ADP与OBS观测悬沙浓度实验对比研究
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图 2，图 3 反映了潮周期特征时刻，ADP 观 测 悬 沙 浓 度 剖 面 与 传 统 六 点 法、OBS 观 测 悬 沙 浓 度 剖 面 的对比结果。从 0. 2H 到近底层，悬沙浓度都是逐渐增加的，但增加幅度在不同特征时刻有所不同。在 中上层水体，ADP、OBS 观测的悬沙浓度值与实测悬沙浓度的较为接近，在近底层，观测的悬沙浓度值差 别 较 为 明 显 ，特 别 是 在 大 潮 落 憩 和 小 潮 的 涨 急 时 段 ，尤 为 显 著 。
为数据个数。
2 实验结果
2. 1 水平悬沙浓度对比 通过对 ADP 和 OBS 大小潮同步观测悬沙浓度结果（0. 2H） 进行对比（ 图 1） ，发现 ADP 与 OBS 观测
结果具有同步峰值变化，但 ADP 观测 悬 沙 浓 度 峰 值 变 化 要 比 OBS 观 测 悬 沙 浓 度 峰 值 变 化 平 缓。 也 就 是说，ADP 观测悬沙浓度时，可能丢失某些悬沙浓度变化峰值。 2. 2 垂向悬沙浓度对比
境没有干扰；在特征时刻取悬沙水样率定 OBS 和 ADP，也 可 用 OBS 率 定 ADP，ADP 和 OBS 观 测 悬 沙 浓 度 结
果可以相互验证。可见，利用声学与光学仪器进行现场 联 合 观 测，可 以 提 高 现 场 悬 沙 浓 度 观 测 的 时 空 分 辨 率
和 准 确 度 ，同 时 ，也 为 深 入 研 究 悬 沙 浓 度 变 化 的 机 制 、机 理 ，以 及 悬 沙 通 量 计 算 提 供 了 一 个 有 效 而 可 靠 的 途 径 。
关键词：悬沙浓度； ADP；OBS； 声强信号；浊度
中 图 分 类 号 ：TV148
文献标识码：A
文 章 编 号 ：0468 -155 X （ 2010 ） 05 -0059 -07
0 前言
悬 沙 浓 度 现 场 观 测 是 沉 积 动 力 学 研 究 的 主 要 内 容 之 一 。 主 要 观 测 方 法 有 两 种 ——— 传 统 方 法 和 现 代 方法。传统 方 法 是 采 用 6 点 （ 或 3 点） 法 取 水 样，对 水 样 进 行 现 场 （ 或 室 内 ） 过 滤、称 重，再 计 算 悬 沙 浓 度；现代方法主要是利用光学（ 如 OBS-Optical Backscatter Sensor） 或声学仪器（ 如 ADP 或 ADCP-Acoustic Doppler Current Profiles） 采集现场水体浊度或 声 强 信 号 信 息，然 后 对 采 集 的 浊 度 和 声 强 信 号 进 行 率 定， 从 而 得 到 现 场 悬 沙 浓 度 。 传 统 方 法 是 目 前 最 为 准 确 的 方 法 ，但 得 到 悬 沙 浓 度 值 是 不 连 续 的 、具 有 较 低 的 时 空 分 辨 率 。 光 学 仪 器 已 广 泛 应 用 于 悬 沙 浓 度 的 观 测 研 究 中 ，它 是 利 用 光 的 后 散 射 及 光 波 衰 减 原 理 进 行测量。以光学后向散射浊度计 （ OBS） 为 例，它 接 收 水 体 红 外 辐 射 光 的 后 向 散 射 量 （ 浊 度 值 ） ，通 过 现 场 获 取 的 同 步 悬 沙 水 样 ，建 立 水 体 浊 度 与 悬 沙 浓 度 的 相 关 关 系 ，从 而 得 到 水 体 悬 沙 浓 度 值 。 经 率 定 后 的 光 学 方 法 ，一 般 可 达 到 较 高 的 精 确 度 ，适 用 于 现 场 点 、线 悬 沙 浓 度 观 测 。 声 学 方 法 测 沙 原 理 ，当 声 波 在 水 中传播遇到悬浮颗粒时，声波会发生散射。以某一类型的 ADP 为例，ADP 发射固定频率的声波，同时， 接收不同水层散射体 （ 悬浮颗粒物 ） 的散射信号 （ 回声强度 ） ，因此，从 ADP 现场观测数据中，可以提 取 水体有关悬浮颗粒物信息。在满足 Rayleigh 散射条件下，ADP 接收的声散射 信 号 与 水 体 悬 浮 颗 粒 物 之 间具有一定的相关关系，根据 ADP 接收到的回声强度大小，可以反演水体悬浮颗粒物浓度。 可见，用于
的悬沙浓度与传统方法得到的悬沙浓度的平均相对误差都小于 20% ；（4） ADP 声强信 号 与 OBS 浊 度、ADP 与
OBS 观测的悬沙浓度，分别具有较好的相关性。主要结论，OBS 可观测传感器附近的悬沙浓度，具有较高的精
确度；ADP 在观测不同水层水动力参数的 同 时，可 同 步 提 取 不 同 水 层 的 悬 沙 浓 度 信 息 ，并 且 对 周 围 水 动 力 环
1 数据来源
1. 1 现场观测 2005 年 6 月 6 － 12 日，长江河口南槽九段沙附近，进行大、小潮周期定点水文泥沙观测。 主要观测
仪器 ADP（1000KHz、美国 Sontek 公司 生 产 ） 和 OBS-3A （ 原 美 国 D＆A 公 司，现 为 美 国 Campbell 公 司 生 产） 。ADP 采样时间间隔为 30 秒，OBS 采样间隔为 1 秒或 1 分钟（ 根据观测要求设置 ） 。 观测期间整点 时刻，利用水文绞车，把 OBS（ 此时 OBS 采样时间间隔设置为 1 秒，其余时间采样间隔设置为 1 分钟，并 把 OBS 放置水下 2 米） 由表层到底层，再由底 层 到 表 层 拉 垂 线，以 获 得 水 体 垂 向 剖 面 的 浊 度、深 度 等 参 数信息。在一个潮周期的四个 特 征 时 刻，即 涨 急、涨 憩、落 急 和 落 憩 时 段，用 传 统 六 点 法 （ 表 层、0. 2H、 0. 4H、0. 6H、0. 8H 和 1. 0H） 采集悬沙水样。 1. 2 室内分析
DOI:10.16239/ki.0468-155x.2010.05.010 2010 年 10 月
泥沙研究 Journal of Sediment Research
第5期
ADP 与 OBS 观测悬沙浓度实验对比研究
张文祥 ，罗向欣，杨世伦
（ 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）
实验室内，将野外现场取得的悬沙水样，用 0. 45μm 称 重 后 的 滤 膜 过 滤，烘 干 滤 膜，然 后 用 分 析 天 平 称 重 ，从 而 求 出 现 场 悬 浮 泥 沙 浓 度 。 数 据 处 理 过 程 中 ，以 一 个 潮 周 期 涨 急 、涨 憩 、落 急 和 落 憩 四 个 特 征 时刻为节点，把不同水层 的 OBS 浊 度、ADP 声 强 信 号 （ 补 偿 计 算 后 ） 与 传 统 六 点 法 采 集 悬 沙 水 样 相 对 应 ，以 求 出 不 同 水 层 、不 同 时 刻 率 定 参 数 ，进 而 求 得 整 个 潮 周 期 、不 同 水 层 悬 沙 浓 度 值 。 1. 3 相对误差计算
图 4 ADP 接收声强信号（ EL） （ Counts） 与 OBS 浊度（ NTU） （0. 2H） Fig. 4 Relationship between scattering signal strength（ EL） and NTU（0. 2H）
图 5 补偿后 ADP 声强信号（ E） （ Counts） 与 OBS 浊度（ NTU） （0. 2H） Fig. 5 Relationship between scattering signal strength compensated by predicted formula（ E） and NTU（0. 2H）
60
图 1 OBS 与 ADP 观测悬沙浓度结果对比（0. 2H） Fig. 1 Results of SSC by OBS and ADP （0. 2H）
图 2 大潮现场水样悬沙浓度、OBS 与 ADP 观测悬沙浓度剖面图 Fig. 2 Profiles of SSC of water samples in spring tides by OBS and ADP
收稿日期：2008-11 -03 基金项目：国家自然科 学 基 金 创 新 群 体 项 目 （ 40721004 ） ； 国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目 （ 40976054 ） ； 国 家 科 技 部 中 荷 合 作 项 目
（ 2008 DFB90240 ） 作者简介：张文祥（1966 － ） ，男，辽宁喀左县人，博士，主要从事河口沉积动力过程及现场观测技术研究 。
E-mail： wxzhang@ sklec. ecnu. edu. cn
59
设计测量流速的 ADP，具有观测水体悬 浮 颗 粒 物 浓 度 的 潜 力，可 用 于 单 宽 和 断 面 悬 浮 颗 粒 物 浓 度 观 测 和通量计算，但其潜力还有待于进一步提高。在长江河口，水体悬浮 颗 粒 物 主 要 以 泥 沙 为 主，文 中 悬 浮 泥沙浓度（ 悬沙浓度） 就视为悬浮粒颗粒物浓度。从现有成果来看，利用声学 （ ADP / ADCP） 仪器进行现 场同步悬沙浓度观测研究，大多是针对较低浊度 河 口 或 海 区［1 － 6］，对 于 高 浊 度 河 口 （ 如 长 江 河 口 ） ，虽 然 ADP 现场观测悬沙浓度研究已取得一定进 展［7 － 9］，但 由 于 ADP 本 身 的 性 能 及 现 场 影 响 因 素 的 复 杂 性， ADP 现场观测悬沙浓度研究，特别是与传统方法、光学方法观测结果进行对比与分析，还有待于进 一 步 深入。本文目的，高浊度河口地区，利用 ADP 进 行 现 场 悬 沙 浓 度 观 测，并 把 观 测 结 果 与 现 场 水 样、光 学 仪器（ OBS） 同步观测结果进行对比，以期 提 高 ADP 现 场 观 测 悬 沙 浓 度 的 效 率 和 准 确 度，从 而 有 助 于 对 悬 沙 浓 度 变 化 的 机 制 、机 理 探 讨 ，以 及 对 悬 沙 输 移 过 程 的 深 入 研 究 ，加 深 对 河 口 悬 沙 运 动 规 律 的 认 识 。
所谓相对误差就是绝对误差（ 计算值与实测值之差） 与实测值的比值。悬沙浓度相对误差计算公 式如下
Σ Er =
1 N
i
Cc － Cm × 100% Cm
式中 Er 是相对误差（ N 大于 1 时为平均相对误 差） ，Cc 、Cm 分 别 为 计 算 和 实 测 的 悬 沙 浓 度 值 （ mg / L） ，N
2. 3 ADP 声强信号与 OBS 浊度 （1） 水平方向 图 4、图 5 是大、小潮 0. 2H 水层 ADP 声强信号补偿前、后与 OBS 浊 度 （ NTU） 相 关 程 度 对 比。 测 试
样本为 590 个，其 R 值都在 0. 78 以上。大潮期间，ADP 声波补偿前后差别不大，R 值达到 0. 78 以上，而 小潮期间，ADP 声波补偿后的 R 值可达到 0. 8有同步 峰 值 变 化，但 ADP 峰 值 变 化 要 比 OBS 平 缓；（ 2 ） 在 垂 向 上，从 表 层 到 近 底
层，悬沙浓度逐渐增加，增加幅度在不同特征 时 刻、不 同 水 层 有 较 大 差 异；（ 3 ） 大、小 潮 期 间，ADP 、OBS 观 测
（2） 垂向平均 从表 1 可以看出，垂向剖面的不同水层（0. 2H 到 1H （ 近 底 ） ） ，ADP 的 声 强 信 号 （ EL 和 E） （ 即 补 偿
61
图 3 小潮现场水样悬沙浓度、OBS 与 ADP 观测悬沙浓度剖面图 Fig. 3 Profiles of SSC of water samples in neap tides by OBS and ADP
摘要：光学（ OBS） 和声学方法（ ADP / ADCP） 进行现 场 悬 沙 浓 度 观 测，是 目 前 悬 沙 浓 度 变 化 研 究 的 重 要 方 法 。
在长江河口，利用 ADP 、OBS 对水体悬浮泥 沙 浓 度 进 行 大、小 潮 周 期 现 场 定 点 同 步 观 测：（ 1 ） 在 水 平 方 向 上，
为数据个数。
2 实验结果
2. 1 水平悬沙浓度对比 通过对 ADP 和 OBS 大小潮同步观测悬沙浓度结果（0. 2H） 进行对比（ 图 1） ，发现 ADP 与 OBS 观测
结果具有同步峰值变化，但 ADP 观测 悬 沙 浓 度 峰 值 变 化 要 比 OBS 观 测 悬 沙 浓 度 峰 值 变 化 平 缓。 也 就 是说，ADP 观测悬沙浓度时，可能丢失某些悬沙浓度变化峰值。 2. 2 垂向悬沙浓度对比
境没有干扰；在特征时刻取悬沙水样率定 OBS 和 ADP，也 可 用 OBS 率 定 ADP，ADP 和 OBS 观 测 悬 沙 浓 度 结
果可以相互验证。可见，利用声学与光学仪器进行现场 联 合 观 测，可 以 提 高 现 场 悬 沙 浓 度 观 测 的 时 空 分 辨 率
和 准 确 度 ，同 时 ，也 为 深 入 研 究 悬 沙 浓 度 变 化 的 机 制 、机 理 ，以 及 悬 沙 通 量 计 算 提 供 了 一 个 有 效 而 可 靠 的 途 径 。
关键词：悬沙浓度； ADP；OBS； 声强信号；浊度
中 图 分 类 号 ：TV148
文献标识码：A
文 章 编 号 ：0468 -155 X （ 2010 ） 05 -0059 -07
0 前言
悬 沙 浓 度 现 场 观 测 是 沉 积 动 力 学 研 究 的 主 要 内 容 之 一 。 主 要 观 测 方 法 有 两 种 ——— 传 统 方 法 和 现 代 方法。传统 方 法 是 采 用 6 点 （ 或 3 点） 法 取 水 样，对 水 样 进 行 现 场 （ 或 室 内 ） 过 滤、称 重，再 计 算 悬 沙 浓 度；现代方法主要是利用光学（ 如 OBS-Optical Backscatter Sensor） 或声学仪器（ 如 ADP 或 ADCP-Acoustic Doppler Current Profiles） 采集现场水体浊度或 声 强 信 号 信 息，然 后 对 采 集 的 浊 度 和 声 强 信 号 进 行 率 定， 从 而 得 到 现 场 悬 沙 浓 度 。 传 统 方 法 是 目 前 最 为 准 确 的 方 法 ，但 得 到 悬 沙 浓 度 值 是 不 连 续 的 、具 有 较 低 的 时 空 分 辨 率 。 光 学 仪 器 已 广 泛 应 用 于 悬 沙 浓 度 的 观 测 研 究 中 ，它 是 利 用 光 的 后 散 射 及 光 波 衰 减 原 理 进 行测量。以光学后向散射浊度计 （ OBS） 为 例，它 接 收 水 体 红 外 辐 射 光 的 后 向 散 射 量 （ 浊 度 值 ） ，通 过 现 场 获 取 的 同 步 悬 沙 水 样 ，建 立 水 体 浊 度 与 悬 沙 浓 度 的 相 关 关 系 ，从 而 得 到 水 体 悬 沙 浓 度 值 。 经 率 定 后 的 光 学 方 法 ，一 般 可 达 到 较 高 的 精 确 度 ，适 用 于 现 场 点 、线 悬 沙 浓 度 观 测 。 声 学 方 法 测 沙 原 理 ，当 声 波 在 水 中传播遇到悬浮颗粒时，声波会发生散射。以某一类型的 ADP 为例，ADP 发射固定频率的声波，同时， 接收不同水层散射体 （ 悬浮颗粒物 ） 的散射信号 （ 回声强度 ） ，因此，从 ADP 现场观测数据中，可以提 取 水体有关悬浮颗粒物信息。在满足 Rayleigh 散射条件下，ADP 接收的声散射 信 号 与 水 体 悬 浮 颗 粒 物 之 间具有一定的相关关系，根据 ADP 接收到的回声强度大小，可以反演水体悬浮颗粒物浓度。 可见，用于
的悬沙浓度与传统方法得到的悬沙浓度的平均相对误差都小于 20% ；（4） ADP 声强信 号 与 OBS 浊 度、ADP 与
OBS 观测的悬沙浓度，分别具有较好的相关性。主要结论，OBS 可观测传感器附近的悬沙浓度，具有较高的精
确度；ADP 在观测不同水层水动力参数的 同 时，可 同 步 提 取 不 同 水 层 的 悬 沙 浓 度 信 息 ，并 且 对 周 围 水 动 力 环
1 数据来源
1. 1 现场观测 2005 年 6 月 6 － 12 日，长江河口南槽九段沙附近，进行大、小潮周期定点水文泥沙观测。 主要观测
仪器 ADP（1000KHz、美国 Sontek 公司 生 产 ） 和 OBS-3A （ 原 美 国 D＆A 公 司，现 为 美 国 Campbell 公 司 生 产） 。ADP 采样时间间隔为 30 秒，OBS 采样间隔为 1 秒或 1 分钟（ 根据观测要求设置 ） 。 观测期间整点 时刻，利用水文绞车，把 OBS（ 此时 OBS 采样时间间隔设置为 1 秒，其余时间采样间隔设置为 1 分钟，并 把 OBS 放置水下 2 米） 由表层到底层，再由底 层 到 表 层 拉 垂 线，以 获 得 水 体 垂 向 剖 面 的 浊 度、深 度 等 参 数信息。在一个潮周期的四个 特 征 时 刻，即 涨 急、涨 憩、落 急 和 落 憩 时 段，用 传 统 六 点 法 （ 表 层、0. 2H、 0. 4H、0. 6H、0. 8H 和 1. 0H） 采集悬沙水样。 1. 2 室内分析
DOI:10.16239/ki.0468-155x.2010.05.010 2010 年 10 月
泥沙研究 Journal of Sediment Research
第5期
ADP 与 OBS 观测悬沙浓度实验对比研究
张文祥 ，罗向欣，杨世伦
（ 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）
实验室内，将野外现场取得的悬沙水样，用 0. 45μm 称 重 后 的 滤 膜 过 滤，烘 干 滤 膜，然 后 用 分 析 天 平 称 重 ，从 而 求 出 现 场 悬 浮 泥 沙 浓 度 。 数 据 处 理 过 程 中 ，以 一 个 潮 周 期 涨 急 、涨 憩 、落 急 和 落 憩 四 个 特 征 时刻为节点，把不同水层 的 OBS 浊 度、ADP 声 强 信 号 （ 补 偿 计 算 后 ） 与 传 统 六 点 法 采 集 悬 沙 水 样 相 对 应 ，以 求 出 不 同 水 层 、不 同 时 刻 率 定 参 数 ，进 而 求 得 整 个 潮 周 期 、不 同 水 层 悬 沙 浓 度 值 。 1. 3 相对误差计算
图 4 ADP 接收声强信号（ EL） （ Counts） 与 OBS 浊度（ NTU） （0. 2H） Fig. 4 Relationship between scattering signal strength（ EL） and NTU（0. 2H）
图 5 补偿后 ADP 声强信号（ E） （ Counts） 与 OBS 浊度（ NTU） （0. 2H） Fig. 5 Relationship between scattering signal strength compensated by predicted formula（ E） and NTU（0. 2H）
60
图 1 OBS 与 ADP 观测悬沙浓度结果对比（0. 2H） Fig. 1 Results of SSC by OBS and ADP （0. 2H）
图 2 大潮现场水样悬沙浓度、OBS 与 ADP 观测悬沙浓度剖面图 Fig. 2 Profiles of SSC of water samples in spring tides by OBS and ADP
收稿日期：2008-11 -03 基金项目：国家自然科 学 基 金 创 新 群 体 项 目 （ 40721004 ） ； 国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目 （ 40976054 ） ； 国 家 科 技 部 中 荷 合 作 项 目
（ 2008 DFB90240 ） 作者简介：张文祥（1966 － ） ，男，辽宁喀左县人，博士，主要从事河口沉积动力过程及现场观测技术研究 。
E-mail： wxzhang@ sklec. ecnu. edu. cn
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设计测量流速的 ADP，具有观测水体悬 浮 颗 粒 物 浓 度 的 潜 力，可 用 于 单 宽 和 断 面 悬 浮 颗 粒 物 浓 度 观 测 和通量计算，但其潜力还有待于进一步提高。在长江河口，水体悬浮 颗 粒 物 主 要 以 泥 沙 为 主，文 中 悬 浮 泥沙浓度（ 悬沙浓度） 就视为悬浮粒颗粒物浓度。从现有成果来看，利用声学 （ ADP / ADCP） 仪器进行现 场同步悬沙浓度观测研究，大多是针对较低浊度 河 口 或 海 区［1 － 6］，对 于 高 浊 度 河 口 （ 如 长 江 河 口 ） ，虽 然 ADP 现场观测悬沙浓度研究已取得一定进 展［7 － 9］，但 由 于 ADP 本 身 的 性 能 及 现 场 影 响 因 素 的 复 杂 性， ADP 现场观测悬沙浓度研究，特别是与传统方法、光学方法观测结果进行对比与分析，还有待于进 一 步 深入。本文目的，高浊度河口地区，利用 ADP 进 行 现 场 悬 沙 浓 度 观 测，并 把 观 测 结 果 与 现 场 水 样、光 学 仪器（ OBS） 同步观测结果进行对比，以期 提 高 ADP 现 场 观 测 悬 沙 浓 度 的 效 率 和 准 确 度，从 而 有 助 于 对 悬 沙 浓 度 变 化 的 机 制 、机 理 探 讨 ，以 及 对 悬 沙 输 移 过 程 的 深 入 研 究 ，加 深 对 河 口 悬 沙 运 动 规 律 的 认 识 。
所谓相对误差就是绝对误差（ 计算值与实测值之差） 与实测值的比值。悬沙浓度相对误差计算公 式如下
Σ Er =
1 N
i
Cc － Cm × 100% Cm
式中 Er 是相对误差（ N 大于 1 时为平均相对误 差） ，Cc 、Cm 分 别 为 计 算 和 实 测 的 悬 沙 浓 度 值 （ mg / L） ，N
2. 3 ADP 声强信号与 OBS 浊度 （1） 水平方向 图 4、图 5 是大、小潮 0. 2H 水层 ADP 声强信号补偿前、后与 OBS 浊 度 （ NTU） 相 关 程 度 对 比。 测 试
样本为 590 个，其 R 值都在 0. 78 以上。大潮期间，ADP 声波补偿前后差别不大，R 值达到 0. 78 以上，而 小潮期间，ADP 声波补偿后的 R 值可达到 0. 8有同步 峰 值 变 化，但 ADP 峰 值 变 化 要 比 OBS 平 缓；（ 2 ） 在 垂 向 上，从 表 层 到 近 底
层，悬沙浓度逐渐增加，增加幅度在不同特征 时 刻、不 同 水 层 有 较 大 差 异；（ 3 ） 大、小 潮 期 间，ADP 、OBS 观 测
（2） 垂向平均 从表 1 可以看出，垂向剖面的不同水层（0. 2H 到 1H （ 近 底 ） ） ，ADP 的 声 强 信 号 （ EL 和 E） （ 即 补 偿
61
图 3 小潮现场水样悬沙浓度、OBS 与 ADP 观测悬沙浓度剖面图 Fig. 3 Profiles of SSC of water samples in neap tides by OBS and ADP
摘要：光学（ OBS） 和声学方法（ ADP / ADCP） 进行现 场 悬 沙 浓 度 观 测，是 目 前 悬 沙 浓 度 变 化 研 究 的 重 要 方 法 。
在长江河口，利用 ADP 、OBS 对水体悬浮泥 沙 浓 度 进 行 大、小 潮 周 期 现 场 定 点 同 步 观 测：（ 1 ） 在 水 平 方 向 上，