一种海底沉积物再悬浮临界应力测量方法及观测装置与流程

本发明涉及海洋沉积动力学领域，特别涉及一种海底沉积物再悬浮临界应力测量方法及观测装置。

背景技术：

悬浮颗粒物在水体中的输运及其动力过程研究是沉积动力学以及海洋生态系统的基础课题。再悬浮是沉积动力学的重要过程，研究沉积物的再悬浮等临界过程对提高悬浮颗粒物输运数值模式的精度和预测侵蚀与沉降有重要意义。目前直接观测临界状态的仪器大多破坏了沉积物或水动力环境，高频流速观测和声学反演技术的应用，可以在不破坏现场环境的情况下获得底边界层底应力和悬浮物质量浓度的变化，并且能较准确的得到再悬浮临界应力等动力学参数。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在不破坏现场环境的情况下获得底边界层底应力和悬浮物质量浓度的变化，并且准确的得到再悬浮临界应力等动力学参数的一种海底沉积物再悬浮临界应力测量方法和观测装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海底沉积物再悬浮临界应力测量方法，步骤如下：步骤一：调设观测装置各仪器参数，观测装置包括：声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒流速仪、光学后向散射浊度仪和温盐深仪，参数设置包括采样模式、频率、工作起止时间；步骤二：布设观测装置，将观测装置放置海底；步骤三：观测结束后从海底收回观测装置，获取各仪器原始数据；步骤四：数据读取和原始数据预处理，读取声学多普勒流速剖面仪原位测量的回声强度、声学多普勒流速仪原位测量的流速和光学后向散射浊度仪原位测量的后向散射浊度数据且进行预处理；步骤五：根据步骤四的回声强度计算后向散射强度sv、流速计算底应力、用高频质量浓度标定后向散射强度sv,用sv反演悬浮物质量浓度ssc；步骤六：根据步骤五的悬浮物质量浓度ssc，计算ssc对时间的导数，当导数为正值且保持十分钟以上时，确定为发生再悬浮事件，统计发生再悬浮次数和对应的底应力，确定沉积物再悬浮临界应力。

所述步骤一装置各仪器参数，采样模式为连续或间断采样；声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒流速仪和光学后向散射浊度仪的采样频率分别为2hz、32hz和1hz；声学多普勒流速剖面仪的盲区和层厚分别为0.5m和0.5m；各仪器的工作开始时间一致。

所述步骤四原始数据预处理为光学后向散射浊度仪所测得的原始浊度数据去异常值，先进行时间平均，并标定得到高频的质量浓度序列；声学多普勒流速剖面仪测得的回声先去除盲区数值、异常值，对空缺进行线性插值，并进行时间平均；声学多普勒流速仪测得的流速先进行去噪处理、去粗大值和用线性插值补齐，再进行时间平均。

所述进行时间平均的时间为0.5—5min。

一种用于权利要求1所述的海底沉积物再悬浮临界应力测量方法的观测装置，包括：本体、连接本体的底座支架和若干侧壁支撑杆，所述本体底部设有托板，所述托板上面设有电池仓和声学多普勒流速剖面仪，所述侧壁支撑杆设有光学后向散射浊度仪和温盐深仪和声学多普勒流速仪。

光学后向散射浊度仪安装高于声学多普勒流速剖面仪。

所述本体为不锈钢圆柱体框架结构，所述侧壁支撑杆为不锈钢管。

所述底座支架设置三个支点，每个支点都设有一个防沉降地脚圆盘，所述防沉降地脚圆盘下面均设有等重量和大小的铅块，所述铅块下端的尖脚长10cm，直径2cm。

所述托板上设有一端固定，另一端为活动式仪器夹子。

所述本体上设有吊环。

本发明的有益效果是：多套仪器同步观测，有效获取高分辨率水体垂向剖面的流速、回声强度和浊度数据；实现长时间观测和存储，数据连续，分辨率高；在不破坏现场环境的情况下，获得悬浮物质量浓度的变化，得到较准确的海底底边界层底应力和临界应力等参数。

附图说明

图1为一种海底沉积物再悬浮临界应力观测装置示意图；

图2为一种海底沉积物再悬浮临界应力测量方法声学多普勒流速剖面仪数据预处理流程图；

图3为一种海底沉积物再悬浮临界应力测量方法流程示意图。

其中：

1、本体2、底座支架3、吊环

4、侧壁支撑杆5、防沉降地脚6、铅块

7、电池仓8、声学多普勒流速剖面仪

9、光学后向散射浊度仪

10、温盐深仪11、托板12、声学多普勒流速仪

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种海底沉积物再悬浮临界应力观测装置的技术方案，包括：本体1、连接本体1的底座支架2和若干侧壁支撑杆4，本体底部设有托板11，托板11上面设有电池仓7和声学多普勒流速剖面仪8，侧壁支撑杆4分别设有光学后向散射浊度仪9、温盐深仪10和声学多普勒流速仪12，本体1上设有吊环3，底座支架2的支点下面设有防沉降地脚圆盘5，防沉降地脚圆盘5下面均设有铅块6。

观测装置选择耐海水腐蚀且能有效防止生物附着的不锈钢材料制作，如316l型号；装置底座支架2设置三个支点，每个点都有一个圆盘，以防止装置陷入更深的海底沉积物中；圆盘下方浇灌同等重量和大小的铅块6，尖角长10cm直径2cm，是为了方便其扎入海底沉积物，并保持稳固，在工作期间不发生较大位移；装置本体1部分为圆柱体框架结构，目的是为了减少水平对流的阻力；本体1顶部设有半圆环式吊环，方便装置的布放和回收。

由于装置上配备有不同的仪器，为了保证仪器的稳固，在装置的圆柱本体1底部焊接不锈钢板，形成可供放置声学多普勒流速剖面仪8和电池仓7的平台；并设计仪器夹子，其中一端通过钻孔将夹子固定在装置上，另一端为活动式，待仪器放上后使用螺丝拧紧，各夹子规格分别与各仪器相一致。底座支架2为0.5米高，以保证声学多普勒流速仪的有效观测。

将声学多普勒流速剖面仪8安装在装置的圆柱本体1结构的平台上，向上观测，电池仓7放在右侧，并通过线缆给声学多普勒流速剖面仪8为供电；为使声学多普勒流速剖面仪8和光学后向散射浊度仪9数据高度对应一致，且考虑到声学多普勒流速剖面仪8的盲区，将光学后向散射浊度仪9固定在圆柱本体1上的侧壁支撑杆4钢管上，高度比声学多普勒流速剖面仪8高0.5米，温盐深仪10、声学多普勒流速仪12分别放在另一侧的竖直钢管上，以测量调查海域的海水温度、盐度等基本要素信息，声学多普勒流速仪12向下观测，离底高度为0.5米。

使用调查船将装置运送到调查指定海域，通过悬吊方式将装置缓慢下放，最终平稳放置在海底并完成观测任务。观测任务完成后通过缆绳收回装置。如图2、图3所示，一种海底沉积物再悬浮临界应力测量方法的技术方案，包括步骤如下：步骤一：调设观测仪器参数，观测仪器包括：声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒流速仪、光学后向散射浊度仪和温盐深仪，参数设置包括采样模式、频率、工作起止时间；步骤二：布设观测仪器，将观测装置放置海底；步骤三：观测结束后从海底收回观测装置，获取原始数据；步骤四：数据读取和原始数据预处理，读取声学多普勒流速剖面仪原位测量的回声强度、声学多普勒流速仪原位测量的流速和光学后向散射浊度仪原位测量的后向散射浊度数据且进行预处理；步骤五：根据步骤四声学多普勒流速剖面仪测得的回声强度计算后向散射强度sv，根据步骤四声学多普勒流速仪测得的流速计算底应力，用高频质量浓度标定后向散射强度sv,用sv反演悬浮物质量浓度ssc；步骤六：根据步骤五的悬浮物质量浓度ssc，计算ssc对时间的导数，当导数为正，且保持十分钟以上，确定发生再悬浮事件，统计发生再悬浮次数和对应的底应力，确定沉积物再悬浮临界应力。原始数据预处理为光学后向散射浊度仪所测得的原始浊度数据去异常值，先进行时间平均，并标定得到高频的质量浓度序列；声学多普勒流速剖面仪测得的回声先去除盲区数值、异常值，对空缺进行线性插值，并进行时间平均；声学多普勒流速仪测得的流速先进行去噪处理、去粗大值和用线性插值补齐，再进行时间平均，其中，进行时间平均的时间为0.5—5min。

仪器的参数设置：仪器的参数设置包括采样模式、频率、工作起止时间等，采样模式可选择为连续或间断采样；声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒流速仪和光学后向散射浊度仪的采样频率分别设置为2hz、32hz和1hz；设置声学多普勒流速剖面仪的盲区和层厚分别为0.5m和0.5m；将各仪器的工作开始时间统一，数据采样时间一致有利于后续数据处理和计算。

数据读取和处理：对原位测量的流速、回声强度和后向散射浊度数据进行预处理，包括去异常值并对丢弃异常值后的空缺进行线性插值和对高频数据进行每1分钟的平均。光学后向散射浊度仪所测得的原始浊度数据去异常值，并标定得到高频的质量浓度序列。声学多普勒流速剖面仪需去除盲区数据，去异常值并对空缺进行线性插值，并平均成时间长度为1min的多组数据。声学多普勒流速仪测得的流速先进行去噪处理、用插值补齐空值，再平均成1min一组的数据。

数据预处理后，通过声学多普勒流速仪测得的流速计算底应力，公式为：其中，“－”表示系综雷诺平均，u'，v'，w'分别为三个流速分量脉动分量，ρ为水体密度。

声学多普勒流速剖面仪测得的回声强度，需要反演得到后向散射强度sv，反演中需考虑到声波在声源近场的非球状扩散、海水和悬浮颗粒对声波的吸收衰减、声波球状校正和近场校正，公式为sv＝c+10lg(tx+273，16)+20lg(ψr)-ldbw，-pdbw+2αr+kc(e-er)，式中，c仅与adcp的型号有关；tx表示换能器的温度(℃)；r为悬浮物沿着声波方向距离换能器的距离(m)；ψ为近场校正函数；ldbw和pdbw与adcp本身的参数有关；α为海水和悬浮颗粒物对声波的吸收衰减系数(db/m)；e为adcp接受到的回声强度(count)；er为adcp接受到的回声强度噪声值(count)；kc为回声强度转换为声贝单位的转化系数(db/count)。

通过光学后向散射浊度仪标定得到的质量浓度序列对声学多普勒流速剖面仪后向散射强度剖面进行标定，且由于体积后项散射强度与悬浮物质量浓度呈对数线性关系，通过公式sv＝10lgssc+b计算得到悬浮物质量浓度ssc。式中ssc为悬浮物质量浓度，b为悬浮物粒径、密度等物理性质参数的函数。

统计平均给出沉积物再悬浮临界应力：

计算悬浮物质量浓度ssc对时间的导数当导数为正值且保持10分钟以上，认为发生再悬浮事件。通过统计浓度的时间变化率，去除个别异常时刻，统计在观测时间内出现的再悬浮事件次数及每次再悬浮事件发生时所对应的底应力，统计平均给出沉积物再悬浮临界应力。

本发明采用的仪器：声学多普勒流速剖面仪(acousticdopplercurrentprofilers)，简称adcp、光学后向散射浊度仪(opticalbackscattering)，简称obs、温盐深仪(conductivity,temperature,depth)，简称ctd、声学多普勒流速仪(acousticdopplervelocimetry)，简称adv。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。