（环境工程专业论文）基于电导率判定黄河三角洲县浮泥沙学浓度研究.pdf

基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；翅遗直基丝盏墓挂型直盟的：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：船签字日期：却矽年月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：粼 签字日期：加刃年石月叫日 签字日期：pf 年7 月叫日 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 摘要 水体悬浮泥沙浓度的测量是水文要素观测中一项十分重要的内容，是计算沉 积物再悬浮通量的重要参数之一，现代黄河三角洲日趋加剧的海岸侵蚀，已严重 地恶化了黄河三角洲的发育功能和三角洲经济开发环境。本文在国家8 6 3 计划项 目“风暴过程中沉积物再悬浮通量原位监测技术( n o 2 0 0 8 a a 0 9 2 1 0 9 ) ”的资助 下开展的研究工作，旨在通过建立悬浮泥沙浓度与电导率的定量关系式，为实现 风暴事件过程中河流入海沉积物再悬浮通量自动观测分析提供数据支持。 以黄河三角洲土样为研究对象，主要从悬浮泥沙浓度与电导率的关系以及影 响二者关系的因素、函数关系式的适用性和“悬浮泥沙浓度测量数据处理软件 的开发三个方面开展研究，寻找悬浮泥沙浓度与电导率定量关系式的最优表达。 论文首先对海水中悬浮泥沙浓度与电导率的关系及其影响因素进行了实验 研究，得出当海水盐度、温度、泥沙粒径一定的情况下，悬浮泥沙浓度与电导率 值存在很好的线性关系，悬浮泥沙浓度越高混合水体的电导率值就越低。盐度、 温度和颗粒粒径对二者的关系具有一定的影响，且盐度的影响最大，温度次之， 本实验中颗粒粒径的影响太小几乎可以忽略。通过m a t l a b 多元线性回归分析 得出的函数关系式显示，此函数关系式的相关系数为0 9 6 9 9 ，当盐度小于1 0 o 时 误差较大，该关系式不适合此范围内悬浮泥沙浓度的测量；当盐度大于1 0 9 o o 时误 差较小，平均相对误差为5 ，此时关系式较适用。各影响因子的影响大小分别 为7 2 8 5 ，2 7 1 0 和0 0 6 。 其次，论文进一步验证了悬浮泥沙浓度与电导率的定量关系式的适用性。通 过水槽实验发现悬浮泥沙浓度在2 2 5 9 l 范围内公式较适用，实测电导率值与公式 计算所得数值的相对误差很小；随着浓度的加大实验相对误差也随之增大，但在 盐度较高的海水中，较大的悬浮泥沙浓度不会导致实验误差的过大，黄河水下三 角洲流域海水的盐度与标准海水的盐度相差很小，因此，实验所得悬浮泥沙浓度 与电导率关系的函数式可以较好的适用于黄河三角洲海域悬浮泥沙浓度的自动 判定。可以通过下一步的野外实验来寻求函数关系式的最优表达。 最后，根据不同海水盐度下自制电极探杆的数据与w t wp h c o n d 3 4 0 i 电导 率仪数据的差异对自制电极探杆的电极输出数据进行校正，将拟合出的悬浮泥沙 浓度与电导率关系式写入数据处理软件中，初步实现海水悬浮泥沙浓度的自动判 定。 本文的研究实现了一定情况下悬浮泥沙浓度与电导率关系的定量判断，首次 成功利用电导率法实现海水悬浮泥沙浓度的测量。将实验所得函数关系式整合到 正在研制的原位监测装置的数据处理软件中可以简单、快速、实时的对极端海况 下，海水悬浮泥沙浓度进行测量，具有广泛的应用范围。 关键词：黄河三角洲；悬浮泥沙浓度；电导率；影响因素 i i d e t e r m i n i n gs u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o no fy e l l o w r i v e rd e l t ab a s e do ne l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y a b s t r a c t m e a s u r e m e n to ns u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o n t e n ti no b s e r v i n gh y d r o g r a p h i cf e a t u r e s a n di ti sa l s oo n eo ft h ep a r a m e t e r st o c a l c u l a t es u s p e n d e ds e d i m e n tf l u xi nt h es e a w a t e r t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sc o a s t a l e r o s i o nl e a d st ot h ed e t e r i o r a t i o no ft h ey e l l o wr i v e rd e l t ag r o w t ha n dt h ed e l t a e c o n o m i cd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw a sd o n ef u n d e db yt h e n a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3 p r o g r a m ) ( c o n t r a c tn o 2 0 0 8 a a 0 9 2 10 9 ) t h i ss t u d y a i m e dt oe s t a b l i s ht h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y t h i sm e t h o dl a y st h ef o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gt h ei n s i t um o n i t o r i n gi n s t r u m e n ti n s t o r ms u r g e s e d i m e n t si nt h i ss t u d yw e r es a m p l e df r o mt h ey e l l o wr i v e rd e l t a t h i sp a p e r f o c u s e do nt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n de l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t ya n dt h e i ri n f l u e n t i a lf a c t o r s ，t h ea p p l i c a b i l i t yo fq u a n t i t a f i v ef u n c t i o na n d s o f t w a r ep r o g r a m o p t i m u mf u n c t i o nb e t w e e ns u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n d c o n d u c t i v i t yw a sf i n a l l ya c h i e v e d f i r s t l y ，t h ee x p e r i m e n t s o nt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns u s p e n d e d s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o na n dc o n d u c t i v i t yw e r ed e s i g n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tg o o d r e l a t i o n s h i p se x i s t e db e t w e e nt h e ma tt h es a m es a l i n i t y ，t e m p e r a t u r ea n dg r a i ns i z e a n dt h ec o n d u c t i v i t yv a l u e sd e c r e a s e dw i t hs u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n s a l i n i t yw a st h em o s ti n f l u e n c i n gf a c t o ra m o n gt h e m ，t e m p e r a t u r et o o kt h es e c o n d p l a c ea n dt h ee f f e c to fg r a i ns i z ec o u l db en e g l e c ti nt h i st e s t e x p e r i m e n t a ld a t aw e r e f i t t e dw i 廿lt h em e t h o do fm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i sa n dt h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n to fe q u a t i o ni s0 9 6 9 9 e r r o ra n a l y s i ss h o w st h a tw h e nt h es a l i n i t yi sl e s s t h a n10 o ，t h em e a s u r i n ge r r o ri sa b n o r m a l l yl a r g e a n dw h e nt h es a l i n i t yi sm o r e 1 1 1 t h a n10 o o ，a v e r a g ea b s o l u t er e l a t i v ee r r o ri sa b o u t5 t h e r e f o r e ，t h ef o r m u l ai s a v a i l a b l ea tt h a ts a l i n i t y i n f l u e n t i a lm a g n i t u d eo fe v e r yi n f l u e n c i n gf a c t o ri s7 2 8 5 ， 2 7 10 a n d0 0 6 r e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h ea p p l i c a b i l i t y o ft h ef o r m u l ab e t w e e n s u s p e n d e d s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o na n dc o n d u c t i v i t yw a si n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n db yi ns i t uf l u m e e x p e r i m e n tt h a tt h ef o r m u l aw a sm o r ea p p l i c a b l e t om e a s u r es u s p e n d e ds e d i m e n t c o n c e n t r a t i o nw i t h i n2 2 5g l a tt h a tt i m e ，t h er e l a t i v ee r r o r sw e r es m a l lb e t w e e n m e a s u r e dc o n d u c t i v i t yv a l u e sa n dt h ec a l c u l a t e do n e su s i n gt h ef o r m u l a t h e e x p e r i m e n t a lr e l a t i v ee 仃o r sw o u l db ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o n ，b u ti n t h eh i g h e rs a l i n i t ys e a w a t e r ，t h el a r g e rs u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n sc o u l dn o t l e a dt ob i g g e re x p e r i m e n t a le r r o r s t h es a l i n i t yo fy e l l o wr i v e rd e l t aa r e a si sa b o u t t h es a b a ea ss t a n d a r ds e a w a t e rw h i c hs a l i n i t yi s35 0 ，t h e r e f o r e ，t h ef o r m u l ao nt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y c a nb eb e t t e r a p p l i e d t o a u t o m a t i c a l l y d e t e r m i n et h e s u s p e n d e d s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o ni ny e l l o wr i v e re s t u a r y f i n a l l y ，t h ed a t ao fd e v e l o p i n gc o n d u c t i v i t yp r o b ew e r ec a l i b r a t e db yt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nw t wp h c o n d 3 4 0 ic o n d u c t i v i t ys e n s o rd a t aa n dd e v e l o p i n gc o n d u c t i v i t y p r o b e d a t aa td i f f e r e n ts a l i n i t i e s t h ef o r m u l ab e t w e e n s u s p e n d e d s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o na n de l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yw a sw r i t t e nt ot h ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ea n d t h e ns u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni ns e a w a t e rc o u l db ea u t o m a t e dd e c i d e d i ti st h ef i r s tt i m et oa c h i e v et h em e a s u r e m e n to fs u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n w i t hc o n d u c t i v i t ys e n s o r si nt h es e a w a t e r s o f t w a r ei s p r o d u c e db a s e d o nt h e c o r r e c t e df o r m u l a c o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p i n gi n s i t um o n i t o r i n gi n s t r u m e n t ， s u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nc a nb em e a s u r e di ns i t ud u r i n gas t o r m s oi tm u s t h a v eaw i d ea p p l i c a t i o nr a n g e k e yw o r d s ：t h ey e l l o wr i v e rd e l t a ；s u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ；e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y ；i n f l u e n t i a lf a c t o r s 1 v 目录 1 绪论1 1 1 研究目的1 1 2 国内外悬浮泥沙原位测量技术研究评述2 1 2 1 悬浮泥沙浓度的声学测量技术2 1 2 2 悬浮泥沙浓度的光学测量技术3 1 2 3 悬浮泥沙浓度的卫星遥感反演4 1 3 利用电法进行沉积物性质原位监测研究评述7 1 4 本文的研究内容与技术路线1 1 1 5 d 、结1 2 2 实验样品采集区环境特征1 3 2 1 黄河三角洲概况1 3 2 2 黄河三角洲沉积物特征。1 4 2 2 1 黄河三角洲沉积物类型。1 4 2 2 2 黄河三角洲沉积物物理力学性质1 4 2 3 黄河三角洲水文动力条件1 5 2 4 实验样品的采集1 6 2 4 1 实验样品类型1 6 2 4 2 实验样品采集点侵淤状况及物理力学性质1 8 2 5 j 、坌吉1 9 3 悬浮泥沙浓度与电导率关系及其影响因素实验研究2 0 3 1 概述2 0 v 3 2 悬浮泥沙浓度与电导率关系验证性实验2 0 3 2 1 实验材料。2 0 3 2 2 实验方法。2 1 3 2 3 结果与讨论2 1 3 3 悬浮泥沙浓度与电导率关系及其影响因素实验研究。2 4 3 3 1 实验材料。2 4 3 3 2 实验方法。2 4 3 3 3 实验结果。2 5 3 4 分析与讨论2 9 3 4 1 悬浮泥沙浓度与电导率的关系2 9 3 4 2 温度的影响3 3 3 4 3 盐度的影响3 4 3 4 ，4 颗粒粒径的影响3 5 3 4 5 根据电导率确定悬浮泥沙浓度公式。3 5 3 4 6 悬浮泥沙浓度对盐度的影响。3 8 3 5 ，j 、结。3 9 4 悬浮泥沙浓度与电导率关系水槽实验研究。4 0 4 1 实验材料与方法4 0 4 1 1 实验仪器。4 0 4 1 2 悬浮泥沙浓度与电导率关系水槽实验方法。4 1 4 2 实验结果。4 1 4 2 1 悬浮泥沙浓度小于2 2 5 9 l 水槽实验结果4 1 v i 4 2 2 悬浮泥沙浓度大于2 2 5 9 l 水槽实验结果4 2 4 3 分析与讨论。4 4 4 3 1 悬浮泥沙浓度4 5 4 3 2j l 盆蔓4 6 4 4d 、 4 6 5 悬浮泥沙浓度数据处理程序设计4 8 5 1 实验仪器4 8 5 1 1 测试系统简介4 8 5 1 2 电极探杆的设计参数4 8 5 2 电导率仪对自制电极探杆的数据校正实验研究5 0 5 2 1 实验方法5 0 5 2 2 实验结果5 0 5 2 3 分析与讨论5 2 5 3 悬浮泥沙浓度数据处理程序设计5 3 5 3 1 数据处理程序简介。5 3 5 3 2 悬浮泥沙浓度测量程序设计5 4 5 4 4 、结。5 6 6 结论及下一步研究5 7 6 12 吉论5 7 6 2 下一步的研究5 8 参考文献5 9 致谢。6 4 v i i 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果5 9 v i i i 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 1 绪论 1 1 研究目的 水体悬沙的分布、扩散、沉降影响着港口、航道和生态环境等，所以其含量 的测量对河口海洋沉积动力学研究和近岸工程都是一个十分关键的问题。海水中 悬浮泥沙的含量是计算沉积物再悬浮通量的重要参数之一，根据再悬浮通量可以 了解到某地区海床或潮滩沉积物的侵淤及运移情况。而沉积物的侵淤及运移情况 又是一个很复杂的问题，影响因素众多。因而，国内外学者都对泥沙的运移和侵 淤的确定开展了大量的研究工作，包括仪器的研制、模型的建立、测定运移和侵 淤情况的方法等。 风暴事件期间海床沉积物再悬浮通量现场观测工作，对河流入海颗粒物最终 命运及相伴随的生态环境效应的预测，具有不可替代作用。原位监测风暴潮期间 土体的物理力学性质变化情况，为侵蚀淤积系统的研制提供了重要的解决途径。 传统的基于现场海水中泥沙捕获的海洋沉积物通量测量装置很难在恶劣的海况 现场施测。目前缺乏有效的、公认的、标准的侵淤测试方法和相应的仪器设备， 因而也很难及时有效的实施原位测试，尤其在对泥沙运移量影响比较大的极端海 况条件下，不易得到侵淤状况的第一手数据。这制约了对地质记录中保存的沉积 物特征，形成过程及通量的深入认谢。 基于此，国家8 6 3 项目开展了“风暴过程中沉积物再悬浮通量原位监测技术” 的研究( n o 2 0 0 8 a a 0 9 2 1 0 9 ) ，并开发一套基于电阻率方法的海床沉积物再悬浮 通量自动观测分析系统，实现风暴过程中海洋沉积物水界面沉积物通量监测。 在一个插入海床的圆柱体上，布设多层电极，通过实时监测圆柱体各部分电阻率 的变化，实现海洋沉积物水边界层附近物理参数，如界面位置、沉积物孔隙度、 海水泥沙浓度等的同步实时观测，进而查清沉积物在海洋中的迁移情况。本论文 主要对界面以上部分悬浮泥沙浓度与电导率( 倒数即电阻率) 的关系方面展开研 究，通过室内试验找出不同环境下二者之间的一般函数关系式，采用水槽实验对 建立的函数关系式进行适用性验证并将其关系式整合到原位监测数据处理软件 中，最终实现海水中悬浮泥沙浓度的自动判定，同时，也为更好地测量悬浮泥沙 浓度提供了一种新方法。本课题研究成果用途广泛，并对海洋沉积物一水界面沉 积物及污染物通量确定具重要意义。 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 1 2 国内外悬浮泥沙原位测量技术研究评述 对悬浮泥沙或沉积物通量的现场测定国内外学者均有研究，利用泥沙捕获装 置，结合流速测量，经室内分析计算得出沉积物通量，该类方法一直沿用至今【2 】。 悬浮泥沙浓度的计算方法公式如下： 悬沙浓度= 垄堑亘蒙荐斧 此类观测方法设备简单，随时可以实施测试，但自动化程度低，同步性差， 恶劣海况时无法开展工作。依据声后向散射技术的声学仪器和光后向散射原理的 光学方法在悬浮泥沙浓度的原位监测中应用较广泛。 1 2 1 悬浮泥沙浓度的声学测量技术 声学散射方法提供了一种远距离获取悬浮泥沙浓度垂向分布的高时空分辨 率的手段。从8 0 年代开始，利用声散射原理研制的悬浮泥沙观测设备在国际上得 到很快的发展。声学后散射悬沙测量仪( a b s ) 已得到广泛的应用【3 7 1 。张叔英等【8 - 9 】 利用此观测系统( a b s ) 实时观测水中泥沙含量的时空分布，获得了水中泥沙的 实时动态变化图像。粘宝卿等【1 0 1 由声反向散射信号对水中悬浮泥沙浓度进行实验 分析，旨在用于定点遥测浅海海底边界层上方l m 悬浮泥沙的浓度剖面。实验所 得数据量多，测量精度较高，但是由声反向散射强度直接反演悬浮泥沙浓度，要 求被测悬浮泥沙浓度的变化是在一定范围内。 自2 0 世纪9 0 年代以来，声学多普勒流速剖面仪( a d c p ) 已成为物理海洋学研 究的常规仪器。a d c p 测量悬浮泥沙浓度依据于声学后散射原理，平均体积后散 射强度定义为单位水体积内散射体的总的后散射截面【1 l ，12 1 。h o l d a w a y 笔j 9 1 3 】比较 了a d c p 与光透式浊度计的测量结果，认为a d c p 已具备直接测量悬浮泥沙浓 度的潜力，在实际应用中可以通过现场采取某定量标准沙样建立含沙量与回声强 度的关系，来推求所有含沙量的回声强度拟合值。许多学者也用a d c p 测量悬浮 泥沙浓度，均取得了良好的效果【1 4 ，1 5 ，16 1 。c h a n s o n 等【1 7 1 用浊度计和a d c p ，对澳 大利亚东部一亚热带河口取的水和泥沙样本进行了一系列实验室悬浮泥沙浓度 的测量，得出声后向散射强度与悬浮泥沙浓度成指数关系。 a d p 是美国s o m t e k 水文仪器公司生产的新一代声学河流流量测量系统，也 p 测量悬浮泥沙浓度的可行 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 性，指出要用a d p 测整个垂直剖面的悬浮泥沙浓度还有待做进一步试验研究。 唐兆民等【l9 】利用a d p 的反向散射声强数据和同步采样，经实验室过滤得出悬浮 泥沙浓度的数据，建立了半经验公式，计算的悬浮泥沙浓度与水样法测量的平均 相对误差与目前通用的悬浮泥沙浓度测量仪器的误差相当，为更好地研究沉积动 力提供一种新的方法。 1 2 2 悬浮泥沙浓度的光学测量技术 光学后向散射浊度计o b s 是一种光学测量仪器，它通过接收红外辐射光的 散射量监测悬浮物质，然后通过相关分析，建立水体浊度与泥沙浓度的相关关系， 进行浊度与泥沙浓度的转化，得到泥沙含量。r i d d 等在仪器上附加了一个自 动清洁器( 图1 1 ) ，在选择的间隔清除o b s 上面的沉积物。 图1 1 带有自动清洁刷的o b s 沉积物测试仪器( t h o m a se ta 1 ，2 0 0 2 ) 朱建荣，薛元忠【2 l 】在长江河口横沙小港用o b s 3 浊度计对悬浮泥沙浓度作 了观测，这是首次用先进的o b s 浊度仪在长江河口横沙小港观测到在落潮期间 泥沙浓度的高频扰动，并从动力成因上做出了解释。薛元忠等【捌又在长江口进行 了水文泥沙同步观测，以南支为例，利用o b s 浊度仪对水体进行了垂向悬浮泥 沙分布和定点长时间序列观测，得到现场校准曲线和室内标定曲线。z a i j i n y o u 2 3 在实验室用o b s 测量了悬浮泥沙浓度，得出在静水中不同泥沙浓度下沉 降速度的经验式。 m i e 氏激光散射理论指出：照射在颗粒上的校直激光束，其大部分能量被散 射到特定的角度上。颗粒越小，散射角越大。激光悬沙测量仪就是根据这一原理 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 设计的，测沙仪将不同角度上的散射能量记录下来，通过数学转换成颗粒粒径级 配、含沙量和平均粒径。美 s e q u o i a 科学仪器公司根据激光散射原理，根据不 同用户需要，先后生产tl i s s t ( l a s e ri ns i t us c a t t e r i n ga n dt r a n s m i s s o m e t r y ) 系 列的激光悬沙测量仪器，能测量o 1 0 0 2 0 散射角范围内的体积散射函数( 19 1 。 1 2 3 悬浮泥沙浓度的卫星遥感反演 利用卫星遥感数据反演悬浮泥沙浓度的研究开展得比较早。其定量化反演的 关键问题是大气校正和悬浮泥沙浓度反演算法。早期的研究主要是利用光谱信号 的强弱来定性的描述悬浮泥沙浓度的高低。悬浮泥沙的定量遥感起始于2 0 世纪 7 0 年代初期。a u s t i n 2 4 】开创性地建立了定量化水色遥感的系统方法，使得悬浮泥 沙、浮游植物等水体成分的定量化光学遥感成为可能。 m o d i s 是1 9 9 9 年1 2 月1 8 日发射成功的对地观测系列卫星( e o s ) 携带的主要 传感器：中分辨率成像光谱仪，m o d i s 具有3 6 个光谱通道，覆盖4 0 0 一1 4 0 0 r i m 波 谱范围，其中8 1 6 波段是专门为海洋探测设计的。李云驹等【2 5 】从2 0 0 2 年实时接 收的m o d i s 资料中选取质量较好的影像，经过灰度拉伸处理及差值指数运算， 得到长江口及其附近海域悬浮泥沙的空间分布和面积统计。刘良明，张红梅【2 6 】 利用2 0 0 3 年3 、4 月份的m o d i s 数据为输入数据，最终得出悬浮泥沙浓度分布图。 姜杰【2 7 1 以长江南京段为研究区，通过对同步测算的光谱值与悬浮泥沙值的回归分 析，建立了悬浮泥沙遥感反演模式。 风云卫星( f y 1 d ) 可用于近岸水域悬浮泥沙的遥感监测，在动态监测方面 有明显优势，可作为现有海洋采样观测的补充手段。利用风云卫星数据建立的模 型均具有较高的精度，从而为我国水色卫星的发展和泥沙遥感估算模型的研究提 供依据和借鉴【2 8 。 李四海掣2 9 】利用海洋水色卫星s e a s t 州s e a w i f s 数据和准同步实测表层含沙 量资料，建立了长江口区悬浮泥沙遥感定量模式。廖迎娣等3 0 1 针对n a s a 开发 的处理s e a w i f s 数据的软件( s e a d a s ) 运用于中国东部沿海这一高浓度泥沙含量 区域所出现的问题，提出了新的大气校正方法，建立了中国东部沿海悬浮泥沙浓 度定量模式。f e t t w e i s 等【3 1 】在北海南部使用s e a w i f s 图像估计悬浮颗粒物质传 输，现场测试和数值模拟结果，研究显示卫星测得的泥沙浓度数据一般比现场测 试的数据要低。 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 目前对于海洋沉积物通量的观测，采用的较先进的技术方法是，将自容式浊 度计、激光粒度仪、流速计、压力计等传感器，固定在三角架不同位置上，三角 架的底部有防止其陷入泥沙中的承重板，图1 2 给出了一个典型的三脚架结构。 将三角架放置在海底，经过一段时间的自动观测记录后( 一般记录时间长达几个 月) ，将其取回，对记录的数据进行输出、处理、计算得出观测期间观测点位置 处的海洋沉积物通量【3 2 1 。在美国e e lr i v e r 河口开展的为期五年的 s t r a t a f o r m 项目研究中，此类测试设备被用来对现场海洋沉积物的传输过 程进行监测【3 3 1 。结果发现1 9 9 6 1 9 9 7 年冬的风暴期间，沉积物沿岸方向净通量 是1 9 9 5 1 9 9 6 年全年通量的7 倍 3 4 ，3 5 1 。 图1 2 三角架测试设备( c a c c h i o n e ，2 0 0 6 ) 综上所述，目前，国内外基于声学、光学和遥感来确定悬浮泥沙浓度的研究 较多，每种方法都存在各自的问题，如表1 1 ： 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 表1 1悬浮泥沙浓度常用确定方法的优缺点 方法 优点缺点 所得悬浮泥沙浓度数据精费时费力，数据零散，自 过滤秤量法 ， 度高，设备简单易操作。 动化程度低，同步性差。 能够实时地观测水中泥沙浓度太高或太低都会造 a b s浓度的时空分布，获得图成误差过大且受水位的 声像。 影响。 =声学后i - 4 散射- d 泥沙观测系l，0，r 州l ，u i ，y u v 、j 、 力 物理海洋学研究的常规仪 法统测量悬浮泥沙浓度的 a d c p器，测量快速、不干扰水 能力和问题仍需要进一 体、极少受天气影响。 步的研究。 只能测探头所在位置的 现场采集多参数数据十分 悬浮泥沙浓度；受测试环 便捷，仪器性能稳定，数 o b s境海水浊度的影响；造价 光据也较为准确可靠，可完 堂高昂，要求的配套设备技 =成走航式测量项目。 刀 术含量高。 法 仪器坚固耐用，使用方便 只能测低浓度点、线泥沙 激光测沙仪灵活，可现场测颗粒粒径 含量的探测，价格昂贵。 级配、含沙量和平均粒径。 对高、低浓度泥沙含量的 高泥沙区易受光谱反射 探测效果都比较好，可以 可m o d i s率饱和的影响，且对大气 言从宏观上反映一个水体区 星 校正敏感。 遥域的悬浮泥沙浓度分布。 届l ： =对中国沿1 海水域而言，、7 j - ；hi 7 j dl - uh s e a s 黧e a w i 噪声低，波段配置合理。s c a d a s 软件中大气校 正模块明显的不适用。 6 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 1 3 利用电法进行沉积物性质原位监测研究评述 多年来，电法主要以电阻率测试方法较为普遍，该方法在确定土的结构状态、 物理力学特征及其他工程地质问题方面已逐步得到应用 3 6 。3 8 ，在海洋沉积物方面 的电阻率探测方法都是由最初的陆地探测方法转嫁过来，基本的理论都是对地球 物理探测方法的进一步发展 3 9 1 。为了更准确的对海床上层沉积物进行测量，进而 获得比普通剖面测量技术更为精确的原位物理参数，海底探针在过去几十年得到 了迅速的发展，现在研究集中于扩大在海底探入的深度以及在这一测量过程中的 仪器配置。通过地球物理的方法与物理属性的分析，更好地理解地质过程以及沉 积物物理特性的相互关系。但是国内外对悬浮泥沙浓度变化过程的电法原位监测 研究还不多见。 w o n 于1 9 8 7 年首次采用环形电极，实施了现场测试海底沉积物电性探测。 将电极放置在沉积物上的方法是，在一个p v c 、玻璃纤维或者是其它电绝缘体的 垂直探杆上，沿着探杆表面以等间距放置环形电极。这样的探测器可以附在振动 取样器或者是一个常规取样设备上面，在外加重力的帮助下，投入海底。探测器 放好以后，就可以选择任意四个连续的电极构成w e n n e r 配置进行测量。如果探 测器包奢很多个电极：就可以滚动测量电阻率，得到电阻率随深度变化的函数【4 0 1 。 四个电极的探测器结构如图1 3 所示。 图1 。3w e n n e r 配制电阻率探测器结构图( w o n ，1 9 8 7 ) k e r m a b o n e t 等使用自由贯入式探针测量范围可达到海底1 0 m ，同时得到相关 的原位电阻率剖面刚4 1 1 。电极的规格符合温纳排列【4 2 1 。 l a u e r 。l e r e d d e 等4 3 】为了方便的给出浅层沉积物的剖面，进而研究沉积物的物 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 理特性，研制了一个f i c u s 高密度电阻率设备，在一个探杆上采用两层交错的 方式，布设- f 3 2 组电流电极，结构如图1 - 4 。参考电极在远离电流电极几米处， 该设备的剖面图如图1 5 。测试电流电极和参考电极之间的电压a v ，就可以计算 不同深度处沉积物的视电阻率。 蝴疆蛹 燃 【厚度l 柚) 图1 4f i c u s 探头导体部分示意 ( c h r i s t i n e ，1 9 9 8 )图1 - 5 中心电极排列图 r i d d 4 4 “5 】采用在w o n ( 19 8 7 ) 设计的电极布设方式基础上，进行了海床侵 蚀和沉积作用的测试。根据沉积物、海水的电阻率差异，介绍了一种用于沉积物 特性连续监测的装置，应用测量电阻率的方法来确定土一水界面。该类方法相对 简单高效，直接获得界面参数( 图1 6 ) 。图1 6 ( a ) 最左侧是布设了多个电极的 探杆，文中称为是一个传感器，依靠通过旁边插入沉积物中的鳍状结构支撑，在 支撑桩上的鳍可以确保在强流和波作用时，传感器不会移动。对于软粘土，支撑 桩的尺寸通常要比沙土大。最右边是采样电子设备，其中包括产生电流的振荡器 和采集电压的记录器。电极在探杆上的布设示意图见图1 6 ( b ) ，在探杆上布设 2 个电流电极，其他为测量电极。电流电极对及待测量的电压电极对的位置都是 固定的。应用该方法，r i d d 分别构建了0 5 m 长和0 1 5 m 长的探杆进行了实验测量， 发现不管探杆长短，分辨率总可以保持在全范围的2 。 基于电导率判定黄河三角洲悬浮泥沙浓度研究 t a ) ( b ) 图1 - 6 ( a ) 沉积物水平位置测试仪器示意图；( b ) 沉积物水平位置测试仪器剖面图 (