О б р а т н а я с в я з ь
Заказать обратный звонок
Имя*
Телефон*
Комментарий
(044) 390-71-26 (044) 495-28-29

Новость добавлена 12.05.2023

Картографирование состава водной толщи во время батиметрических съемок

 

Гийом Фроман, Николя Ле Дантек, Франс Флок (статья в Hydro International от 5 декабря 2022 г.)

 

Определение поля концентрации взвешенных наносов с помощью многолучевых эхолотов

Измерение взвешенных твердых частиц (ВТЧ) в толще воды по-прежнему представляет собой серьезную проблему, когда речь идет об охвате больших территорий в море или реках. Здесь описан новый метод мониторинга частиц в толще воды в широком пространственном охвате. Он основан на совместном использовании установленного на корпусе  судна многолучевого сонара, откалиброванного на месте, и акустического профилографа обратного рассеяния (АПОР), работающего на нескольких частотах. Этот метод является быстрым и легко применимым и предлагает большие перспективы для получения крупномасштабной информации о взвешенных твердых частицах в толще воды в прибрежных районах.

Распределение и перенос ВТЧ может воздействовать на окружающую среду, начиная от морской среды обитания и качества воды и заканчивая морфологией морского дна. В последние десятилетия значительные усилия были направлены на мониторинг взвеси в различных временных и пространственных масштабах в прибрежных океанах и реках. Системы, обычно используемые в исследованиях ВТЧ, представляют собой акустический доплеровский профилограф течения (ADCP) и АПОР. Однако многолучевой эхолот (МЛЭ) широко используется для батиметрических приложений и может предоставлять двумерные изображения обратного рассеяния водяного столба по всей ширине полосы обзора. Таким образом, МЛЭ дает возможность получать данные ВТЧ в толще воды с большей пространственной репрезентативностью, чем другие акустические системы, такие как АПОР и ADCP.

Однако интерпретация измерений МЛЭ с точки зрения ВТЧ остается сложной из-за сложных конструкций антенн МЛЭ, которые требуют абсолютной калибровки и ее единственной частоты излучения (или, по крайней мере, ограниченного диапазона частот в случае многочастотных систем). Обе проблемы могут быть преодолены для достижения количественного определения ВТЧ с использованием данных водной толщи МЛЭ путем однократной калибровки антенны МЛЭ со стандартной целью и при условии, что измерения многочастотных акустических профилей регулярно повторяются во время съемок МЛЭ. Здесь предлагается новый быстрый и доступный протокол количественного определения ВТЧ с использованием МЛЭ в рамках оригинального полевого эксперимента.

 

Полевой эксперимент

Рис. 1: Расположение устья реки Ольн, Франция.

21 января 2015 г. был проведен эксперимент с небольшого судна под мостом Теренес в устье реки Ольн на северо-западе Франции (Рис. 1а). Устье реки Ольне является мелководным макроприливным притоком Брестского залива. Основными минералами во взвешенном состоянии являются филитовые глины, которые придают ВТЧ склонность флокулировать (выпадать в осадок). Массовая концентрация взвешенных наносов меняется в зависимости от сезона, самые высокие значения наблюдаются во время зимнего половодья (>1 г/л).

МЛЭ EM3002 компании Kongsberg на частоте 300 кГц был установлен на забортной штанге, развернут с судна и снимал водную толщу в течение пяти часов во время отлива с частотой пингования 4 Гц. Диапазон скорости выборки МЛЭ был установлена на 15 кГц, что привело к размеру ячейки 5 см (Рис. 2b). Сырой сигнал обратного рассеяния, поступающий на трансдьюсер, был записан, и был сгенерирован 81 луч в диапазоне от -60° до 60° с постоянным расстоянием между лучами 1,5°. Кроме того, было собрано в общей сложности 20 многочастотных измерений с помощью АПОР (Aquascat 1000S), по одному каждые 15 минут. Aquascat измеряет объемный коэффициент обратного рассеяния на четырех частотах (0,5/1/2/4 МГц) по 256 ячейкам по 5 мм для каждого пинга с частотой пингования 8 Гц. Инструмент располагался горизонтально, чтобы можно было усреднить каждый профиль и присвоить ему определенную глубину. Пробы воды на месте отбирались батометром Нискина через одинаковые промежутки времени и на постоянной глубине 8 м.

Рис. 2: a) Схема протокола калибровки на месте, b) Схема протокола взятия выборок на месте:
1- Рама, на которой размещен батометр Нискина и АПОР, измеряющие горизонтальные акустические профили над толщей воды (Aquascat 1000S) каждые 15 минут,
2 - МЛЭ EM3002 непрерывно записывает сырые данные акустического обратного рассеяния.

 

«Минимальная» калибровка МЛЭ

Процесс формирования луча EM3002 включает в себя управление лучом, что вызывает как различия в уровнях эха по всему веерному лучу МЛЭ, так и расширение эквивалентного телесного угла по мере увеличения угла поворота. Кроме того, существует общее постоянное смещение уровня эха для каждого луча. Все эти эффекты обычно корректируются путем калибровки каждого луча с использованием стандартной мишени или контролируемой взвеси. Эти протоколы отнимают много времени и требуют значительных средств. Вместо этого была разработана полевая полуэмпирическая калибровка, направленная на согласование уровней эха эхолота, чтобы он мог выполнять абсолютные измерения по всем своим веерным лучам.

Первый шаг в предлагаемой многолучевой калибровке ВТЧ состоял из коррекции одного луча вокруг надира с использованием мишени (карбидно-вольфрамовая сфера диаметром 38,1 мм, Рис. 2а) с известными свойствами материала для определения постоянного смещения в дальней зоне МЛЭ с точки зрения отражающей способности цели (ОСЦ). Различия в ОСЦ по всему веерному лучу затем были теоретически оценены по этому единственному лучу путем вычисления диаграммы направленности луча системы, а также оценки поглощения и распространения. Это привело к однородному измерению абсолютного объемного коэффициента обратного рассеяния по всему веерному лучу. Так как для одночастотного МЛЭ слишком много неизвестных, чтобы обеспечить прямую концентрацию ВТЧ для каждого луча из полученной таким образом информации, то поэтому для определения размеров частиц необходима многочастотная информация, такая как информация, предоставляемая АПОР. Поскольку для оценки концентрации и размера взвешенных частиц требуется набор частот, достаточно широко разбросанных в диапазоне 500 кГц - 5 МГц, то использовать современные мультиспектральные многолучевые системы невозможно, и вместо них требуется АПОР.

 

Оценка эквивалентных сферических радиусов взвеси и одночастотная инверсия МЛЭ

АПОР регистрирует абсолютный объемный коэффициент обратного рассеяния на четырех частотах. В общей сложности было преобразовано 20 профилей АПОР, что дало числовую плотность, распределенную по 16 классам эквивалентного сферического радиуса (ESR) с логарифмическим шагом в диапазоне от 30 - 500 мкм на каждой глубине, выбранной АПОР (Рис. 3a).

Рис. 3: а) Решение инверсии по размерным классам по глубине, b) SESR: серая пунктирная линия
показывает предел, ниже которого значения SESR были получены экстраполяцией.

В этом эксперименте была разработана модель обратного рассеяния для учета текущих свойств взвеси с использованием программного обеспечения с открытым исходным кодом Hydrac. Затем по ESR был оценен эквивалентный сферический радиус взвеси (SESR) для уникального размерного класса, учитывающего всю взвесь. SESR были линейно интерполированы, чтобы соответствовать частоте съемки МЛЭ и глубине выборки луча. Равномерная экстраполяция применялась к самым глубоким ячейкам в столбце, когда эти ячейки не покрывали диапазон профилирования МЛЭ.

Рис. 4: (а) Инвертированная весовая процентная концентрация, наблюдаемая по центральному лучу эхолота;
(b) Временные ряды сырых данных (сплошные линии) и 10 мин. усредненная весовая процентная концентрация (пунктирные линии),
оцененные с помощью надирного луча (черные линии) и луча направленного под углом 30° (серые линии),
по сравнению с концентрациями выборок на месте (красные точки).

 

Инверсия интенсивности обратного рассеяния МЛЭ

Рис. 3b иллюстрирует SESR, найденный для каждой ячейки глубины. Обнаруженные диапазоны SESR составляли от 70 мкм до 170 мкм и, по-видимому, постоянно увеличивались на протяжении всего эксперимента.

На Рис. 4 представлены инвертированные временные ряды сигнала МЛЭ для центрального луча вдоль толщи воды, а также сравнение между двумя лучами под углами 0° и 30° и наблюдениями на месте из батометра Нискина на фиксированной глубине 7,75 м. Расчетная весовая процентная концентрация увеличивалась с 07:00 (начало отлива) до 09:30. После 09:20 произошло умеренное помутнение, концентрация достигла 600 мг/л. После 10:30 концентрация снизилась до ~100 мг/л, по-прежнему демонстрируя хорошо заметный градиент вблизи дна. Пространственная картина оценок весовой процентной концентрации с помощью МЛЭ и ее эволюция во времени (Рис. 4b) хорошо согласуются с вариациями весовой процентной концентрации, определенными по выборкам воды.

Наконец, на Рис. 5 показана весовая процентная концентрация на шести последовательных эхограммах. Отчетливый контраст можно наблюдать у русла реки, где до 09:20 с левого борта эхолота медленно формировался более концентрированный слой (Рис. 5а). Несмотря на некоторые артефакты калибровки, видимые с левой стороны эхолота (от 10° до 30°), эхограммы дают хорошее представление о динамике поля концентрации взвеси.

Рис. 5: Эхограммы весовой процентной концентрации
в последовательные моменты времени между 09:20 и 09:50.

 

Выводы

Инверсия сырых данных МЛЭ для количественного определения взвешенных отложений применима к любому участку съемки, если известна непротиворечивая модель, описывающая свойства рассеяния целевой взвеси, как в случае с морскими отложениями. Демонстрируется потенциал МЛЭ для количественной оценки ВТЧ в большом пространственном охвате. С помощью разработанного протокола калибровки сырые многолучевые данные могут быть преобразованы в согласованные отсчеты по вееру измерений. Результаты инверсии хорошо согласуются с массовыми концентрациями на месте и дают доступ к временной эволюции двумерного поля весовой процентной концентрации. После калибровки МЛЭ выдает отсчеты. Если необходимо измерить на другой площадке, можно применить ту же методологию. Однако тогда для правильного типа ВТЧ требуется модель обратного рассеяния. Это исследование подтверждает интерес к использованию активной акустики для целей мониторинга ВЧ и подчеркивает необходимость доступа к сырым данным о столбе воды от коммерческих систем МЛЭ.