口近底层悬沙浓度观测分析中的应用研究

近底层悬沙时空变化对于理解河口冲淤变化有着至关重要的作用。然而,长期以来河口近底层水体悬沙浓度的连续变化大都是基于单点观测数据或水样处理获取。基于此,本研究利用光学仪器边界层悬浮物剖面测量仪(Argus Surface Meter IV,ASM-IV)获得长江口南槽近底层进行连续10 d的实测数据,探讨ASM-IV仪器监测悬沙浓度精度的有效性。结果表明:(1)传统仪器布设方法所获取的数据,相对误差高于基于ASM-IV所测误差,在大、中及小潮期间的平均误差值分别为24.15%、17.31%和16.18%;越靠近底部河床,相对误差从距底52 cm向下随距底距离的减小而逐渐增大;(2)对于近底层单宽悬沙通量测量结果而言,传统测量仪器布设方法所测量数值一般偏小;(3)大潮时期近底层1 m内的水体悬沙分布均匀,分层不明显;在中、小潮时期,与近底层1 m内平均悬沙浓度相差最大的点皆位于距底20~50 cm附近。因而,近底层悬沙浓度测量时间在大潮时期或越靠近底层,利用ASM-IV监测近底层悬沙浓度值更为准确。中、小潮时期利用单点或采集水样测量时,选取0.8H层水体悬沙浓度代替近底层悬沙浓度较最底部水体悬沙浓度更为准确。     

悬浮泥沙浓度遥感反演模型研究

对实验室固定粒径的悬浮泥沙水体的反射率光谱特征进行了分析,选取反射率的敏感波段,建立了遥感反射率和悬浮泥沙浓度的遥感反演模型;同时,又利用野外现场实测的光谱反射率和悬浮泥沙中值粒径,建立受粒径影响的悬浮泥沙浓度反演模型。结果表明,主成分模型的反演效果最好,其次是幂指数模型,而线性模型的反演效果较差。     

水体悬沙浓度连续测量技术研究综述

水体悬沙浓度是水利、环境、河口海岸与海洋相关研究领域最为基础的数据需求之一。随着传感器技术的发展, 悬沙浓度连续测量技术在悬沙浓度测量领域表现出高时空分辨率、长期数据采集的成本和风险均较低的突出优点。本文综述了光学、声学、音叉谐振、压差和放射性射线衰减等原理用于悬沙浓度连续测量技术的相关研究进展, 探讨了各技术方法的优、缺点, 并提出了今后的研发重点和发展方向主要在以下几个方面: 1) 光后向散射原理是低成本、小型化和高时频测量悬沙浓度的最优技术路线, 需着力于开展量程扩增和粒径敏感度削弱研究; 2) 低不确定度悬沙浓度垂向剖面观测的实现依赖于超声后向散射原理技术路线的发展; 3) 音叉谐振原理技术路线尤为契合高含沙水流和浮泥工况下的超高量程应用场景; 4) 多技术路线传感器融合以及使用人工智能算法模型替代正向反演模型。     

渤海湾泥质区南部悬浮体夏季输运过程与机制

为了解渤海湾泥质区南部近岸及毗邻海域夏季悬浮体输运格局,分别在湾内、湾口、湾口外和黄河口外NE向剖面处设置站位,进行25 h海流、温盐连续观测及悬浮体浓度（SSC）测定。结果显示,高温淡水以羽状流的方式自近岸向渤海中部传输,高浊度悬浮体多出现在涨急和落急的流速较高时期,较高的SSC值多出现在距底5 m水深范围,其中湾内和湾口两站的底层SSC值最高,分别可达约130 和80 mg/L,黄河口外NE向剖面20 m以深海域SSC值最小,均低于40 mg/L。单宽输沙率具有潮周期性特点：湾内A1站涨潮和涨平期以向湾内近岸输沙为主,落潮和落平期以向湾外输沙为主,潮平均单宽输沙率为7.8 g·m−1·s−1,方向为280°;湾口A2站涨落潮流输沙方向相反,整体以SE向朝湾外近岸输沙为主,潮平均单宽输沙率为7.2 g·m−1·s−1,方向为328°。湾外A3站涨潮和涨平时期输沙方向基本相反,大小相当,落潮和落平时期输沙方向以偏E和偏NE向为主,潮平均单宽输沙率为4.7 g·m−1·s−1,方向为77°。黄河口SE向的两个站位涨潮时输沙偏SE向,涨平时输沙偏NW向,落潮时输沙偏NW向,落平时输沙偏N向和偏NE向,两站的潮平均单宽输沙率方向以偏N向为主,A4站的潮平均单宽输沙率为5.2 g·m−1·s−1,方向为94°,A5站潮平均单宽输沙率为7.7 g·m−1·s−1,方向为102°。潮平均单宽输沙率以拉格朗日输沙贡献最显著,在湾口泥质区南部和东南部水深15～25 m的海域,垂向净环流的影响较大,有抵消一部分拉格朗日输沙率的作用,且对潮平均单宽输沙率的影响比湾内和25 m以深海域的大,其他分量数量级较小,对潮平均单宽输沙率贡献较小。水体以混合为主,水体层化程度加强对各站位悬浮体输运均有一定的抑制作用。     

声学悬浮泥沙观测数据现场定标研究

用声学设备探测水体中悬浮泥沙浓度及其变化的关键问题是对观测数据进行标定。通过分析在长江口海域现场观测得到的声学后向散射强度数据和水样泥沙实测值,提出了三种将声学观测数据转换为泥沙浓度的现场标定方法。结果表明,采用特征时刻标定所得数据与实际值相比离散性较小,统计误差约为20%.该方法比同步采水标定更为简便实用。     

庙岛海峡周边海域表层沉积物再悬浮及悬浮泥沙输运机制

根据实测水文泥沙资料,利用悬浮泥沙沉降公式、泥沙起动流速公式、再悬浮通量与沉降通量公式以及通量机制分解方法,分析了庙岛海峡周边海域的悬浮泥沙时空分布和变化特征,计算了再悬浮通量、沉降通量、单宽悬浮泥沙输运量,探讨了表层沉积物再悬浮和悬浮泥沙运移特征及动力机制。结果表明,悬浮泥沙浓度周期变化与潮流流速周期变化具有较好的相关性,底层悬沙浓度变化对高流速的响应比较明显,表层悬沙浓度变化对低流速响应比较明显;悬浮泥沙单颗粒沉降现象不明显,除庙岛海峡外其他海域较适合悬浮泥沙絮凝沉降,并以中、底层絮凝沉降为主,且表现出自表层至底层絮凝沉降作用逐渐加强趋势;表层沉积物再悬浮对近岸浅水区、庙岛群岛周边海域水体悬浮泥沙浓度的影响显著于其他海域;悬浮泥沙输运整体以平流输运为主,垂向净环流为辅,庙岛海峡南侧向黄海输沙、北侧向渤海输沙,二者同时进行,悬浮泥沙净输运主要由水道向两侧浅滩。     

崎头洋附近群岛水域泥沙特征及悬沙来源分析

依据实测水文泥沙资料分析舟山群岛南部崎头洋附近海域的悬沙与底沙特征,建立该水域二维潮流数学模型,同时根据底沙及悬沙的粒径分布和潮流的运动路径对该海域的悬沙来源做进一步分析.指出崎头洋附近群岛海域的悬沙除部分来源于潮汐动力作用下的底沙起动再悬浮之外,主要是杭州湾附近灰鳖洋水域的泥沙在潮汐动力作用下经群岛西北方向水道进入群岛内部水域的,进而在潮动力作用下经由东南方向水道进入东海及象山港附近水域.     

近岸悬沙垂线分布多元线性回归分析

许多学者在研究河口近岸水域时常采用扩散理论Rouse方程描述泥沙垂线分布规律,本文结合该方程成立的几个主要假设,分析该方程在近岸地区的适用性.在传统的Rouse分布基础上借助Rouse方程的线性形式以及近岸泥沙的输运特性,选取了ln z/h,ln ca,ca,u,ln u,z/h等6个变量作为自变量,采用多元线性回归的...     

南海北部湾表层悬浮体分布规律

受实测数据海域位置的限制,目前基于遥感手段对北部湾表层悬浮体的研究,在部分海域如海湾西部精度不高,且缺乏对悬浮体浓度（suspended sediment concentration,SSC）季节变化的研究。基于2003—2017年MODIS-Aqua卫星L1B数据,结合海南岛西部、广西沿岸和越南沿岸实测数据,建立表层SSC的反演模型,获得北部湾海域2003—2017年月均表层SSC分布,并对其影响因素进行初步探讨。结果显示：北部湾表层SSC存在3个终年高值区,包括广西沿岸、海南岛西侧和红河三角洲沿岸;受河流输沙和海洋动力季节变化影响,SSC表现为冬季和夏季较高、春季最低的季节变化特征;热带气旋过境导致北部湾海域SSC增高,其中热带风暴“贝碧嘉”过境时位于路径右侧的雷州半岛西部SSC较多年平均值增幅达75%。     

基于电导率测定海水悬沙含量试验研究

为了寻求一种简单、快速、连续确定悬浮泥沙含量的方法,以高含沙量海区黄河口泥沙为研究对象,利用电导率仪测定了不同悬浮泥沙含量水体的电导率,建立起了悬浮泥沙含量与电导率之间的关系,并对影响上述关系的因素进行了分析,结果表明,悬浮泥沙含量与电导率之间有很好的线性关系;盐度、颗粒粒径对电导率具有一定的影响,其中盐度的影响最大,颗粒粒径的影响较小。在盐度变化范围有限的高悬沙含量海区,用电导率的方法来实现现场监测悬浮泥沙含量是可行的。     

长江口北支悬沙浓度及输移的时空变化

本文基于4次洪枯季同步水文观测资料,着重分析了长江口北支悬沙浓度的潮周期变化、垂向分布、纵向分布和悬沙输移及其时空差异。研究结果显示,悬沙浓度的潮周期变化过程在大中潮期以M型(双峰型)为主,下段主槽内在大潮期多出现V型,上段在枯季可出现涨潮单峰型;小潮期可出现无峰、单峰或双峰型。涨、落潮悬沙浓度峰值及均值,在枯季多涨潮大于落潮,洪季中小潮特别是小潮期易出现落潮大于涨潮;下段主槽内在大潮期易出现落潮大于涨潮。悬沙浓度的垂向分布及其变化特点,在大中潮期与悬沙的潮周期变化型式有关,其中M型存在显著的洪枯季差异。纵向上,最高悬沙浓度在枯季出现于中段灵甸港至三和港之间及附近河段,洪季则在下段三条港附近。潮周期悬沙净输移,枯季大多向陆特别是大中潮期,洪季中上段大多向海,下段大潮期多向陆、中小潮易出现向海;下段主槽内在大潮期易出现向海。     

基于浊度计和ADCP的悬沙浓度估计与分析

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。     

长江口北槽口外悬沙浓度垂线分布的数学模拟

利用垂向一维悬沙运动模型,对长江口北槽口外大、小潮悬沙浓度垂线分布进行模拟,模拟结果同“六点法”实测值拟合较好,表明影响悬沙浓度垂线分布的主要因素为悬沙垂向扩散及絮凝沉降作用。