聲學(xué)光學(xué)法泥沙濃度觀測的對比研究*

胡　捷，徐繼尚，牛建偉，董　平，秦寬寬

(中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

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聲學(xué)光學(xué)法泥沙濃度觀測的對比研究*

胡捷，徐繼尚，牛建偉，董平*，秦寬寬

(中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

摘要：根據(jù)光學(xué)后散射傳感器(Optical Backscatter Sensor，OBS)和聲學(xué)后散射傳感器(Acoustic Backscatting Sensor，ABS)估算懸浮沉積物質(zhì)量濃度(Suspended sediment concentration，SSC)的原理，在水槽實(shí)驗(yàn)室不同波況產(chǎn)生較高懸浮沉積物質(zhì)量濃度的條件下運(yùn)用OBS儀器ASM-IV(激光邊界層泥沙剖面儀)和ABS儀器AQUAscat1000(多頻聲學(xué)懸沙剖面儀)觀測并記錄數(shù)據(jù)。然后用水槽實(shí)驗(yàn)抽取的水樣標(biāo)定光學(xué)和聲學(xué)儀器，反演得到高精度的垂向泥沙濃度分布剖面。結(jié)果表明，OBS儀器ASM-IV上的不同光學(xué)探頭測得的濁度與SSC可以用同一個(gè)線性關(guān)系描述，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.996，進(jìn)而能夠高精度(垂向間距1 cm)地反演垂向的SSC剖面；對于本組水槽實(shí)驗(yàn)的粉土底質(zhì)和不同的波況而言，聲學(xué)儀器比光學(xué)儀器的量測精度低；不同頻率聲學(xué)儀器換能器的量測值可相差幾個(gè)數(shù)量級，不同波況條件下的聲學(xué)儀器反演值與實(shí)測SSC的相關(guān)性系數(shù)在0.716～0.974變化。

關(guān)鍵詞：連續(xù)OBS；多頻ABS；SSC；垂向剖面

海底沉積物或水體泥沙在多種外力作用下存在著再懸浮和沉降的動(dòng)力過程，而能否準(zhǔn)確測量泥沙或沉積物的相關(guān)參數(shù)對于評估海洋初級生產(chǎn)過程、港口航道的淤積、石油及通信管線安全、海上開發(fā)平臺安全等涉及海底邊界層泥沙輸運(yùn)過程有很大影響。海水中懸浮沉積物濃度是最基礎(chǔ)而又關(guān)鍵的參數(shù)，因此對水體泥沙濃度的準(zhǔn)確量化的研究，對于上述領(lǐng)域都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，研究懸浮沉積物質(zhì)量濃度的方法主要有兩類，即傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法[1]。傳統(tǒng)方法是現(xiàn)場取水(三點(diǎn)或六點(diǎn)法)，然后對水樣進(jìn)行抽濾、稱重、計(jì)算懸沙質(zhì)量濃度，該方法是最準(zhǔn)確的方法，但僅能得到某幾層深度、較大時(shí)間間隔的SSC數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代方法是利用光學(xué)與聲學(xué)等傳感器間接觀測懸浮沉積物質(zhì)量濃度，其特點(diǎn)是效率高，連續(xù)采集，范圍廣，可獲得具有較高時(shí)空分辨率的SSC信息。光學(xué)法主要通過OBS實(shí)現(xiàn)，聲學(xué)方法主要通過ABS實(shí)現(xiàn)。光學(xué)法通過接收紅外輻射光的散射量監(jiān)測懸浮物質(zhì)，然后通過相關(guān)分析，建立水體濁度與顆粒物質(zhì)量濃度的相關(guān)關(guān)系,得到其他SSC值。聲學(xué)法則通過測量水體內(nèi)從一定剖面由泥沙或其他懸浮顆粒反射回來的聲學(xué)信號來反演計(jì)算SSC。

自1980年以來，海洋學(xué)和水力學(xué)的研究者利用聲學(xué)法和光學(xué)法對河口近底邊界層的細(xì)顆粒泥沙過程進(jìn)行了大量現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究。Sternberg等[2]通過采用OBS測定泥沙質(zhì)量濃度研究了舊金山灣河口底部邊界層的懸沙輸移。Lyon等[3]利用一個(gè)3 MHz的ABS裝置觀測了長島海峽中部水下邊界層底部1 m范圍內(nèi)的SSC垂線分布并以此進(jìn)一步研究了水下邊界層沉積動(dòng)力過程。Hess和Bedford[4]介紹了一種自容式的ABS系統(tǒng),并且利用該儀器成功獲取了海洋底邊界層(Benthic Boundary Layer,BBL)的懸浮顆粒質(zhì)量濃度剖面數(shù)據(jù)。Szupiany等[5]在河流環(huán)境下利用 ADCP進(jìn)行了大量的走航式SSC剖面測量。時(shí)鐘和凌鴻烈[6]利用ASSM對長江口的懸沙進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,獲得了在不同潮沙環(huán)境下的典型SSC剖面數(shù)據(jù)。汪亞平等[7]利用300 kHz ADCP在膠州灣等海域進(jìn)行了走航式斷面觀測，獲得測量SSC等。薛元忠等[8]對OBS的測量原理及校正進(jìn)行了探討。王元葉[9]和徐俊杰[10]利用光學(xué)和聲學(xué)測量儀器組建了近底四角架觀測系統(tǒng)，以長江口為主要研究區(qū)域，研究其近底水流結(jié)構(gòu)特征和泥沙交換過程，并探討了航道集中回淤機(jī)制。

然而，以往的研究很少見到用OBS觀測垂向上連續(xù)的SSC剖面，多是用1～4個(gè)點(diǎn)式OBS，測得上、中、下層位的懸浮物質(zhì)量濃度。由于濃度變化不連續(xù)，無法準(zhǔn)確推算沉降速度或者湍流等對懸浮物質(zhì)量濃度變化的影響。聲學(xué)法多是用單頻聲強(qiáng)信號反演SSC，缺乏多頻率之間的對比。更值得注意的是過去的研究往往只采用單一的光學(xué)法或者聲學(xué)法，缺少將二者用于同一懸沙區(qū)域的對比研究。本研究采用先進(jìn)的連續(xù)多點(diǎn)式OBS儀器和多頻ABS儀器作為數(shù)據(jù)采集裝置，在波浪條件可控、泥沙顆粒特性已知、多系統(tǒng)獨(dú)立觀測的室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，結(jié)合傳統(tǒng)的采水法，對OBS儀器進(jìn)行標(biāo)定，對ABS儀器的聲強(qiáng)信號進(jìn)行標(biāo)定，然后得到這兩種方法的SSC與采水抽濾的SSC之間的相關(guān)關(guān)系，并對最大和最小兩種波況不同取水時(shí)間的垂向上的SSC剖面進(jìn)行對比和分析，可為以后相關(guān)工程應(yīng)用和科學(xué)研究提供一定的參考。

1材料與方法

1.1室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的水槽由中國海洋大學(xué)海洋工程實(shí)驗(yàn)室提供，水槽尺寸長60 m、寬3 m、高1.5 m，水槽底沙坑尺寸長2.57 m、寬2.77 m、深0.50 m，相對于以往其他所用的水槽的尺寸，特別是寬度要大很多，減少了實(shí)驗(yàn)中的邊壁影響。在沙坑上面儀器布設(shè)如圖1所示。

OBS儀器為德國Argus公司生產(chǎn)的ASM-IV，基于嵌入到不銹鋼(鈦)桿當(dāng)中的OBS進(jìn)行工作，傳感器每隔1 cm固定在一個(gè)放射板上，共96個(gè)探頭；ABS儀器為英國Aquatec公司AQUAscat1000泥沙濃度剖面儀，有4個(gè)可以收發(fā)射高頻聲信號的換能器(1,2,4和0.5 MHz)，4個(gè)換能器均是垂直發(fā)射，可以用于監(jiān)測底床與換能器之間水體中的懸浮顆粒的情況。儀器設(shè)置參數(shù)見表1。

圖1　水槽實(shí)驗(yàn)儀器布置圖Fig.1　Instrument arrangement for the flume experiment

儀 器距底高度/cm采樣頻率/Hz垂向測量分層間隔/cm工作時(shí)間/minASM-IV011156AQUAscat10003881156

本組水槽實(shí)驗(yàn)采用的粉土取自黃河口東營港，粉土中值粒徑約為37 μm。將粉土?xí)窀蛇^篩，加定量的水?dāng)嚢杈鶆?，填入沙坑，高度與水槽底部平齊，在造波之前固結(jié)9～10 d。實(shí)驗(yàn)水深50 cm，波浪周期T=1.5 s，波高由小到大(10,14和18 cm)依次加載，每次波浪持續(xù)作用時(shí)間約為21 min。在每一波況條件下取8次水樣，取水時(shí)間分別為：波浪開始3,6,9,12,17和21 min，以及波浪停止后3和6 min。

1.2OBS標(biāo)定

圖2　懸浮顆粒物質(zhì)量濃度與OBS 輸出值的關(guān)系[11]Fig.2　Relationship between the SSC and the OBS outpust[11]

Kineke等[11]指出, SSC與OBS輸出值之間存在3個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū): 線性區(qū)、飽和區(qū)以及顆粒屏蔽區(qū)(如圖2所示)。線性區(qū)SSC為0～10 kg/m3;飽和區(qū)SSC為10～30 kg/m3,當(dāng)達(dá)到20 kg/m3時(shí),OBS輸出達(dá)到飽和,輸出值也達(dá)到最大值;當(dāng)SSC高達(dá)30～300 kg/m3時(shí),顆粒屏蔽效應(yīng)占主導(dǎo)。

實(shí)測數(shù)據(jù)表明，在本次實(shí)驗(yàn)中SSC值是小于10 kg/m3的，SSC與濁度之間是屬于線性關(guān)系的，所以應(yīng)該采用線性區(qū)的響應(yīng)曲線。用線性回歸標(biāo)定的方法可將OBS輸出值(NTU)轉(zhuǎn)化為SSC值:

SSC=AX+B，

(1)

式中，SSC為懸浮泥沙濃度值；X為OBS輸出值(NTU)；A、B為回歸系數(shù)。

ASM-IV觀測得到的數(shù)值是水體懸浮顆粒濁度值，需要經(jīng)過標(biāo)定才能得到實(shí)際SSC。懸沙標(biāo)定采用了標(biāo)定池和水槽實(shí)驗(yàn)標(biāo)定兩種方法。標(biāo)定池標(biāo)定是先在標(biāo)定池選定2～3個(gè)不同深度，固定軟管，并計(jì)算出軟管出水口對應(yīng)的ASM-IV上對應(yīng)的探頭序號。然后在標(biāo)定池內(nèi)加入清水到預(yù)定水位，在把實(shí)驗(yàn)粉土分多次加入清水中，并不斷攪動(dòng)，SSC也相應(yīng)逐漸由小變大直至攪拌均勻。將ASM-IV(測量間隔為1 s)放入標(biāo)定池，探頭發(fā)射板一側(cè)對著取水軟管口方向，開啟記錄。同時(shí)利用虹吸原理通過軟管抽取一段時(shí)間的水樣，記下開始結(jié)束時(shí)間，取出ASM-IV。然后再加入適量粉土，攪拌均勻，重復(fù)上述步驟。通過抽濾實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到懸浮沉積物質(zhì)量濃度。

把得到的每一組的濁度算術(shù)平均值與相對應(yīng)的每一組懸浮沉積物質(zhì)量濃度值進(jìn)行線性回歸，得到OBS室內(nèi)標(biāo)定曲線。水槽實(shí)驗(yàn)標(biāo)定是基于量測的波浪引起的懸沙，對每一次取水時(shí)間采集的水樣SSC與ASM-IV現(xiàn)場同步記錄的濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，從而得到水槽實(shí)驗(yàn)標(biāo)定曲線。

1.3ABS直接校準(zhǔn)

懸浮沉積物的聲學(xué)測量原理是源散射強(qiáng)度的大小與散射水體中懸浮沉積物質(zhì)量濃度的大小成正比(Thorne[11])。聲學(xué)儀器所發(fā)射的聲波在水中傳播時(shí)由于球面擴(kuò)散以及介質(zhì)吸收,會造成能量衰減,因此在計(jì)算源散射強(qiáng)度時(shí),必須考慮聲波的幾何衰減和吸收衰減按式(2)進(jìn)行修正(Urick[13]) :

(2)

式中,EL為源散射強(qiáng)度；E為ADCP記錄的回聲強(qiáng)度；Er為噪聲強(qiáng)度；R為懸浮沉積物散射體沿?fù)Q能器波束方向離接收換能器表面的距離；C為與發(fā)射接收換能器系統(tǒng)以及聲散射體物理特性有關(guān)的系數(shù)。通常情況下,對于給定的工作模式,與聲換能器系統(tǒng)相關(guān)的物理量不隨時(shí)間變化,可以看作是常量。當(dāng)聲散射體物理特性也不隨時(shí)空變時(shí),C也可以看作常數(shù)。αt=αw+αs為海水中總的聲波吸收系數(shù),式中αw為海水對聲波的吸收系數(shù),可以由以下經(jīng)驗(yàn)公式確定(Fisher等[14]):

(3)

AQUAscat1000觀測得到的是不同頻率(1,2,4和0.5 MHz)聲學(xué)反向散射回波強(qiáng)度值，為了確定懸浮沉積物濃度，還需要每一種波況下的有效水樣信息(水樣質(zhì)量濃度、水樣距離探頭的距離以及采取水樣的時(shí)間)等。平均粒徑、粒徑分布曲線等粒徑信息通過Mastersizer3000激光粒度儀分析水樣獲得，水樣質(zhì)量濃度通過抽濾實(shí)驗(yàn)獲得。

2結(jié)果

2.1ASM-IV 室內(nèi)標(biāo)定池和水槽實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果

為了探究ASM-IV上不同光學(xué)探頭的濁度值與SSC值之間相關(guān)關(guān)系的差異，分別選取了52號探頭和72號探頭進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。ASM-IV的室內(nèi)標(biāo)定質(zhì)量濃度和濁度的相關(guān)關(guān)系如圖3所示。

結(jié)果表明，52和72號探頭的濁度值與SSC之間的相關(guān)性系數(shù)分別為R=0.999 4和R=0.995 6。這些單個(gè)探頭所測濁度值與SSC值之間存在很高的線性關(guān)系，表明ASM-IV的數(shù)據(jù)可以用來高精度地反演水體懸浮沉積物濃度。從圖3還可以看出不同探頭得到的濁度值與SSC值之間也存在很好的相關(guān)性，52和72號探頭濁度數(shù)據(jù)與SSC值整體相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.995 5。雖然不同的OBS光學(xué)探頭在性能參數(shù)上可能存在細(xì)微差異，但每一件ASN-IV在出廠的時(shí)候都進(jìn)行過專門的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，各探頭之間的輸出值具有很好的一致性。因此某一個(gè)探頭的標(biāo)定曲線即可用來確定其他探頭濁度值和SSC值之間的相關(guān)關(guān)系。

圖3　ASM-IV 室內(nèi)標(biāo)定池52號和72號探頭濁度與SSC線性擬合曲線Fig.3　Linear fitting curve between the turbidity and the SSC measured with No.52 and No.72 probes of ASM-IV in the calibration pool of the lab

水槽實(shí)驗(yàn)ASM-IV測得的濁度值標(biāo)定結(jié)果如圖4所示，濁度值與SSC的線性關(guān)系式：

SSC=4.470 6X-0.709 4，

(5)

式中，X為濁度。

2.2AQUAscat1000標(biāo)定結(jié)果

水樣的泥沙信息在聲強(qiáng)反演SSC中必不可少。為此對實(shí)驗(yàn)的3種波況，分別取了在波浪作用過程中的3個(gè)典型水樣進(jìn)行抽濾實(shí)驗(yàn)、激光粒度實(shí)驗(yàn)和相關(guān)計(jì)算，得到主要參數(shù)如表2所示。

表2　水樣相關(guān)參數(shù)

為了便于表述，將其4個(gè)頻率換能器分別編號為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ，Ⅰ(3)和Ⅰ(1)分別代表Ⅰ號換能器在取水樣高度上下3 cm范圍內(nèi)(3層數(shù)據(jù))平均濃度值和Ⅰ號換能器在取水樣高度1 cm范圍(1層數(shù)據(jù))內(nèi)平均濃度值。對3種波況下4個(gè)換能器接收的聲強(qiáng)信號，進(jìn)行直接校準(zhǔn)，得到的濃度值，與水槽實(shí)驗(yàn)實(shí)測濃度值進(jìn)行相關(guān)度計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3　AQUAscat1000聲強(qiáng)直接反演結(jié)果

注：“/”處表示無數(shù)據(jù)

對于結(jié)果中Ⅳ號換能器處理得到的懸浮沉積物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，在10 cm波高條件下數(shù)量級為10-4g/L，在14 cm波高條件下數(shù)量級為10-9g/L，在18 cm波高條件下數(shù)量級為1 g/L，數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍過大，不適合用來作線性回歸分析，因此Ⅳ號換能器(0.5 MHz)頻率不能用來反演本組實(shí)驗(yàn)條件下的的SSC值。通過表中的其它數(shù)據(jù)還可以得出如下結(jié)論：

1)在較高SSC(最大可達(dá)10 g/L)環(huán)境條件下，Ⅰ號換能器(1 MHz)的得到的懸浮沉積物質(zhì)量濃度值是這4個(gè)頻率換能器中最好的，相關(guān)性系數(shù)在0.716～0.974，總體相關(guān)性系數(shù)為0.926。

2)對于在處理聲學(xué)反演數(shù)據(jù)與實(shí)測SSC值時(shí)，除了18 cm波高條件下Ⅰ(3)與實(shí)測SSC值相關(guān)性系數(shù)略小于Ⅰ(1)，其他10，14和18 cm波高條件下Ⅰ(3),Ⅱ(3)和Ⅲ(3)與實(shí)測SSC值的相關(guān)系數(shù)均大于Ⅰ(1)，Ⅱ(1)和Ⅲ(1)。因此在做AQUAscat1000聲強(qiáng)反演SSC值線性回歸曲線時(shí)僅需要在取水口附近上下3 cm(3層)的數(shù)據(jù)取個(gè)平均值，原因是取水器入口的直徑為1 cm，但抽取的水樣可以來自其附近上下層的水體。

3)基于以上分析，取Ⅰ(3)的聲強(qiáng)反演SSC數(shù)據(jù)和實(shí)測SSC進(jìn)行了對比，如圖5所示。通過線性回歸擬合的兩者關(guān)系線為：

實(shí)測SSC=0.364 3·Ⅰ(3)SSC+0.267 6。

(6)

圖5　實(shí)測SSC與I(3)反演SSC值的線性擬合曲線Fig.5　The linear fitting curve between the measured and the I(3) inverted SSC values

2.3OBS和ABS所測的垂向濃度剖面對比

水槽實(shí)驗(yàn)靜止水深為50 cm，聲學(xué)儀器的安裝高度是距底38 cm，減去聲學(xué)儀器探頭端的盲區(qū)5 cm后每個(gè)垂向上的剖面為底床到距底床33 cm的區(qū)域，為了便于對比，OBS數(shù)據(jù)也選取底床到距底床33 cm的區(qū)域。

圖6 10 cm波況條件下8個(gè)取水時(shí)間內(nèi)OBS和ABS反演的垂向SSC剖面Fig.6　Eight vertical SSC profiles inverted by using the ABS and the OBS data obtained under the condition of a 10 cm wave height

選取10和18 cm波高條件下的全部取水時(shí)間點(diǎn)(共16個(gè))所對應(yīng)的OBS和ABS數(shù)據(jù)，反演出垂向上的SSC剖面，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出在垂向上SSC大體上是呈近底高，往上遞減的趨勢，而且近底層的濃度梯度比上部水體要大得多，說明兩種方法都可以反映SSC垂向分布的大體規(guī)律。

從圖6可以看出據(jù)底床1 cm的SSC值最大可達(dá)6.6 g/L，OBS與ABS反演的SSC值在垂向上普遍有1～2個(gè)交點(diǎn)，在造波3，6，9和12 min以及在造波停止3和6 min，有1個(gè)交點(diǎn)，大致在距底底床10 cm處，在交點(diǎn)以上部分ABS反演SSC值比OBS反演濃度值大，在交點(diǎn)以下部分則相反；在造波17和21 min，有兩個(gè)交點(diǎn)，大致在距底床6 cm處和距底床1 cm處，在距底床6 cm以上ABS反演的SSC值大于OBS反演值，在底床1～6 cm，ABS反演的SSC值小于OBS反演值，在距底1 cm處ABS反演的SSC值又大于OBS反演濃度值。從圖中還可以看出聲學(xué)儀器反演得到的結(jié)果比光學(xué)反演結(jié)果明顯離散，而且會有一些突變值。

圖7　18 cm波高條件下8個(gè)取水時(shí)間內(nèi)OBS和ABS反演的垂向SSC剖面Fig.7　Eight vertical SSC profiles inverted by using the OBS and the ABS data obtained under the condition of a 18 cm wave height

從圖7可以看出在18 cm波況條件下，距底床1 cm處的SSC值最大可達(dá)9 g/L，在造波3 min時(shí)，靠近底床4～12 cm ABS反演的SSC值小于OBS反演值，其他位置ABS反演的SSC值大于OBS反演值；在造波6 min時(shí)，靠近底床3～6 cm ABS反演的SSC值小于OBS反演值，比造波3 min時(shí)的這一區(qū)域要小很多；在造波9，12，17和21 min，在整個(gè)垂向剖面上ABS反演的SSC值均大于OBS反演值；造波停止后3 min，兩種方法反演SSC值大致在4 cm處有個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)以上部分ABS反演的SSC值大于OBS反演值，交點(diǎn)以下則相反；造波停止后6 min，除了最靠近底層數(shù)據(jù)差異較大以外，其他數(shù)據(jù)均比較接近。

對于在比較高懸浮沉積物質(zhì)量濃度的環(huán)境下如何準(zhǔn)確地得到聲學(xué)反演的SSC一直是個(gè)公認(rèn)的難題。本文的主要目的是通過OBS和ABS兩種測量懸浮沉積物質(zhì)量濃度儀器，在各自率定的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室量測不同波高條件下的懸浮沉積物質(zhì)量濃度，給出了不同波高條件下實(shí)驗(yàn)水槽斷面垂線懸浮沉積物質(zhì)量濃度剖面，并對基于不同原理(光學(xué)和聲學(xué))的兩種測量儀器的測量結(jié)果進(jìn)行了初步的對比。至于ABS反演結(jié)果為什么抖動(dòng)大，這需要從水聲原理以及能量耗散等方面做進(jìn)一步地深入研究。

對比以及總結(jié)以上2種波況條件下ABS反演的SSC值與OBS反演質(zhì)量濃度值的關(guān)系，可以得出以下結(jié)論：

1)在水動(dòng)力條件比較弱、波浪作用時(shí)間比較短的情況下，ABS反演的SSC值與OBS反演SSC值比較接近；

2)對比波高10和18 cm兩種情況，在水體中SSC整體較小(小于1 g/L，濁度值240 NTU)的情況下，兩種方法得到的SSC值相對比較接近；

3)波浪作用時(shí)間越長，波高越大的情況下ABS反演SSC值與OBS反演值相差越大，其原因可能是波浪作用強(qiáng)烈導(dǎo)致水體中SSC變大。在實(shí)際操作中，在濃度梯度以及SSC較大的水體中不同層位多取幾個(gè)標(biāo)定水樣，對這一區(qū)域的OBS，特別是ABS數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理，或者對相關(guān)的聲學(xué)算法進(jìn)行改進(jìn)。

3結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)在不同波況、較高SSC(實(shí)測最高可達(dá)9 g/L)的條件下，通過連續(xù)多點(diǎn)式OBS儀器(ASM-IV)和多頻ABS儀器(AQUAscat1000)對SSC進(jìn)行小范圍高精度的觀測研究，得出如下結(jié)論：

1)OBS儀器ASM-IV上的不同光學(xué)探頭的濁度與SSC可以共用同一個(gè)線性相關(guān)關(guān)系；在水槽實(shí)驗(yàn)中，OBS的濁度值與實(shí)測SSC值的相關(guān)系數(shù)為0.960 9，略低于室內(nèi)標(biāo)定池中測定的相關(guān)性系數(shù)0.996，但依然很高，能夠高精度地反演垂向SSC剖面。

2)在采用的實(shí)驗(yàn)粉土以及波況條件下，ABS儀器的4個(gè)頻率換能器中，1 MHz的換能器所測得的聲強(qiáng)數(shù)據(jù)反演濃度值與實(shí)測SSC值相關(guān)性最好，總體相關(guān)系數(shù)約為0.93；0.5 MHz的換能器所測得的聲強(qiáng)數(shù)據(jù)反演濃度值與實(shí)測SSC值相差非常大，相差幾個(gè)數(shù)量級。

3)在對ABS反演的SSC值與OBS反演值的垂向懸浮沉積物質(zhì)量濃度剖面進(jìn)行對比時(shí)發(fā)現(xiàn)：只有在水動(dòng)力條件比較弱、波浪作用時(shí)間比較短的情況下，ABS反演的SSC值與OBS反演SSC值比較接近；反之，ABS反演結(jié)果比OBS結(jié)果大，且比較離散。

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A Comparative Study of Suspended Sediment Concentrations Observed With Acoustic and Optical Methods

HU Jie, XU Ji-shang, NIU Jian-wei, DONG ping, QIN Kuan-kuan

(CollegeofMarineGeosciences,OceanUniversityofChina, Qingdao 266100,China)

Abstract:Based on the principle of the estimation of suspended sediment concentration(SSC) by using optical backscatter sensor(OBS) and acoustic backscatter sensor(ABS), the suspended sediment concentrations have been measured and recorded by using OBS instrument ASM-IV and ABS instrument AQUAscat1000 under the conditions of high sediment concentration and different wave conditions in a water flume lab. Both the OBS and the ABS measurements are first calibrated with the water samples collected during the water flume experiments and then inverted to obtain the vertical SSC profiles with high accuracy. The results show that the turbidity and the SSC determined with different optical probes of ASM-IV can be described with the same linear relationship, with a correlation coefficient being as high as 0.996, indicating that the vertical SSC profile can possibly be inverted with a high accuracy (vertical interval 1cm). For the silty bottom and wave conditions in the present flume experiment, the detection accuracy is lower with the ABS instrument than with the OBS instrument. The values measured by using the acoustic transducers with different frequencies can vary over several orders of magnitude, and the correlation coefficients between the inverted and the measured SSC values vary from 0.716 to 0.974.

Key words:multi OBS array; multi-frequency ABS; SSC; vertical SSC profile

中圖分類號：P733.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.01.005

作者簡介：胡捷(1990-)，男，碩士研究生，主要從事河口海岸泥沙運(yùn)動(dòng)研究與應(yīng)用.E-mail: 707651853@qq.com*通訊作者：董平(1958-)，博士研究生導(dǎo)師，主要從事海洋泥沙動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過程、海岸動(dòng)力地貌演變預(yù)報(bào)和海岸防護(hù)工程等領(lǐng)域方面的研究. E-mail: p.dong@dundee.ac.uk(李燕編輯)

收稿日期：2015-11-16

文章編號：1002-3682(2016)01-0047-11

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——波浪水流聯(lián)合作用下粉土海床液化和泥沙運(yùn)動(dòng)耦合動(dòng)力過程(51479182)