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湖 泊科学Journal of Lake SciencesVol. 15，No.4Dec.，2003第15卷第4期2003年12月 湖 泊 科 学 15卷332 ADP 在太湖沉积物再悬浮分析中的应用* 罗潋葱1，2 张发兵1，2 (1：中国科学院南京地理与湖泊研究所，南京210008；2：中国科学院研究生院，北京100039) 提 要 分析太湖的悬浮物浓度时，使用传统的过滤与称重的方法，难以在短时间内取得大量的数据，并且进行大范围调查时困难较多，特别是在计算悬浮物浓度随时间的变化率时，根据导数的定义其时间间隔应足够小，此时上述方法显然难以得出较为准确的结果.本文从声学后散射原理出发，通过对声学多普勒三维流速仪(ADP)所接收的回声强度在传播距离上的校正，得出了当悬浮物粒径组成较为稳定时，该强度能反映水体中悬浮物浓度(SSC)的结论，并基于2002年在太湖乌龟山的一次为期一周的湖流观测结果，分析了经校正后的回声强度与太湖中悬浮物浓度间的指数相关关系，通过实测资料对上述关系进行了验证，结果表明该经验公式适用于太湖，其回声强度的变化能反映水体中 SSC 的变化规律，为大范围调查水体中悬浮物浓度提供了更加快速而有效的方法. 关键词 ADPSSC太湖 回声强度 分类号 P343.3 声学多普勒三维流速仪(ADP)是基于适用海洋观测的 ADCP 而开发出的，其最初的开发目的是用以测量海岸、湖泊和河道河口等浅水区域的水流速度，但由于其基于声学多普勒后散射原理，因此现已被广泛应用于观测水体中悬浮物浓度[1-4]，鱼类的活动同，生物量的变化L6-11J，水的流量变化L12，13]，水体表面波动14J，风速风向L15J以及海平面变化L16，17J等，特别是对水体中悬浮物浓度 (SSC)的测量，在技术上已经较为成熟，其精度能与专用测沙仪相媲美. 在浅水湖泊生态系统的研究中，悬浮物中相当部分是由于风浪扰动和底流作用而从底泥进入水体，在适当条件下释放营养盐，能从很大程度上影响水环境的变化，因此在太湖中对沉积物再悬浮的动力机制的研究至关重要.当沉积物进入水体以后，在重力与浮力的作用下，会产生沉降，而受水体水平平流的影响时，出现迁移扩散现象，导致水体中营养盐分布在时间与空间上的不均匀性，这也是太湖中蓝藻水华爆发呈现出季节性和区域性特征的原因之一.因此，必须弄清太湖水体中 SSC的时空变化规律，为此应进行不同区域的时间序列观测，但是仅依靠传统的采样、抽滤及称重等步骤难以满足需要，且存在困难大和成本高的缺点.、.目前国内外能连续进行时间序列 SSC 数据采集的主要仪器可以分为两类， ( *中国科学院(KZCX1-SW-12)和 国 家自然科学基金(40071019)联合资助. ) ( 2003-0 2 - 0 1收稿； ( 03-04-20收修改稿.罗潋葱，男， 1 972年生，博士研究生. ) 一类基于光学原理，如浊度仪[18，19]，光学后散射探测器(OBS) [20-22]等；一类基于声学后散射原理，如声学后散射探测器(OABS)[23-27]和多普勒三维流速仪 (ADP & ADCP)等. Glenn[28]等曾对上述两类仪器对SSC 的测量精度进行过对比，发现在非潮汐期间二者所采集的数据序列间的相关系数达0.81，而潮汐期间相关系数可达0.94，进一步证明了通过 ADP回声强度来决定水体中 SSC 的可靠性.本文通过对 ADP 所接收的回声信号的强度分析，在进行衰减校正后，初步建立了关于该回声强度与太湖水体中 SSC 的经验公式，结果表明，』，二者之间存在指数关系，为大范围长时间调查 SSC 提供了快速有效的方法. 1观测位置与方法 2002年7月23-2-28日的观测点位于太湖中北部的乌龟山附近(见图1)，该处观测水深约为2.5m，水域开阔，风浪发育无阻挡，且湖沿岸对流场的影响不大.流速测量采用适合于浅水的声学多普勒剖面仪(ADP)，频率为1.5MHz， 最大探测深度为25m 左右，剖面时间间隔设为60s，垂直方向以20cm分辨率共分成 12层. ADP 通过钢管伸出固定在观测平台外，垂直正立置于水中，有效排除了观测平台对湖流及回声强度的影响. ADP 通过信号线与计算机串行口相连，采集软件为 River-Surveyor 3.33，采集完成后通过 ViewADP 3.92 直接处理，可输出三维流场、方差、信噪比(信号与噪音的比值)及回声强度等数据. 2通过 ADP 回声强度确定悬浮物浓度的理论依据 ADP 不断发射脉冲声波，经过湖水中悬浮物质的散射后返回，被 ADP 三个声学传感器接收(见图2)，该信号的强度称回声强度(echo intensity)，在消除了信号随传播距离的衰减后，经校正的回声强度可反映水中悬浮物的浓度，其理论基础源于声学后散射原理[2，29]，定义单位水体体积的后散射强度为S，，则其表达式如下[1，29]： 其中S为总后散射截面，C为悬浮物浓度， C 为环境参数，若悬浮物中粒径不均匀，可将其分成不同等级(等级数为n)， 令每等级颗粒的后散射截面为s；， 颗粒数量为n；， 则式(1)可表述为 在悬浮物中粒径组成稳定的情况下，上式中s和n；可取为常数.. ADP 声学信号在距离上呈指数衰减的表达式为： E为 ADP 传感器接收到的回声强度，E为校正强度，D和a分别代表传感器至所测水层单元的垂直距离和水体对声波的吸收系数.而校正强度E、声源强度S， 和后散射强度S，间的关系可用式(4)表述： k 为常系数，联立方程(2)和(4)可得， 其中常数β的表达式为： i=1 由式(5)可看出，悬浮物浓度C与校正后的回声强度E，呈指数关系. 图1 2002年7月23-28日波流观测点(三角形) 图2 ADP工作示意图 Fig.1Mooring site for observation during 23-28 July 2002 Fig. 2 ADP beam geometry 3水体波吸收系数的确定 因ADP所接收到回声强度没有消除距离的衰减，故必须在式(3)的基础上予以校正，然后才能建立校正后的回声强度与SSC间的相关关系.式(5)中β及k在相同环境中可取常数，故该式亦可写成如下形式： 其中C为根据回声强度计算出的悬浮物浓度，A和B为仅依赖于观赖环境的常数，E 代表 ADP所接收到的未经校正的信号强度(单位为dB)，D为观测点水深，，a 为待求的水体对声波的吸收系数.在观测期间，7月28日上午 9：00 在分别位于水下 50cm 和 75cm的位置采样分析后的 SSC 俱为 10mg/L， 其相应的回声强度分别为 80.697dB 和 77.113dB，将以上数据分别代入式(7)，两式相减可得观测时刻太湖水体对声波的吸收系数为 0.042dB/m， 然后根据式(3)可将所有回声强度进行校正. 4 悬浮物浓度 (SSC)的实验室测定 与 ADP 湖流测量同步采不同深度的水样，在实验室中分析其 SSC， 测定时取水样250mL，用0.45um孔径的滤膜过滤后，置于105℃恒温箱中烘干，称重后依下式进行计算， 上式中，C为悬浮浮物度(单位为mg/L)， mj、mg分别为过滤前滤膜的重量和过滤烘干后滤膜与悬浮物的重量.对 SSC结果进行分析，发现当风速增大至 5.0m/s 以上时，底层 SSC明显增大，但在从下往上的垂直方向上并没出现依次递减的规律，而是上层和下层较大，中间相对较小，可能与上层受湍流波动影响而下层与底泥直接进行交换有关.考虑到 ADP有效信噪比的极限及其所测有效深度与取样深度的吻合程度，本文中仅取经实验室分析的51组 SSC 数据进行回归分析. 5回声强度与 SSC 间的相关分析 根据式(7)， SSC 与经过水深校正的回声强度间的关系可表示为 其中C与E的含义与式(5)中相同.通过对 SSC 的对数与 E 的拟合，可得到如下关系式， 84 图3 SSC 与回声强度间的拟合曲线 图4 太湖不同区域中值粒径的垂直分布 Fig.3 Relationship between suspended sedimentand echo intensity Fig.4 Vertical distribution of medium-size sedimentin different areas of Lake Taihu 其拟合曲线见图3，相关系数为0.75，达到0.01的显著性水平，说明在太湖中用 ADP 回声强度来确定 SSC 具有可靠性.汪亚平等1曾通过10s 和30s平均的校正回声强度对胶州湾的实测悬沙浓度进行了拟合，分析出的相对误差为32%，与光透式浊度计的误差相当，因此ADP 能达到专用测沙仪的精度. 根据高光对太湖不同区域沉积物粒径的分析结果(图4)，深度在 10cm 以上的沉积物中粒径组成较为稳定，10cm 以下则出现波动.南京水科院河港研究所张金善等亦对太湖湖积物的粒径组成进行了分析，发现占总量50%--660%的颗粒的粒径约为16-17山m，而小于5m和大于100_m的颗粒所占总量的比例很小，故可认为太湖中悬浮物的组成较为稳定.此外，在切应力作用下能产生悬浮的也是上层沉积物，因为较深处的底泥，由于其本身的物 理特性，产生悬浮所需要的切应力也越大，这也是在大多数沉积物迁移输送模型将沉积物分成若干层，每层采用不同的临界切应力的主要原因之一.由此可见，太湖表层沉积物中粒径组成稳定，进一步增加了使用 ADP 在太湖中测定悬浮物浓度的可能性与准确性. 6回声强度反映 SSC 变化的可信度分析 测量湖流时，同步对波浪数据进行了采集.根据Jing Lou[30] 和 Kang-Ren Jin[31] 分别对 Michigan 湖和 Okeechobee 湖的研究，在深度不同的湖泊中，波动和底流对沉积物悬浮与迁移的贡献存在很大的差别，在不深于2米的浅水湖泊中，底流所产生的切应力几乎可以忽略，本文基于观测得到的有效波要素数据，通过计算不同时刻的切应力而判断底层沉积物是否悬浮及其悬浮程度，来验证此次测量得到的回声强度是否能反映太湖水体中悬浮物的浓度，切应力的计算方法参见文献 Sheng 等[32]， Jing Luo 等[30-33]， Nanthan[34]，对观测期间所采集的波面记录以每20分钟为时间间隔进行处理后(图5)，对位于水体中层即水面以下1.0m 和1. 2m处的回声强度作时间序列曲线(图6). 图5临界切应力与计算出的切应力 Fig.5Critical stress for sediment resuspension and time series of wave stress 时间(月.日.时：分) 图6水面以下1.0m及1.2m处回声强度时间变化曲线 Fig.6 Time serials of echo intensity at 1.0m and 1.2m below water surface during observation 由以上两图可知，切应力与回声强度的变化均呈现多峰特征，即部分时段切应力和回声强度的值都比较大.为了便于对比，将所观测计算得到的切应力大于太湖中沉积物再悬浮临界应力(0.037N/m²)的相应时段和回声强度大于 75dB的相应时段列于表1，可以得到，有4个时段引起了沉积物的悬浮，分别为7月23日上午，24日中午及傍晚和26日傍晚，对应于图4上的4个峰值，其相应风速约为4.0m/s、4.2m/s、4. 5m/s 和5.0m/s，而25日、27-28日基本没有引起悬浮，三天的日平均风速俱在 3.0m/s以下，相应的回声强度值均在75dB以下，特别是27-28日，回声强度很小(图6).本文中所选定的比较值 75dB 并非太湖中层能反映沉积物物否悬浮的 ADP 回声强度临界值，而是便于判断回声强度的波动特征，以寻求 ADP 回声强度和切应力间的相关关系，进而证明该指标能反映水体中悬浮物浓度的变化.由以上分析及表1可知，当由于风扰动而引起悬浮时，水体中层 ADP 的回声强度随 SSC 的增加而增大，证明了该回声强度的变化能完全反映水体中 SSC 浓度的变化特征. 表1观测期间切应力大于临界切应力和回声强度大于75dB 的相应时段 Tab.1 The periods when resuspension occurred and echo intensity was larger than 75dB 7月23日 7月24日 7月25日 7月26日 7月27日 7月28日 悬浮时段 09：25-11：42 17：51-18：11 17：22-20：30 回声强度大于10：40-10：53 09：24-10：00 10：34-10：39 09：34-10：01 75 dB 的时段 11：30-11：31 10：30-11：25 13：56-14：12 14：26-14：44 15：49-15：54 14：50-15：30 14：19-14：38 14：50-15：13 16：05-16：06 16：28-16：47 16：19-18：20 18：51-20：20 17：20-18：14 19：19-19：28 19：19-19：28 7 讨论 本文从声学后散射原理出发，阐述了 ADP 所接收到的回声强度经过距离校正后，能反映水体中的悬浮物浓度，并利用2002年7月23-28日间在太湖乌龟山所观测的湖流、波浪和气象资料及相应的 SSC 分析数据，初步拟合了SSC 的常用对数和校正后的回声强度间的线性关系，得出了二者之间的经验公式，并通过波浪资料计算所得到的切应力与临界应力的比较及太湖水体中层 ADP 回声强度在观测期间的变化情况，进一步证明了所校正后的回声强度的确能反映水体中悬浮物浓度的变化，当风速较较时，波浪产生的切应力增加，若大于临界应力，则造成湖底沉积物的悬浮，水体中 SS 的浓度增加，相应地，对ADP 所接收到的回声强度进行水深校正后的值亦会增大，从而反映了SSC 的常用对数和校正后的回声强度间的线性相关关系.此外，国内外不少专家学者也已经证明，使用 ADP 回声强度来计算 SSC 能达到浊度计、OBS及 ABS等专用仪器的测量精度.因此，该种方法不仅具有充分的理论依据，而且已为实践所证明，它能解决通过传统方法所难以解决的问题，其应用前景广阔. 值得注意的是，本文中采用75dB 作为校正后回声强度的判断标准，但并非判断是否悬浮的临界值，而是为证明切应力与回声强度间关系的临时估算值.但是从理论上推断，正如临界切应力的存在，回声强度在水体中不同深度亦存在--临界值，该值也能完全反映水体中是否出现悬浮状态，并且能从回声强度的大小在量上推断 SSC 的变化值，不过需经长期观测及反复验证，也是即将开展的工作之一. 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Based on acoustic backscatter theory， this paper presents the denary logarithmic relation-ship between SSC and the emended ADP signal strength in Lake Taihu on condition that thecomponents of suspended sediment do not change dramatically. Verification is also conductedbased on the observation made at Wugui island in July 2002.The satisfactory results suggest themethod is available in Lake Taihu and has bright prospect in determining SSC. Keywords： ADP； SSC； Lake Taihu； echo intensity