底邊界層水沙觀測系統(tǒng)和應(yīng)用

1、文章編號(hào) :100529865 (2009) 0120055207底邊界層水沙觀測系統(tǒng)和應(yīng)用徐俊杰1 , 何青1 , 王元葉1 ,2(1 . 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ,上海200062 ; 2 . 交通部上海河口海岸科學(xué)研究中心 ,上海201201)摘 要 :利用現(xiàn)代先進(jìn)的光學(xué)和聲學(xué)測量儀器 (adp、pc2adp、adv 、obs 等) ,組制四角架觀測系統(tǒng)用于底邊界層的水沙觀測 。此觀測系統(tǒng)既可獲取垂向流速場 ,更可獲取常規(guī)水文觀測難以獲取的高分辨率的近底流速 、近底單點(diǎn)紊動(dòng)過程 、近底溫鹽沙 和波浪過程 。利用此觀測系統(tǒng)于 2007 年 8 月在長江口北槽最大渾濁帶內(nèi)進(jìn)行

2、了實(shí)地觀測 。分析四角架觀測數(shù)據(jù)與同步船測底部數(shù)據(jù)表明 ,四角架觀測系統(tǒng)在近底 (特別是底部明顯分層) 觀測時(shí)表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢 。常規(guī)水文觀測測得底部含沙量一般 只相當(dāng)于距底 70120 cm 高度含沙量 ;船測底部最大含沙量為 5. 8 kg/ m3 ,而架測距底 30 cm 處最大含沙量有 25 kg/ m3 ;近底含沙量較高時(shí)往往出現(xiàn)強(qiáng)分層 ,強(qiáng)分層時(shí)實(shí)測距底 30 cm 處含沙量可達(dá)距底 120 cm 處含沙量的 5 倍 ;船測底部流速比架測距底30 cm 處流速平均偏大 45 % ;但距底 30 cm 處最大流速仍可達(dá) 1. 2 m/ s 。船測數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了四角架觀測數(shù)據(jù)的正確性 。關(guān)

3、鍵詞 :四角架 ;底邊界層 ;泥沙 ;流速 ;長江口中圖分類號(hào) : tv148. 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : aapplication of instrumented tetrapod in bottom boundary layerfor water2sediment measurementxu j un2jie1 , he qing1 , wang yuan2ye1 ,2(1. state key laboratory of estuarine and coastal research , east china normal university , shanghai 200062 , china

4、; 2. estuarine andcoastal science research center , shanghai 201201 , china)abstract : several modern advanced optical and acoustic survey instruments (adp , pc2adp , adv , obs , etc . ) have been fixed in a tetrapod for water2sediment measurement in bottom boundary layer. vertical velocity profile

5、as well as near bottom high resolution velocity , turbulence ,temperature2salinity2sediment and wave process , which cant be easily obtained by routine hydrological survey , can be got by the tetrapod. itwas deployed in the most turbid area of the north passage of the yangtze estuary in august 2007.

6、 the data obtained from the tetrapod are com2 pared with those from a survey vessel . the results show that the tetrapod system has great advantages in near bottom survey (especially the near bottom area is strongly stratified) . bottom suspended sediment concentration ( ssc) got by the vesselis app

7、roximate to that between 70 and 120 cm above (cmab) bottom. maximum ssc obtained by the tetrapod is 5. 8 kg/ m3 while maximum ssc at 30 cmab obtained by the tetrapod is 25 kg/ m3 . strong stratification usually occurs when bottom ssc is high. at that time , ssc at 30 cmab can be 5 times larger than

8、that at 120 cmab. bottomvessel measured velocities are averagely 45 % larger than those at 30 cmab. but maximum velocity at 30 cmab can still reach1. 2 m/ s. tetrapod data validity is also proved by the data from the vessel and data types are introduced and explained.key words : tetrapod ; bottom bo

9、undary layer ; sediment ; velocity ; the yangtze estuary底邊界層一般認(rèn)為是水流結(jié)構(gòu)明顯受底床影響的水層1 - 2 。在底邊界層內(nèi) ,能量的摩擦耗散作用強(qiáng)烈 ,有著與上部水體明顯不同的動(dòng)力學(xué)特征 。作為水體和底床直接相互作用的層面 ,往往伴隨著兩者之間顆粒收稿日期 :2008206210基金項(xiàng)目 :國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目 (40721004) ;973 課題 (2008dfb90240) ;上海市科委重大基礎(chǔ)資助項(xiàng)目 (07dj 14003 - 01)作者簡介 :徐俊杰 (1984 - ) ,男 ,江蘇鎮(zhèn)江人 ,碩士研究生 ,主要

10、從事河口海岸工程泥沙研究 。通訊作者 :何青物 、化學(xué)物質(zhì)和有機(jī)體的頻繁交換3 。就泥沙而言 ,泥沙的侵蝕 、輸移和沉積過程也主要發(fā)生在底邊界層內(nèi) 。這些過程直接影響著床面的穩(wěn)定性 、物質(zhì)輸移及底棲動(dòng)物群落4 - 5 。因此河口和大陸架底邊界層一直是海 洋學(xué)家 、海岸工程學(xué)家和環(huán)境學(xué)家的關(guān)注點(diǎn) 。長江河口作為世界上典型的高濁度河口 ,以豐富的泥沙供應(yīng)和 大量的細(xì)顆粒泥沙而著稱6 ,河床沖淤和泥沙再懸浮顯著7 ,但由于傳統(tǒng)的水文觀測方法無法得到近底完整 連續(xù)的水沙資料 ,長江河口底邊界層的實(shí)測研究相對(duì)較少 。河口與大陸架底邊界層的觀測研究往往依賴于在河床上布放裝配儀器的觀測系統(tǒng) 。1964 年美

11、國華盛 頓大學(xué)的 sternberg 首次使用三腳架來觀測和研究 puget sound 潮汐水道中的底邊界層水沙運(yùn)動(dòng) ,通過觀測到的近底流速分布計(jì)算了底部剪切應(yīng)力和拖曳系數(shù) ,并研究了在實(shí)驗(yàn)室和河流實(shí)驗(yàn)中獲得的公式在潮汐水道中的適用性8 。其后 ,美國國家地質(zhì)調(diào)查局 (usgs) 、弗吉尼亞海洋研究所 (vims) 、美國國家海洋和大氣管理 局 (noaa) 等分別獨(dú)立制作了各自的近底觀測系統(tǒng)9 , 并組織參與了一系列大型的觀測項(xiàng)目 ( code9 - 11 ,stress9 ,12 ,strataform9 ,13 , eurostrataform9 ,14 - 15 ) 。而同類型觀測系

12、統(tǒng)和研究在中國相對(duì)較少 。華 東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從 2005 年開始 ,利用現(xiàn)代先進(jìn)的光學(xué)和聲學(xué)測量儀器 (obs , adp ,pc2adp , adv2ocean 等) ,組建了近底四角架觀測系統(tǒng)5 ,并進(jìn)行了多次野外實(shí)地觀測 。在此結(jié)合觀測實(shí)例 ,闡述了此近底四角架觀測系統(tǒng)的基本構(gòu)架及其可獲得的數(shù)據(jù)類型 。并將四角架數(shù)據(jù)與同步常規(guī)水文觀測底 部數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較 。1 四角架近底觀測系統(tǒng)簡介本四角架近底觀測系統(tǒng)呈正棱臺(tái)狀 (圖 1) ,總高 2 . 3 m 。分為 3 層 ,第一層四邊長 0 . 6 m ,四角上有圓環(huán) , 用于整個(gè)四角架系統(tǒng)的布放和回收 ;第二層距底 1 .

13、 8 m ,四邊長 1 m ,架設(shè)膠合板 ,用于固定 adp 、pcadp 和 adv2ocean 設(shè)備 ;最下層為底座 ,邊長 2 . 5 m ,安放浪潮儀等設(shè)備 。底座四角用鑄鐵制造 ,有向下突起 ,便于在 河床固定 ,角間鋪放帶孔的膠合板 ,以增加整個(gè)系統(tǒng)在河床上的穩(wěn)定性 ,防止側(cè)翻 。四角架上安裝儀器采用 sontek 公司生產(chǎn)的 adp 、pc2adp 、adv2ocean ,d &a 公司生產(chǎn)的 obs 和 sea2b ird 公司生產(chǎn)的 sb e226 浪潮儀 。 adp 、pc2adp 、adv2ocean 儀器都是基于聲學(xué)多普勒原理 ,利用發(fā)射信號(hào)與水體中顆粒反射信號(hào)

14、之間的相位 差來計(jì)算流速 ,可以不干擾水體準(zhǔn)確測量流速 。近年來在國內(nèi)外使用廣泛 ,可參考文獻(xiàn) 16 - 18。obs 利用 光學(xué)紅外后向散射原理來獲取水體中懸浮物濁度 ,然后通過相關(guān)分析 ,將濁度轉(zhuǎn)化為顆粒物濃度 ,具有操作 簡單 、快速 、實(shí)時(shí) 、連續(xù)等優(yōu)點(diǎn) 。具體原理和應(yīng)用可參考文獻(xiàn) 19 - 20。各儀器參數(shù)介紹見表 121 - 24 。adp 布放在第二層膠合板上 ,探頭向上 ,用于測量上部水體流速場 。pc2adp 布放在第二層膠合板上 ,探頭向下 , 用于測量近底高分辨率的流速場 。第二層上同時(shí)固定向下鋼管 ,鋼管底部安放探頭向下的 adv2ocean ,adv2ocean 探頭

15、發(fā)射器距底 48 cm ,用于測量距底 30 cm 處高精度的流速過程和紊動(dòng)過程 。obs 固定在四角架邊 柱上 ,一般放置 34 個(gè) ,可獲取近底不同高度連續(xù)的濁度過程 ,通過室內(nèi)標(biāo)定可獲得近底的含沙量過程 。 sb e226 型浪潮儀布放在底部 ,測量波浪和潮高 。各儀器分別自帶電池和內(nèi)存 ,采用自容模式運(yùn)行 。在儀器 布放中 ,為防止數(shù)據(jù)受儀器間的互相干擾以及四角架邊柱對(duì)流場的影響 ,注意了各儀器之間的距離及其距邊 柱距離 。從測量結(jié)果來看 ,數(shù)據(jù)是穩(wěn)定合理的 。表 1 四角架上各布放儀器介紹ta b. 1 introduction to the equipment of tetra p

16、od儀器名主要功能基本參數(shù)最小盲區(qū) 50 cm ,測量范圍 0. 11 000 cm/ s ,精度為測量流速的 ±1. 0 %最小分層 2 cm ,分辨率 0. 1 cm/ s采樣頻率 0. 125 hz ,精度為測量范圍 ±1 % ,可采用多頻 率測量模式測量流速場1m adp1. 5m pc2adp測量高分辨率流速場adv2ocean測量高精度單點(diǎn)流速和紊動(dòng)濁度范圍 0. 24 000 ,誤差 2 % ,溫度誤差 0. 075 ,電導(dǎo)率誤差 0. 1 psu壓力精度 0. 01 % fsobs測量含沙量 ,溫度和鹽度sbe226測量波浪和潮高第 1 期徐俊杰 ,等 :底

17、邊界層水沙觀測系統(tǒng)和應(yīng)用57圖 1 四角架觀測系統(tǒng)fig. 1 ecnu tetrapod system2 應(yīng)用實(shí)例2. 1 研究區(qū)域2007 年 8 月 1416 日在長江口北槽進(jìn)行了四角架觀測系統(tǒng)的布放 。布放位置選擇在北槽高回淤區(qū)的 航道南側(cè) ,d28 航標(biāo)燈以南 300 m 附近 ,水深 7 m 的地形較平整處 (圖 2 ,坐標(biāo) 31°14 . 007n ,122°02 . 005e) 。2. 2 儀器設(shè)置與數(shù)據(jù)處理在儀器設(shè)置中 ,應(yīng)注意保持各儀器采樣時(shí)間一致 ,方便數(shù)據(jù)的同步和分析 。本次測量中 ,各儀器的基本 設(shè)置描述如下 :adp 設(shè)置分層單元為 0 . 4

18、m ,ocean 采用多頻率耦合測量模式 。共有 3 個(gè)頻率 ,頻率 1 為 0 . 5hz ,盲區(qū) 0 . 7 m ,采樣間隔為 10 min 。adv2用于平均流 速的測量 , 采樣間隔為 15 min ,采樣數(shù)為 60 ; 頻率 2 為4 hz ,用于波浪軌跡流速的測量 , 采樣間隔為 30 min , 采樣數(shù)為 2 048 ; 頻率 3 為 25 hz , 用于紊動(dòng)流速的測 量 ,采樣間隔為 15 min ,采樣數(shù)為 2 500 。pc2adp 設(shè)置 分層單元為 3 . 2 cm ,盲區(qū) 10 cm ,采樣間隔 5 min 。obs 設(shè)置采樣間隔為 5 min , 四個(gè) obs 序列號(hào)

19、分別為 114 、116 、117 、118 ,分別距底高度為 1 . 2 m ,0 . 75 m ,0 . 5 m ,0 . 3 m 。sb e226 設(shè)置為每 10 min 測一次潮位 ,每 1 h 測 一次波浪 。在數(shù)據(jù)處理中 ,注意檢查各儀器羅盤在測 量過程中記錄的角度 ,確保四角架系統(tǒng)和各儀器在測量過程中的穩(wěn)定 。通過檢查羅盤角度 ,認(rèn)為四角架系統(tǒng)和各裝配儀器在整個(gè)觀測期間基本穩(wěn)定 。obs 直接 獲得的濁度數(shù)據(jù)利用采集的四角架布放位置附近近底 懸浮泥沙進(jìn)行標(biāo)定 ,獲得含沙量 。2. 3 采集獲得的數(shù)據(jù)2. 3 . 1 近底水沙鹽連續(xù)過程圖 2 四角架觀測站位fig. 2 map o

20、f the study sites showing locations of tetrapod deployment在四角架布放位置附近安排了測船對(duì)四角架系統(tǒng)進(jìn)行看護(hù) ,同時(shí)進(jìn)行常規(guī)的水文觀測 。測船采用 son2tek 公司生產(chǎn)的 adp 進(jìn)行流速測量 ,采用 6 點(diǎn)法整點(diǎn)取水后進(jìn)行室內(nèi)分析獲取含沙量和鹽度 ?？紤]到 adp底部懸掛鉛魚 ,鉛魚底部到采水器還有一段高度 ,故采水器的底部采樣也并非為真正的底部 。圖 3 為四角架觀測 (架測) 連續(xù)數(shù)據(jù)與船測近底數(shù)據(jù)的比較 ?？梢钥闯龃瑴y底部流速過程與架測距底 30 cm 處流速過程相 位一致 ,流向基本相同 ,但流速平均偏大 45 % 。主要

21、是由于船測的“底部”高度實(shí)際上高于距底 30 cm 。船測 近底鹽度與架測鹽度吻合較好 ,表現(xiàn)出近底鹽度分層不明顯 。船測含沙量與架測距底 75 cm 和 120 cm 處含 沙量吻合較好 ,以 2007 年 8 月 15 日 1300 時(shí)為例 ,四角架測距底 30 cm 處含沙量達(dá) 11 . 0 kg/ m3 ,而距底 120cm 處含沙量為 6 . 3 kg/ m3 ,船實(shí)測含沙量為 5 . 9 kg/ m3 ,說明船測底部含沙量實(shí)際上是距底 70120 cm 處的 含沙量 。而在某些時(shí)刻近底含沙量分層明顯 ,如 2007 年 8 月 15 日 1330 時(shí) ,四角架測距底 30 cm 處

22、含沙量 高達(dá) 25 . 0 kg/ m3 ,但距底 120 cm 處含沙量只有 4 . 0 kg/ m3 ,故此時(shí)船測無法獲取真實(shí)的近底含沙量 。船測數(shù) 據(jù)驗(yàn)證了四角架數(shù)據(jù)的正確性 ,同時(shí)也突顯出四角架在近底 (特別是底部分層明顯) 觀測時(shí)的優(yōu)勢 。圖 3 近底水沙鹽過程 (圖中細(xì)線表示 2007 年 08 月 15 日 1500 例子 ,120 cm 等代表距底高度)fig. 3 near bottom velocity ,suspended sediment concentration( ssc) and salinity process ( the fine line shows the

23、 example of 1500 ,2007208215)第 1 期徐俊杰 ,等 :底邊界層水沙觀測系統(tǒng)和應(yīng)用592 . 3 . 2垂向流速場利用四角架上裝配的 pc2adp 和 adp ,可獲取近底高分辨率的流速場和上部水體流速場 ,以 2007 年 8 月15 日 1500 (圖 3 中細(xì)線位置) 數(shù)據(jù)為例 (圖 4) 。在距底 1 . 6 m 范圍以內(nèi) ,每隔 3 cm 便有一個(gè)流速數(shù)據(jù) ,共有45 個(gè)流速點(diǎn) ,能清晰反映近底流速剖面 。上部水體每 40 cm 有一個(gè)流速點(diǎn) 。四角架系統(tǒng)能獲取近底 2 m 以 內(nèi)和距底 3 m 以上的流速場 。而距底 23 m 內(nèi)可考慮加載 12 個(gè)自記

24、流速儀以彌補(bǔ)此部分的流速數(shù)據(jù)缺失 。垂向和近底流速數(shù)據(jù)可用來分析垂向流速分布特征和邊界層內(nèi)流速分布特征 ,近底流速可用來估算底 部糙率長度和剪切應(yīng)力等 。圖 4 2007 年 8 月 15 日 1500 垂向和近底流速vertical and near bottom velocity profile (1500 ,2007208215)fig. 42 . 3 . 3近底垂向溫鹽沙場obs 有濁度探頭 、鹽度探頭和溫度探頭 ,因此可獲取近底溫鹽沙場 。以 2007 年 8 月 15 日 1500 數(shù)據(jù)為 例 (圖 5) ,此時(shí)含沙量和鹽度分層明顯 ,溫度相對(duì)均勻 。距底 1 . 2 m 處含沙量

25、為 1 . 7 kg/ m3 ,此時(shí)船測含沙量 為 1 . 6 kg/ m3 。而距底 30 cm 處含沙量為 5 . 6 kg/ m3 ,是常規(guī) 6 點(diǎn)法底部含沙量的 3 倍多 。近底垂向溫鹽沙場 可用來研究層化現(xiàn)象 、底部泥沙的沖刷和聚集 ,以及波流對(duì)底部泥沙的影響等 。圖 5 2007 年 8 月 15 日 1500 近底溫鹽沙場fig. 5 near bottom sediment concentration , salinity and temperature (1500 ,200728215)2 . 3 . 4近底紊動(dòng)場adv2ocean 采樣頻率 25 hz 得到的瞬時(shí)流速可用來

26、分析紊動(dòng)情況 。以 2007 年 8 月 15 日 15 :10 時(shí)數(shù)據(jù)為 例 (圖 6) ,分別為東向 、北向和垂向瞬時(shí)流速過程 ,可用來進(jìn)行紊動(dòng)特征的探討 。連續(xù)的紊動(dòng)數(shù)據(jù)可用來分 析紊動(dòng)特征的潮內(nèi)變化 、紊動(dòng)的產(chǎn)生和耗散 、紊動(dòng)特征與水流泥沙間的相互關(guān)系等 。圖 6 2007 年 8 月 15 日 1510 近底瞬時(shí)流速fig. 6 near bottom instantaneous velocity (1500 ,200728215)3 結(jié)語1) 利用先進(jìn)的聲學(xué)和光學(xué)儀器組建四角架近底觀測系統(tǒng) 。此觀測系統(tǒng)既可獲取垂向流速場 ,更可獲取常規(guī)水文觀測難以獲取的近底溫鹽沙的連續(xù)過程 ,近底

27、高分辨率的流速場 ,近底高精度的流速過程和紊動(dòng)過 程 。利用此四角架系統(tǒng)在野外進(jìn)行觀測 ,獲得了連續(xù)可靠的底邊界層數(shù)據(jù) 。2) 與同步常規(guī)水文觀測底部數(shù)據(jù)對(duì)比表明 ,四角架系統(tǒng)在近底 (特別是底部明顯分層) 觀測時(shí)較常規(guī)水 文觀測方法表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢 。常規(guī)水文觀測測得底部含沙量一般只相當(dāng)于距底 70120 cm 高度含沙量 。船測底部最大含沙量為 5 . 8 kg/ m3 ;而架測距底 30 cm 最大含沙量有 25 . 0 kg/ m3 。近底含沙量較高時(shí)往往出現(xiàn)強(qiáng)分層 ,強(qiáng)分層時(shí)實(shí)測距底 30 cm 處含沙量可達(dá)距底 120 cm 處含沙量的 5 倍 。船測底部流速比架測距底30 cm 處

28、流速平均偏大 45 % ,在距底 30 cm 處最大流速仍可達(dá) 1 . 2 m/ s 。參考文獻(xiàn) :123456789dyer k r. coastal and estuarine sediment dynamics m . new york : john wiley & sons , 1986 :55 - 57.nielsen p. coastal bottom boundary layers and sediment transport m . world scientific , 1992 :1 - 2.grant w d , madsen o s. the continenta

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