ASM-IV儀器在河口近底層懸沙濃度觀測分析中的應(yīng)用研究

周曉妍，戴志軍，龐文鴻，李為華

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062)

高濁度河口的泥沙起動、輸運及沉降與近底層水體懸沙濃度的變化密切相關(guān)。研究河口近底層水體的懸沙濃度直接關(guān)系到河勢演化、河槽沖淤以及河道疏浚。然而河口近底層水體的懸沙濃度存在明顯的垂向梯度，以長江口南槽為例，距河槽底部不到1 m的垂向距離，懸沙濃度最大可相差15倍[1]。因此，如何利用觀測手段或儀器以獲得近底層水體的高精度垂向懸沙濃度對于理解河口區(qū)泥沙輸移及地貌變化等具有重要意義[2-3]。

當(dāng)前對河口水體垂向懸沙濃度的觀測主要基于傳統(tǒng)的“六點法”[4]?！傲c法”即基于整點時刻，在表層、相對水深0.2H、0.4H、0.6H、0.8H與底部分別采集水樣，隨后通過過濾、烘干以及稱重等步驟，最終得出不同層位水深的水體中懸沙濃度的變化。近底層水體懸沙濃度通常以0.8H至底部測量數(shù)據(jù)作為表征。為獲取瞬時高精度剖面水沙數(shù)據(jù)，聲學(xué)儀器被研制以監(jiān)測水體垂向懸沙濃度，如聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profile，ADCP)和聲學(xué)多普勒點流速儀(Acoustic Doppler Velocimetry，ADV)。然而該類儀器大多適用于低濃度非粘性泥沙及石英質(zhì)床面環(huán)境下懸沙濃度的測量[5]。Salehi等(2010)進行的關(guān)于回聲強度與泥沙濃度的實驗表明當(dāng)懸沙濃度小于3.2 g/dm3時，回聲強度與濃度的對數(shù)呈線性遞增關(guān)系；當(dāng)濃度值大于3.2 g/dm3時，濃度越大則回聲強度越弱[6]。該實驗表明類似長江口最大渾濁帶以黏性泥沙為主且泥沙濃度較高的河口，ADCP、ADV等聲學(xué)儀器無法有效進行近底層懸沙濃度的反演。同時，光學(xué)后向散射濁度儀(Optical Backscatter Sensor，OBS，光學(xué)儀器)雖在細顆粒懸沙監(jiān)測方面已有廣泛應(yīng)用[7]，但由于探頭數(shù)目限制，只能獲取單點懸沙濃度數(shù)據(jù)。故對于近底層水體的懸沙濃度觀測，若需在空間上獲得連續(xù)的濃度變化，應(yīng)需在同一垂線上布設(shè)多臺OBS同步測量，這種方法低效且不易實現(xiàn)。近年來邊界層懸浮物剖面測量儀(Argus Surface Meter IV，ASM-IV，光學(xué)儀器)觀測近底層懸沙運動已有較多成果。如國外學(xué)者Svenson等(2011)利用ASM-IV進行監(jiān)測并推斷中潮時期近底層懸沙的輸移狀態(tài)[8]；國內(nèi)郭磊等(2016)也基于ASM-IV展開了對波致海床沉積物的再懸浮研究[9]。ASM-IV在連續(xù)監(jiān)測近底層懸沙濃度表現(xiàn)出較強優(yōu)越性，但到目前為止，尚未有研究將其與傳統(tǒng)儀器布設(shè)方法進行系統(tǒng)對比，從而無法定量判斷該儀器所獲取的數(shù)據(jù)優(yōu)于何處，有何具體研究價值?；诖?，本研究將通過在空間與時間兩個尺度層面對ASM-IV獲取數(shù)據(jù)進行分析，論證其監(jiān)測的近底層懸沙濃度數(shù)值的時空精度。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集與儀器標定

本次實驗于2017年7月9日—19日在長江口南槽的最大渾濁帶進行，測點位于31°06′15″N，121°56′36″E。該地帶屬于徑流與潮流交匯處，每日兩次漲落潮，為非正規(guī)半日潮。沉積物中值粒徑集中在3～6 φ，以粉砂為主，其次為砂，粘土含量最小[10-11]。整個觀測周期覆蓋洪季大、中、小潮。

實驗采用德國生產(chǎn)的ASM-IV，型號為SN0107，探頭部分總長度約為1 m，濁度觀測利用850 nm光學(xué)后向散射傳感器，測量范圍為0～4 095 FTU。ASM-IV內(nèi)置96個OBS探頭，每個探頭間隔10 mm，可探測到傳感器前方10 cm范圍內(nèi)的水體濁度數(shù)值，最大測量體積可達10 cm3，因此可用于進一步連續(xù)觀測近底層約1 m內(nèi)的水體懸沙濃度變化。觀測期間ASM-IV采樣以5 min為間隔進行。

由于OBS體型輕巧，便于標定，加之水體渾濁度與懸沙濃度之間的定量關(guān)系通常情況下可認為恒定。故因此在觀測期間，將OBS-3A(#514)探頭置于離底床約50 cm處(對應(yīng)ASM-IV第52號探頭)，儀器擺放示意圖如圖1所示。設(shè)置以4 min為間隔，連續(xù)觀測10 d濁度數(shù)據(jù)。待觀測結(jié)束后，在實驗室結(jié)合野外所采集的水樣，先對OBS進行濁度-懸沙濃度標定，即將野外帶回的水樣中過濾出的泥沙進行烘干后，緩慢倒入一定量的清水并不斷攪拌，直到OBS讀數(shù)穩(wěn)定后在OBS傳感器附近開始取水樣600 cm3，分別記錄取水樣前后OBS濁度值的大小并取平均值。隨后將取出的水樣進行過濾、漂洗、烘干并稱重，該質(zhì)量與被過濾水的體積之比即為懸沙濃度，如此反復(fù)多次。

對于ASM-IV所測水體濁度值與OBS測量值進行定量關(guān)系分析采用室內(nèi)標定，進一步獲得96個探頭統(tǒng)一標定值。首先將各探頭在標定前置于清水當(dāng)中，確認各探頭顯示均為0 FTU。隨后采用國際通用濁度標準液——福爾馬肼對ASM-IV所有探頭進行統(tǒng)一標定[12]，即配置多標準濃度福爾馬肼液對ASM-IV進行室內(nèi)標定，確定每一探頭在各濃度下顯示結(jié)果相同，因此可挑選任一探頭對整體進行標定，即使用OBS濁度數(shù)據(jù)對ASM-IV第52號探頭的濁度數(shù)據(jù)進行校正和擬合，最終標定結(jié)果見圖2所示，其中圖2(b)為多項式擬合。

圖1 儀器布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the instrument

為更好地判斷由ASM-IV觀測數(shù)據(jù)計算獲得的懸沙通量可靠性，在壓力傳感器離地40 cm處放置一臺ADV設(shè)置采樣頻率為8 Hz，間隔時間4 min采樣，獲取連續(xù)10 d的流速數(shù)據(jù)。

1.2 相對誤差計算

相對誤差是指由于測量所造成的絕對誤差與真值之比乘100%所得的數(shù)值，一般更能反應(yīng)測量的可信程度，該數(shù)值在很多方面都有所應(yīng)用，如張文祥等(2010)曾通過相對誤差來比較聲學(xué)多普勒水流剖面儀(Acoustic Doppler Profiles，ADP)與OBS所觀測到的懸沙濃度[13]。為探究測量期間加入ASM-IV前后在近底層水體懸沙濃度的監(jiān)測差異，本研究采用相對誤差來比較兩種技術(shù)對懸沙濃度數(shù)值的監(jiān)測精度，公式如下：

式(1)中：Er即為相對誤差，Cc、Cm分別為加入ASM-IV儀器與傳統(tǒng)儀器布設(shè)方法所獲取濁度(FTU)，N為數(shù)據(jù)總個數(shù)，i為利用該公式進行計算的第i組數(shù)據(jù)。

圖2 OBS-3A、ASM-IV探頭標定結(jié)果Fig.2 Calibrated results of OBS-3A and ASM-IV sensors

2 結(jié)果與討論

2.1 大小潮期間懸沙濃度的觀測分析

在10d連續(xù)觀測時間序列當(dāng)中以5min間隔時間尺度進行分析(圖3)。提取整點時刻數(shù)據(jù)作為傳統(tǒng)儀器布設(shè)方法所獲取數(shù)據(jù)，即實測懸沙濃度；每小時內(nèi)懸沙濃度進行平均，作為加入ASM-IV儀器后所獲取數(shù)據(jù)，即真實懸沙濃度。此法既可保留某些特征值，又可將整體1h內(nèi)的變化趨勢所反映出來，從而估算兩者之間的偏差大小，以驗證加入ASM-IV測量的精確度。在10d的觀測中，真實懸沙濃度平均為0.77g/dm3，而實測懸沙濃度平均值為0.78g/dm3。將每小時的真實懸沙濃度值與實測懸沙濃度值直接進行對比[圖3(b)]，可以發(fā)現(xiàn)二者存在誤差，且在某些時刻較大。通過計算可得，大潮期間平均相對誤差最大，為24.15%，并且在此期間誤差波動范圍也較大(0.27%～262.76%)?？梢姡蟪逼陂g懸沙濃度隨時間變化波動較大；中潮與小潮誤差值相近，分別為17.31%與16.18%。中潮波動范圍相對較小(0.42%～145.86%)，且僅一個相對誤差值超過67%，因此可考慮作為異常值忽略；小潮相對誤差波動范圍最小(0.05%～73.00%)，由此可推斷懸沙濃度在中、小潮時隨時間變化的幅度小于大潮。

2.2 懸沙濃度的垂向分布觀測分析

海上定點測量近底層懸沙濃度時，僅采用OBS或采水樣進行測量時，空間精確度一般不足。為探究將ASM-IV光學(xué)儀器加入垂線儀器布設(shè)從而進行精密測量的空間準確性，將ASM-IV某一個探頭所測量的濁度值記為真實懸沙濃度，而將某一個探頭附近10個探頭的平均濁度值作為實測懸沙濃度，用于計算相對誤差大小(圖4)。以10個探頭為一組分別進行相對誤差計算，共可分為10組。結(jié)果從儀器上部至底部分別為3.22%、10.25%、5.42%、6.81%、10.90%、4.73%、6.63%、11.01%、17.35%以及最底部，同樣也是誤差最大的46.81%。由圖4可以發(fā)現(xiàn)兩種布設(shè)方法之間的確存在偏差，且除距底部較遠的水層中相對誤差較小外，越靠近底部的偏差越大且無法忽略。因此可以推斷近底層泥沙的分層作用明顯。

2.3 近底層懸沙濃度與探頭對應(yīng)關(guān)系

長江口南槽的實際觀測中測量范圍基本位于最大渾濁帶的近底層區(qū)域，該區(qū)域垂向分層明顯[1]。而ASM-IV測量長度約為1m，在近底層測量過程中碰到儀器拖網(wǎng)等問題時處理難度較大，因此在ASM-IV使用不便時，僅利用采水樣或布設(shè)單點測量儀器的方法，獲取最高精度的近底層懸沙濃度，需探究不同時刻最具代表性的層位。故將所有探頭的平均值，即該時刻真實懸沙濃度與實測懸沙濃度進行對比，分析不同誤差隨深度的變化關(guān)系(圖5中顏色由淺至深表征誤差由大變小)。

觀測周期內(nèi)，13號探頭所獲取的濃度值與該時刻平均值相同次數(shù)最多，除小潮時期偶有出現(xiàn)的高濃度水體，50號探頭之上所獲取的濃度值大部分接近近底層1m內(nèi)實際水體濃度值(圖5)，甚至部分探頭測量值與實際值相等，最大僅相差39.29%，平均相差1.97%；而55號探頭開始向下測量濃度值與實際濃度值相差較大，最大可相差1 289.74%，平均相差290.93%。在這些實測值與實際值相差最大的探頭中，93號探頭出現(xiàn)次數(shù)最多。

圖3 大、中、小潮期間懸沙濃度相對誤差對比結(jié)果Fig.3 Comparison of relative errors of SSC during period from neap to spring tide

圖4 懸沙濃度垂向相對誤差分布結(jié)果Fig.4 Vertical distribution of relative errors of SSC

圖5 各探頭可靠性示意圖Fig.5 Diagram for the reliability of each sensor

同時，具有代表性的探頭會隨時間變化而變化。在大潮期間，最具代表性的是56號探頭，與真實懸沙濃度相差0.80%；而中小潮時期，13號探頭所測濃度值則最適合用于代表水體中懸沙濃度，二者分別相差2.99%、2.10%。由于懸沙沉降等因素存在，近底層懸沙濃度一般最高，因此最靠近底部所獲取數(shù)據(jù)最不宜代表全部水體。大、中、小潮期間，出現(xiàn)實測懸沙濃度與真實懸沙濃度相差較大最多的均在90號探頭之下。由此說明中小潮時期近底層深度代表性較差。

顯然，海上觀測近底層懸沙濃度變化一般通過整點時刻布設(shè)垂線，分層采集水樣或布設(shè)OBS等單點測量儀器進行垂向懸沙濃度的測量，這種方法雖然操作簡單，但獲取數(shù)據(jù)與ASM-IV高頻率連續(xù)測量所獲取的數(shù)據(jù)量相比略顯不足；同時，水體懸沙濃度隨時間變化浮動較大，若僅在整點或特定時刻進行測量，會將某些特征值或變化趨勢忽略或弱化。

2.4 近底層水體懸沙通量的時間觀測分析

利用ASM-IV與ADCP進行同步懸沙觀測，計算單寬懸沙通量，觀察在時間尺度上研究區(qū)域的單寬懸沙通量變化關(guān)系。以每個整點時刻所獲取的單寬懸沙通量作為實測懸沙通量，將1h內(nèi)平均懸沙通量作為真實懸沙通量(理由見“2.1”)。在觀測周期內(nèi)，長江口南槽近底層單寬懸沙通量平均為11.51kg/(s·m2)，其中大、中、小潮分別為14.14、13.37、6.82kg/(s·m2)。真實懸沙通量在大、中、小潮分別為10.91、13.40、6.89kg/(s·m2)；而其實測的懸沙通量分別為13.31、13.07、7.40kg/(s·m2)，可以看出大潮時段真實值偏離實測值較多(圖6)。

圖6 大、中、小潮期間懸沙通量變化結(jié)果Fig.6 Time series of suspended sediment flux during period from neap to spring tide

[圖6(b)]中的深色封閉區(qū)域為絕對誤差(真實懸沙通量-實測懸沙通量)，整個觀測期間絕對誤差為0.16kg/(s·m2)，大、中、小潮的絕對誤差分別為1.67、-0.05、-0.77kg/(s·m2)，表明在整個觀測期間若不布設(shè)ASM-IV進行矯正，會低估實測通量。

2.5 討論

2.5.1ASM-IV在近底層懸沙觀測中的必要性 粘性泥沙在河口地區(qū)的輸移主要依賴于徑流、底部地形、溫鹽、粒徑以及沖淤過程，這些過程共同作用于懸沙濃度由分秒到季節(jié)的變化[14]，近底層泥沙運動的觀測對于理解河口沖淤、河床地貌演變更是必不可少。但是由于河口近底層區(qū)域的復(fù)雜性，對其研究主要聚焦于宏觀方面[15]，又限于儀器本身條件而使時空精確度較低，或與河床底面距離較遠，較難做到真正意義的“近”底層微觀測量。ASM-IV的出現(xiàn)不僅從時空兩個角度證明了傳統(tǒng)儀器布設(shè)測量具有精度提升空間，同時也間接擴大了“六點法”測量的時間與空間范圍。通過上述數(shù)據(jù)分析得知，ASM-IV所獲取數(shù)據(jù)而求得的懸沙通量與傳統(tǒng)船測方法相比的確存在不可忽略的誤差。故可通過在垂線布設(shè)上加入ASM-IV，矯正由于傳統(tǒng)儀器布設(shè)方法產(chǎn)生的測量誤差。

對于懸沙濃度而言，大潮與中潮濃度最大而小潮濃度最?。皇欠癫荚O(shè)ASM-IV對大潮時期的測量結(jié)果影響最為明顯，因此推斷大潮時期近底層懸沙隨時間推移變化過程最為劇烈，每一時刻濃度值都在發(fā)生改變，若僅取某一特定時刻水體作為參考，會使得變化過程中某些特征值或變化趨勢被忽略，因而這個時期僅利用采集水樣或單點儀器進行測量精度較低，而需要通過ASM-IV對每一時刻的濃度值進行高精度監(jiān)測。就垂向剖面而言，近底層泥沙分層明顯，泥沙沉降、再懸浮作用強烈，最底層泥沙濃度遠高于上層水體，因此最底層相對誤差同樣最大。由此推斷在測量時，最底部泥沙不能用于代表整個近底層水體進行泥沙濃度的觀測與測量。

2.5.2ASM-IV觀測的可靠性分析 在南槽最大渾濁帶區(qū)域，海上通過布設(shè)單點測量儀器或采集水樣的方法，即使考慮儀器干擾、水位波動等因素，測量的數(shù)據(jù)對于近底層位置仍不具有較為充分的代表性。ASM-IV在此深度可獲取高空間精度數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)當(dāng)中，不同時刻不同探頭所獲取的濃度對于此刻近1m水體中濃度的可代表性，即可靠性不同。對于整個觀測周期而言，距底約91cm處(13號探頭)懸沙濃度對于近底層水體可代表性最高，而距底約10cm附近處懸沙濃度不宜代表近底層懸沙濃度。

通過比較每一時刻中各個探頭的濃度值與近1m測量長度的濃度平均值(圖5)，可以看出在距底52cm(50號探頭)向上位置的探頭對整個近底層區(qū)域都具有較好的代表性；而距底52cm之下可以發(fā)現(xiàn)，大潮時期，相差最大值較為均勻分散，且相差的最大值較小。由此可推斷該時期內(nèi)水體波動較為劇烈，泥沙分層不明顯，近底層1m水體泥沙濃度值整體較為接近，因此大潮采用“六點法”測量時，相對水深0.8H或最底部水體的懸沙濃度都可代表近底層懸沙濃度。相反，在中、小潮時期，越靠近底部的泥沙濃度與整體平均泥沙濃度相去甚遠，相差較大的點集中分布在80～96號探頭附近，且相差數(shù)值隨時間推移整體變大，在小潮時期達到最大。說明中、小潮時期水體逐步趨于平靜、泥沙開始發(fā)生沉降，底部水體中的泥沙濃度與近底層近1m的水體濃度相差很大，該區(qū)域附近懸沙濃度不具有較好的代表性，因此若在該時期內(nèi)采用相對水深0.9H至H深度，取最底部層位附近水樣測量，精確度將大大降低。

由此可見，在傳統(tǒng)儀器布設(shè)方法中加入ASM-IV會有效提高近底層懸沙濃度測量的精準度，由于最大渾濁帶底部泥沙沉降以及再懸浮過程明顯，懸沙濃度往往會出現(xiàn)較高值；并且在高濃度粘性泥沙河口地區(qū)，距底約20cm處也通常有泥躍層的出現(xiàn)[16]，圖5也表明即使在距底約1m附近處，也會出現(xiàn)高懸沙濃度層，若僅在某一時刻進行測量會使這些特殊水層中的濃度值被忽略或放大。ASM-IV在近底層泥沙的觀測當(dāng)中不僅可以在空間上高精度地觀測到這些特殊值或整體變化趨勢的存在，也可論證最具代表性的層位，充分地提高了對于近底層懸沙濃度測量的準確性。

3 結(jié)論

ASM-IV在觀測近底層泥沙運動過程中起著至關(guān)重要的作用。通過分析ASM-IV在洪季南槽定點連續(xù)10d觀測資料，主要結(jié)論表明：

(1)垂線布設(shè)ASM-IV進行連續(xù)觀測與僅利用傳統(tǒng)儀器布設(shè)方法在整點時刻測量相比較，所測近底層懸沙濃度相對誤差在大潮時期最大，而在垂向上越靠近底層相對誤差越大，且約從50號探頭(距底52cm)向下開始相對誤差值呈遞增趨勢。

(2)傳統(tǒng)儀器布設(shè)方法與加入ASM-IV后相比，在時空尺度上皆存在不可忽略的誤差，本研究通過計算近底層單寬懸沙通量，推斷傳統(tǒng)船測定點垂線法所測量的泥沙通量值在大潮時期處于低估范圍，而中、小潮處于高估范圍；且相對誤差以大潮時期最大，不可忽視。

(3)大潮期間或距底52cm向下開始宜采用ASM-IV等高精度儀器進行精密觀測。在中、小潮期間若囿于儀器限制，不便使用高精度儀器測量時，建議使用0.8H層水體懸沙濃度代替近底層水體濃度。隨著對底部湍流、異重流等微觀運動研究的深入，ASM-IV的運用前景將更加廣闊。