底边界层水沙观测系统和应用.doc

文章编号 :100529865 (2009) 0120055207底边界层水沙观测系统和应用徐俊杰1 , 何青1 , 王元叶1 ,2(1 . 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室 ,上海200062 ; 2 . 交通部上海河口海岸科学研究中心 ,上海201201)摘 要 :利用现代先进的光学和声学测量仪器 (ADP、PC2ADP、ADV 、OBS 等) ,组制四角架观测系统用于底边界层的水沙观测 。此观测系统既可获取垂向流速场 ,更可获取常规水文观测难以获取的高分辨率的近底流速 、近底单点紊动过程 、近底温盐沙 和波浪过程 。利用此观测系统于 2007 年 8 月在长江口北槽最大浑浊带内进行了实地观测 。分析四角架观测数据与同步船测底部数据表明 ,四角架观测系统在近底 (特别是底部明显分层) 观测时表现出明显优势 。常规水文观测测得底部含沙量一般 只相当于距底 70120 cm 高度含沙量 ;船测底部最大含沙量为 5. 8 kg/ m3 ,而架测距底 30 cm 处最大含沙量有 25 kg/ m3 ;近底含沙量较高时往往出现强分层 ,强分层时实测距底 30 cm 处含沙量可达距底 120 cm 处含沙量的 5 倍 ;船测底部流速比架测距底30 cm 处流速平均偏大 45 % ;但距底 30 cm 处最大流速仍可达 1. 2 m/ s 。船测数据也验证了四角架观测数据的正确性 。关键词 :四角架 ;底边界层 ;泥沙 ;流速 ;长江口中图分类号 : TV148. 1文献标识码 : 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 ; 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 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. 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 approximate 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 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 boundary layer ; sediment ; velocity ; the Yangtze estuary底边界层一般认为是水流结构明显受底床影响的水层1 - 2 。在底边界层内 ,能量的摩擦耗散作用强烈 ,有着与上部水体明显不同的动力学特征 。作为水体和底床直接相互作用的层面 ,往往伴随着两者之间颗粒收稿日期 :2008206210基金项目 :国家自然科学基金创新团队资助项目 (40721004) ;973 课题 (2008DFB90240) ;上海市科委重大基础资助项目 (07DJ 14003 - 01)作者简介 :徐俊杰 (1984 - ) ,男 ,江苏镇江人 ,硕士研究生 ,主要从事河口海岸工程泥沙研究 。通讯作者 :何青物 、化学物质和有机体的频繁交换3 。就泥沙而言 ,泥沙的侵蚀 、输移和沉积过程也主要发生在底边界层内 。这些过程直接影响着床面的稳定性 、物质输移及底栖动物群落4 - 5 。因此河口和大陆架底边界层一直是海 洋学家 、海岸工程学家和环境学家的关注点 。长江河口作为世界上典型的高浊度河口 ,以丰富的泥沙供应和 大量的细颗粒泥沙而著称6 ,河床冲淤和泥沙再悬浮显著7 ,但由于传统的水文观测方法无法得到近底完整 连续的水沙资料 ,长江河口底边界层的实测研究相对较少 。河口与大陆架底边界层的观测研究往往依赖于在河床上布放装配仪器的观测系统 。1964 年美国华盛 顿大学的 Sternberg 首次使用三脚架来观测和研究 Puget Sound 潮汐水道中的底边界层水沙运动 ,通过观测到的近底流速分布计算了底部剪切应力和拖曳系数 ,并研究了在实验室和河流实验中获得的公式在潮汐水道中的适用性8 。其后 ,美国国家地质调查局 (USGS) 、弗吉尼亚海洋研究所 (VIMS) 、美国国家海洋和大气管理 局 (NOAA) 等分别独立制作了各自的近底观测系统9 , 并组织参与了一系列大型的观测项目 ( CODE9 - 11 ,STRESS9 ,12 ,STRATAFORM9 ,13 , EuroSTRATAFORM9 ,14 - 15 ) 。而同类型观测系统和研究在中国相对较少 。华 东师范大学河口海岸学国家重点实验室从 2005 年开始 ,利用现代先进的光学和声学测量仪器 (OBS , ADP ,PC2ADP , ADV2Ocean 等) ,组建了近底四角架观测系统5 ,并进行了多次野外实地观测 。在此结合观测实例 ,阐述了此近底四角架观测系统的基本构架及其可获得的数据类型 。并将四角架数据与同步常规水文观测底 部数据进行了比较 。1 四角架近底观测系统简介本四角架近底观测系统呈正棱台状 (图 1) ,总高 2 . 3 m 。分为 3 层 ,第一层四边长 0 . 6 m ,四角上有圆环 , 用于整个四角架系统的布放和回收 ;第二层距底 1 . 8 m ,四边长 1 m ,架设胶合板 ,用于固定 ADP 、PCADP 和 ADV2Ocean 设备 ;最下层为底座 ,边长 2 . 5 m ,安放浪潮仪等设备 。底座四角用铸铁制造 ,有向下突起 ,便于在 河床固定 ,角间铺放带孔的胶合板 ,以增加整个系统在河床上的稳定性 ,防止侧翻 。四角架上安装仪器采用 SonTek 公司生产的 ADP 、PC2ADP 、ADV2Ocean ,D &A 公司生产的 OBS 和 SEA2B IRD 公司生产的 SB E226 浪潮仪 。 ADP 、PC2ADP 、ADV2Ocean 仪器都是基于声学多普勒原理 ,利用发射信号与水体中颗粒反射信号之间的相位 差来计算流速 ,可以不干扰水体准确测量流速 。近年来在国内外使用广泛 ,可参考文献 16 - 18。OBS 利用 光学红外后向散射原理来获取水体中悬浮物浊度 ,然后通过相关分析 ,将浊度转化为颗粒物浓度 ,具有操作 简单 、快速 、实时 、连续等优点 。具体原理和应用可参考文献 19 - 20。各仪器参数介绍见表 121 - 24 。ADP 布放在第二层胶合板上 ,探头向上 ,用于测量上部水体流速场 。PC2ADP 布放在第二层胶合板上 ,探头向下 , 用于测量近底高分辨率的流速场 。第二层上同时固定向下钢管 ,钢管底部安放探头向下的 ADV2Ocean ,ADV2Ocean 探头发射器距底 48 cm ,用于测量距底 30 cm 处高精度的流速过程和紊动过程 。OBS 固定在四角架边 柱上 ,一般放置 34 个 ,可获取近底不同高度连续的浊度过程 ,通过室内标定可获得近底的含沙量过程 。 SB E226 型浪潮仪布放在底部 ,测量波浪和潮高 。各仪器分别自带电池和内存 ,采用自容模式运行 。在仪器 布放中 ,为防止数据受仪器间的互相干扰以及四角架边柱对流场的影响 ,注意了各仪器之间的距离及其距边 柱距离 。从测量结果来看 ,数据是稳定合理的 。表 1 四角架上各布放仪器介绍Ta b. 1 Introduction to the equipment of tetra pod仪器名主要功能基本参数最小盲区 50 cm ,测量范围 0. 11 000 cm/ s ,精度为测量流速的 ±1. 0 %最小分层 2 cm ,分辨率 0. 1 cm/ s采样频率 0. 125 Hz ,精度为测量范围 ±1 % ,可采用多频 率测量模式测量流速场1M ADP1. 5M PC2ADP测量高分辨率流速场ADV2Ocean测量高精度单点流速和紊动浊度范围 0. 24 000 ,误差 2 % ,温度误差 0. 075 ,电导率误差 0. 1 psu压力精度 0. 01 % FSOBS测量含沙量 ,温度和盐度SBE226测量波浪和潮高第 1 期徐俊杰 ,等 :底边界层水沙观测系统和应用57图 1 四角架观测系统Fig. 1 ECNU tetrapod system2 应用实例2. 1 研究区域2007 年 8 月 1416 日在长江口北槽进行了四角架观测系统的布放 。布放位置选择在北槽高回淤区的 航道南侧 ,D28 航标灯以南 300 m 附近 ,水深 7 m 的地形较平整处 (图 2 ,坐标 31°14 . 007N ,122°02 . 005E) 。2. 2 仪器设置与数据处理在仪器设置中 ,应注意保持各仪器采样时间一致 ,方便数据的同步和分析 。本次测量中 ,各仪器的基本 设置描述如下 :ADP 设置分层单元为 0 . 4 m ,Ocean 采用多频率耦合测量模式 。共有 3 个频率 ,频率 1 为 0 . 5Hz ,盲区 0 . 7 m ,采样间隔为 10 min 。ADV2用于平均流 速的测量 , 采样间隔为 15 min ,采样数为 60 ; 频率 2 为4 Hz ,用于波浪轨迹流速的测量 , 采样间隔为 30 min , 采样数为 2 048 ; 频率 3 为 25 Hz , 用于紊动流速的测 量 ,采样间隔为 15 min ,采样数为 2 500 。PC2ADP 设置 分层单元为 3 . 2 cm ,盲区 10 cm ,采样间隔 5 min 。OBS 设置采样间隔为 5 min , 四个 OBS 序列号分别为 114 、116 、117 、118 ,分别距底高度为 1 . 2 m ,0 . 75 m ,0 . 5 m ,0 . 3 m 。SB E226 设置为每 10 min 测一次潮位 ,每 1 h 测 一次波浪 。在数据处理中 ,注意检查各仪器罗盘在测 量过程中记录的角度 ,确保四角架系统和各仪器在测量过程中的稳定 。通过检查罗盘角度 ,认为四角架系统和各装配仪器在整个观测期间基本稳定 。OBS 直接 获得的浊度数据利用采集的四角架布放位置附近近底 悬浮泥沙进行标定 ,获得含沙量 。2. 3 采集获得的数据2. 3 . 1 近底水沙盐连续过程图 2 四角架观测站位Fig. 2 Map of the study sites showing locations of tetrapod deployment在四角架布放位置附近安排了测船对四角架系统进行看护 ,同时进行常规的水文观测 。测船采用 Son2Tek 公司生产的 ADP 进行流速测量 ,采用 6 点法整点取水后进行室内分析获取含沙量和盐度 。考虑到 ADP底部悬挂铅鱼 ,铅鱼底部到采水器还有一段高度 ,故采水器的底部采样也并非为真正的底部 。图 3 为四角架观测 (架测) 连续数据与船测近底数据的比较 。可以看出船测底部流速过程与架测距底 30 cm 处流速过程相 位一致 ,流向基本相同 ,但流速平均偏大 45 % 。主要是由于船测的“底部”高度实际上高于距底 30 cm 。船测 近底盐度与架测盐度吻合较好 ,表现出近底盐度分层不明显 。船测含沙量与架测距底 75 cm 和 120 cm 处含 沙量吻合较好 ,以 2007 年 8 月 15 日 1300 时为例 ,四角架测距底 30 cm 处含沙量达 11 . 0 kg/ m3 ,而距底 120cm 处含沙量为 6 . 3 kg/ m3 ,船实测含沙量为 5 . 9 kg/ m3 ,说明船测底部含沙量实际上是距底 70120 cm 处的 含沙量 。而在某些时刻近底含沙量分层明显 ,如 2007 年 8 月 15 日 1330 时 ,四角架测距底 30 cm 处含沙量 高达 25 . 0 kg/ m3 ,但距底 120 cm 处含沙量只有 4 . 0 kg/ m3 ,故此时船测无法获取真实的近底含沙量 。船测数 据验证了四角架数据的正确性 ,同时也突显出四角架在近底 (特别是底部分层明显) 观测时的优势 。图 3 近底水沙盐过程 (图中细线表示 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 example of 1500 ,2007208215)第 1 期徐俊杰 ,等 :底边界层水沙观测系统和应用592 . 3 . 2垂向流速场利用四角架上装配的 PC2ADP 和 ADP ,可获取近底高分辨率的流速场和上部水体流速场 ,以 2007 年 8 月15 日 1500 (图 3 中细线位置) 数据为例 (图 4) 。在距底 1 . 6 m 范围以内 ,每隔 3 cm 便有一个流速数据 ,共有45 个流速点 ,能清晰反映近底流速剖面 。上部水体每 40 cm 有一个流速点 。四角架系统能获取近底 2 m 以 内和距底 3 m 以上的流速场 。而距底 23 m 内可考虑加载 12 个自记流速仪以弥补此部分的流速数据缺失 。垂向和近底流速数据可用来分析垂向流速分布特征和边界层内流速分布特征 ,近底流速可用来估算底 部糙率长度和剪切应力等 。图 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近底垂向温盐沙场OBS 有浊度探头 、盐度探头和温度探头 ,因此可获取近底温盐沙场 。以 2007 年 8 月 15 日 1500 数据为 例 (图 5) ,此时含沙量和盐度分层明显 ,温度相对均匀 。距底 1 . 2 m 处含沙量为 1 . 7 kg/ m3 ,此时船测含沙量 为 1 . 6 kg/ m3 。而距底 30 cm 处含沙量为 5 . 6 kg/ m3 ,是常规 6 点法底部含沙量的 3 倍多 。近底垂向温盐沙场 可用来研究层化现象 、底部泥沙的冲刷和聚集 ,以及波流对底部泥沙的影响等 。图 5 2007 年 8 月 15 日 1500 近底温盐沙场Fig. 5 Near bottom sediment concentration , salinity and temperature (1500 ,200728215)2 . 3 . 4近底紊动场ADV2Ocean 采样频率 25 Hz 得到的瞬时流速可用来分析紊动情况 。以 2007 年 8 月 15 日 15 :10 时数据为 例 (图 6) ,分别为东向 、北向和垂向瞬时流速过程 ,可用来进行紊动特征的探讨 。连续的紊动数据可用来分 析紊动特征的潮内变化 、紊动的产生和耗散 、紊动特征与水流泥沙间的相互关系等 。图 6 2007 年 8 月 15 日 1510 近底瞬时流速Fig. 6 Near bottom instantaneous velocity (1500 ,200728215)3 结语1) 利用先进的声学和光学仪器组建四角架近底观测系统 。此观测系统既可获取垂向流速场 ,更可获取常规水文观测难以获取的近底温盐沙的连续过程 ,近底高分辨率的流速场 ,近底高精度的流速过程和紊动过 程 。利用此四角架系统在野外进行观测 ,获得了连续可靠的底边界层数据 。2) 与同步常规水文观测底部数据对比表明 ,四角架系统在近底 (特别是底部明显分层) 观测时较常规水 文观测方法表现出明显优势 。常规水文观测测得底部含沙量一般只相当于距底 70120 cm 高度含沙量 。船测底部最大含沙量为 5 . 8 kg/ m3 ;而架测距底 30 cm 最大含沙量有 25 . 0 kg/ m3 。近底含沙量较高时往往出现强分层 ,强分层时实测距底 30 cm 处含沙量可达距底 120 cm 处含沙量的 5 倍 。船测底部流速比架测距底30 cm 处流速平均偏大 45 % ,在距底 30 cm 处最大流速仍可达 1 . 2 m/ s 。参考文献 :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 continental2shelf bottom boundary layer J . Ann. Rev. Fluid Mech. , 1986 , 18 :265 - 305. Wright L D. Benthic boundary layers of estuarine and coastal environments J . Aquatic Science , 1989 ,1 (1) :75 - 94.王元叶. 细颗粒泥沙近底边界层观测和模型研究 D .上海 : 华东师范大学 , 2007.唐建华. 长江口及其邻近海域粘性细颗粒泥沙絮凝特性研究 D .上海 : 华东师范大学 , 2007.陈沈良. 长江口水域悬沙浓度时空变化与泥沙再悬浮J . 地理学报 , 2004 , 59 (2) :260 - 266.Sternberg R W. Friction factors in tidal channels with differing bed roughness J . Marine Geology , 1968 , 6 :243 - 260.Cacchione D A , Sternberg R W , Ogston A S. Bottom instrumented tripods history , applications , and impactsJ . Continental Shelf Re 2search , 2006 , 26 :2319 - 2334.Grant W D , Williams A J , Glenn S M. Bottom stress estimates and their prediction on the northern California continental shelf duringCODE - 1 J . Journal of Physical Oceanography , 1984 , 14 :506 - 527.Cacchione D A , Grant W D , Drake D E , et al . Storm2dominated bottom boundary layer dynamics on the northern California continen2tal shelf : measurements and predictions J . Journal of Geophysical Research , 1987 , 87 : 1817 - 1827.Sherwood C R , Butman B , Cacchione D A , et al . Sediment2transport events on the northern California continental shelf during the1990 - 1991 STRESS experiment J . Continental Shelf Research , 1994 , 14 :1063 - 1099.Nittrouer C A. STRATAFORM , overview of its design and synthesis of its resultsJ . Marine Geology , 1999 , 154 :3 - 12.Nittrouer C A , Miserocchi S , Trincardi F. The PASTA project : investigation of Po and Apennine sediment transport and accumulationJ . Oceanography , 2004 , 17 :46 - 57.Fain A M V , Ogston A S , Sternberg R W. Sediment transport event analysis on the western Adriatic continental shelf J . ContinentalShelf Research , 2007 , 27 :431 - 451.Haren H V. Estimates of sea level , waves and winds from a bottom2mounted ADCP in a shelf sea J . Journal of Sea Research , 2001 ,45 :1 - 14.Lacy J R , Sherwood C R. Accuracy of a Pulse2Coherent Acoustic Doppler Profiler in a wave2dominated flow J . Journal of Atmo 21011121314151617第 1 期徐俊杰 ,等 :底边界层水沙观测系统和应用61spheric and Oceanic Technology , 2004 , 21 :1448 - 1461.Kim S C , Friedrichs C T , ASCE member , et al . Estimating bottom stress in tidal boundary layer from Acoustic Doppler Velocimeter data J . Journal of Hydraulic Engineering , 2000 , 126 :399 - 406.Downing J . Twenty2five years with OBS sensors : The good , the bad , and the ugly J . Continental Shelf Research , 2006 , 26 :2299 -2318.刘 红 , 何 青 , 王元叶 , 等. 长江口浑浊带海域 OBS 标定的实验研究J . 泥沙研究 , 2006 , (5) :52 - 58. SonTek. ADP (Acoustic Doppler Profiler) Operation Manual M . San Diego , CA92121 USA ,2001.SonTek/ YSI. ADVField/ Hydra Operation Manual M . San Diego , CA 92121 - 3217 USA ,2001. D &A Instrument Co . OBS23A Operation Manual M . Rev 10. 2001.SEA2BIRD Electronics , INC. SBE 26 - 03 Seagauge Wave And Tide Recorder Operating Manual M . 1994.18192021222324简讯水利水运工程学报创刊 30 周年水利水运工程学报创刊于 1979 年 ,系国家水利部主管 ,南京水利科学研究院主办的学术性科技期刊 ,国内外公开发行 。主要报道水利水电 、水运 、海洋工程和土木建筑等工程的规划 ,可行性研究 ,设计 ,科研 ,施工 ,监理以及管理工作中的新理论 ,新技术 ,新方法和新材料等 。该刊为全国中文核心期刊和中国科技核心期刊 ,已被国内外多家检索机构和数据库收录 ,深受水利水电 、水运交通及海洋工程领域广大科技人员和院校师生的欢迎 。海洋工程编辑部