Картографування складу водної товщі під час батиметричних зйомок

Гійом Фроман, Ніколя Ле Дантек, Франс Флок (стаття у Hydro International від 5 грудня 2022 р.)

Визначення поля концентрації завислих наносів за допомогою багатопроменевих ехолотів

Вимірювання завислих твердих частинок (ВТЧ) у товщі води, як і раніше, є серйозною проблемою, коли йдеться про охоплення великих територій у морі або річках. Тут описаний новий метод моніторингу частинок у товщі води у широкому просторовому охопленні. Він заснований на спільному використанні встановленого на корпусі судна багатопроменевого сонара, відкаліброваного на місці, і акустичного профілографа зворотного розсіювання (АПЗР), що працює на декількох частотах. Цей метод є швидким і легко застосовним і пропонує великі перспективи для отримання великомасштабної інформації про зависли тверді частинки в товщі води в прибережних районах.

Розподіл та перенесення ВТЧ може впливати на навколишнє середовище, починаючи від морського середовища проживання та якості води та закінчуючи морфологією морського дна. В останні десятиліття значні зусилля були спрямовані на моніторинг суспензії у різних часових та просторових масштабах у прибережних океанах та річках. Системи, що зазвичай використовуються в дослідженнях ВТЧ, являють собою акустичний доплерівський профілограф течії (ADCP) і АПЗР. Однак багатопроменевий ехолот (БПЕ) широко використовується для батиметричних додатків і може надавати двовимірні зображення зворотного розсіювання водяного стовпа по всій ширині смуги огляду. Таким чином, БПЕ дає можливість отримувати дані ВТЧ у товщі води з більшою просторовою репрезентативністю, ніж інші акустичні системи, такі як АПЗР та ADCP.

Однак інтерпретація вимірювань БПЕ з точки зору ВТЧ залишається складною через складні конструкції антен БПЕ, які вимагають абсолютного калібрування та його єдиної частоти випромінювання (або, принаймні, обмеженого діапазону частот у разі багаточастотних систем). Обидві проблеми можуть бути подолані для досягнення кількісного визначення ВТЧ з використанням даних водної товщі МЛЕ шляхом одноразового калібрування антени БПЕ зі стандартною метою та за умови, що виміри багаточастотних акустичних профілів регулярно повторюються під час зйомок БПЕ. Тут пропонується новий швидкий та доступний протокол кількісного визначення ВТЧ із використанням БПЕ у рамках оригінального польового експерименту.

Польовий експеримент

Мал. 1: Розташування гирла річки Ольн, Франція.

21 січня 2015 р. було проведено експеримент із невеликого судна під мостом Теренес у гирлі річки Ольн на північному заході Франції (Мал. 1а). Устя річки Ольні є мілководним макроприливним припливом Брестської затоки. Основними мінералами у завислому стані є філітові глини, які надають ВТЧ схильність флокулювати (випадати в осад). Масова концентрація завислих наносів змінюється залежно від сезону, найвищі значення спостерігаються під час зимової повені (1 г/л).

БПЕ EM3002 компанії Kongsberg на частоті 300 кГц був встановлений на забортній штанзі, розгорнутой з судна та знімал водну товщу протягом п'яти годин під час відливу з частотою пінгування 4 Гц. Діапазон швидкості вибірки БПЕ був встановлений на 15 кГц, що призвело до розміру комірки 5 см (Мал. 2b). Сирий сигнал зворотного розсіювання, що надходить на трансдьюсер, був записаний, і був згенерований 81 промінь в діапазоні від -60° до 60° з постійною відстанню між променями 1,5°. Крім того, було зібрано загалом 20 багаточастотних вимірювань за допомогою АПЗР (Aquascat 1000S), по одному кожні 15 хвилин. Aquascat вимірює об'ємний коефіцієнт зворотного розсіювання на чотирьох частотах (0,5/1/2/4 МГц) по 256 осередках по 5 мм для кожного пінгу з частотою пінгування 8 Гц. Інструмент розташовувався горизонтально, щоб можна було усереднити кожен профіль та присвоїти йому певну глибину. Проби води на місці відбиралися батометром Ніскіна через однакові проміжки часу та на постійній глибині 8 м.

Мал. 2: a) Схема протоколу калібрування на місці; b) Схема протоколу взяття вибірок на місці:
1- Рама, на якій розміщено батометр Ніскіна та АПЗР, що вимірюють горизонтальні акустичні профілі над товщею води (Aquascat 1000S) кожні 15 хвилин,
2 - БПЕ EM3002 безперервно записує сирі дані акустичного зворотного розсіювання.

«Мінімальне» калібрування БПЕ

Процес формування променя EM3002 включає управління променем, що викликає як відмінності в рівнях еха по всьому вієрному променю БПЕ, так і розширення еквівалентного тілесного кута в міру збільшення кута повороту. Крім того, існує загальне постійне усунення рівня еха для кожного променя. Всі ці ефекти зазвичай коригуються шляхом калібрування кожного променя з використанням стандартної мішені або суспензії, що контролюється. Ці протоколи забирають багато часу та потребують значних коштів. Натомість було розроблено польове напівемпіричне калібрування, спрямоване на узгодження рівнів еха ехолота, щоб він міг виконувати абсолютні вимірювання по всіх своїх вієрних променях.

Перший крок у пропонованому багатопроменевому калібруванні ВТЧ складався з корекції одного променя навколо надиру з використанням мішені (карбідно-вольфрамова сфера діаметром 38,1 мм, Мал. 2а) з відомими властивостями матеріалу для визначення постійного зміщення в дальній зоні БПЕ з точки зору відображающей здатності цілі (ВЗЦ). Відмінності в ВЗЦ по всьому вієрному променю потім були теоретично оцінені з цього єдиного променя шляхом обчислення діаграми спрямованості променя системи, а також оцінки поглинання та розповсюдження. Це призвело до однорідного виміру абсолютного об'ємного коефіцієнта зворотного розсіювання по всьому вієрному променю. Так як для одночастотного БПЕ занадто багато невідомих, щоб забезпечити пряму концентрацію ВТЧ для кожного променя з отриманої таким чином інформації, то для визначення розмірів частинок необхідна багаточастотна інформація, така як інформація, що надається АПЗР. Оскільки для оцінки концентрації та розміру завислих частинок потрібен набір частот, досить широко розкиданих в діапазоні 500 кГц - 5 МГц, то використовувати сучасні мультиспектральні багатопроменеві системи неможливо, і замість них потрібно АПЗР.

Оцінка еквівалентних сферичних радіусів суспензії та одночастотна інверсія БПЕ

АПЗР реєструє абсолютний об'ємний коефіцієнт зворотного розсіювання на чотирьох частотах. Загалом було перетворено 20 профілів АПЗР, що дало числову щільність, розподілену за 16 класами еквівалентного сферичного радіусу (ESR) з логарифмічним кроком в діапазоні від 30 - 500 мкм на кожній глибині, вибраної АПЗР (Мал. 3a).

Мал. 3: а) Рішення інверсії за розмірними класами за глибиною; b) SESR: сіра пунктирна лінія
показує межу, нижче за яку значення SESR були отримані екстраполяцією.

У цьому експерименті була розроблена модель зворотного розсіювання для врахування поточних властивостей суспензії з використанням програмного забезпечення з відкритим вихідним кодом Hydrac. Потім ESR оцінив еквівалентний сферичний радіус суспензії (SESR) для унікального розмірного класу, що враховує всю суспензію. SESR були лінійно інтерполіровані, щоб відповідати частоті зйомки БПЕ та глибині вибірки променя. Рівномірна екстраполяція застосовувалася до найглибших осередків у стовпці, коли ці осередки не покривали діапазон профілювання БПЕ.

Мал. 4: (а) Інвертована вагова процентна концентрація, що спостерігається по центральному променю ехолота;
(b) Тимчасові ряди сирих даних (суцільні лінії) та 10 хв. усереднена вагова процентна концентрація (пунктирні лінії),
оцінені за допомогою надирного променя (чорні лінії) та променя спрямованого під кутом 30° (сірі лінії),
порівняно з концентраціями вибірок на місці (червоні точки).

Інверсія інтенсивності зворотного розсіювання БПЕ

Мал. 3b ілюструє SESR, знайдений для кожного осередку глибини. Виявлені діапазони SESR становили від 70 до 170 мкм і, мабуть, постійно збільшувалися протягом усього експерименту.

На Мал. 4 представлені інвертовані часові ряди сигналу БПЕ для центрального променя вздовж товщі води, а також порівняння між двома променями під кутами 0° та 30° та спостереженнями на місці з батометра Ніскіна на фіксованій глибині 7,75 м. Розрахункова вагова процентна концентрація збільшувалася з 07:00 (початок відливу) до 09:30. Після 09:20 відбулося помірне помутніння, концентрація досягла 600 мг/л. Після 10:30 концентрація знизилася до ~100 мг/л, як і раніше, демонструючи добре помітний градієнт поблизу дна. Просторова картина оцінок вагової процентної концентрації за допомогою БПЕ та її еволюція в часі (Мал. 4b) добре узгоджуються з варіаціями вагової процентної концентрації, визначеними за вибірками води.

Зрештою, на Мал. 5 показано вагову процентну концентрацію на шести послідовних ехограмах. Виразний контраст можна спостерігати біля русла річки, де до 09:20 з лівого борту ехолота повільно формувався концентрований шар (Мал. 5а). Незважаючи на деякі артефакти калібрування, видимі з лівого боку ехолота (від 10 до 30), ехограми дають гарне уявлення про динаміку поля концентрації суспензії.

Мал. 5: Ехограми вагової процентної концентрації
у послідовні моменти часу між 09:20 та 09:50.

Висновки

Інверсія сирих даних БПЕ для кількісного визначення завислих відкладень може бути застосована до будь-якої ділянки зйомки, якщо відома несуперечлива модель, яка описує властивості розсіювання цільової суспензії, як у випадку з морськими відкладеннями. Демонструється потенціал БПЕ для кількісної оцінки ВТЧ у великому просторовому охопленні. За допомогою розробленого протоколу калібрування сирі багатопроменеві дані можуть бути перетворені на узгоджені відліки по вієру вимірювань. Результати інверсії добре узгоджуються з масовими концентраціями на місці та дають доступ до тимчасової еволюції двовимірного поля вагової процентної концентрації. Після калібрування БПЕ видає відліки. Якщо необхідно виміряти на іншому майданчику, можна застосувати ту саму методологію. Однак для правильного типу ВТЧ потрібна модель зворотного розсіювання. Це дослідження підтверджує інтерес до використання активної акустики з метою моніторингу ВЧ та наголошує на необхідності доступу до сирих даних про стовп води від комерційних систем БПЕ.