CN107808054A - 一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型的构建方法，主要步骤包括：获取反映水体沉积物和水动力特征的观测数据并进行数据预处理；高频沉积物浓度数据及波浪特征参数计算；底部切应力计算及临界切应力确定；不同浓度下沉积物沉降速度确定；沉积物再悬浮通量模拟预测模型构建。主要使用的仪器包括测量水体水动力和泥沙的测量设备，需要结合野外观测和实验室的实验结果。本发明结合观测过程，建立了一种由野外数据获取较接近真实的沉积物再悬浮预测模型。克服了以往并没有系统的建立准确预测的沉积物再悬浮预测模型的方法的缺陷。本发明方法简单，实施方便，为科学合理建立的模型提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，属于水环境观测技术领域。
背景技术
再悬浮沉积物在过去的几十年里受到越来越多的关注，它的研究是非常重要的，作为内源污染物的重要来源，沉积物再悬浮对水体环境的影响有时可以超过长期的外荷载。悬浮物会影响湖泊营养物的循环，间接导致了水体的富营养化，悬浮物也可以影响光衰减、有机污染物，甚至增加水体中有毒重金属的含量。因此，有必要了解沉积物再悬浮的动力机制。
粘性泥沙的再悬浮的基本过程(如絮凝、沉淀、侵蚀)已被许多研究人员研究过。沉积粘性泥沙的侵蚀速率可以由经验公式估算，絮体沉降速度也可以由考虑了泥沙含沙量的影响大小公式计算。目前一些室内实验研究了这些沉积物再悬浮的动态过程。然而，这些公式被限制在非粘性粒子和均匀分布的剪切应力的平衡条件下，这和自然系统观察到的形成鲜明对比。通过在湖泊、河流和海岸进行的大量实地研究，风浪是影响沉积物再悬浮过程的主导因素。
然而，由于这些公式的局限性，对于实际沉积物再悬浮计算不仅需要野外观测也要公式和参数调整。为了准确地反映这种现象，需要可靠的再悬浮模型，本发明提供了一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，包括如下步骤：
步骤1：获取反映水体沉积物和水动力特征的观测数据并进行数据预处理；
步骤2：高频沉积物浓度数据及波浪特征参数计算；
步骤3：底部切应力计算及临界切应力确定；
步骤4：不同浓度下沉积物沉降速度确定；
步骤5：沉积物再悬浮通量模拟预测模型构建。
所述步骤1中获取反映水体沉积物和水动力的观测数据来源于实际野外观测资料和实验室检测结果。
所述步骤1中获取反映水体沉积物特征的指标主要包括使用采样瓶获取的水体沉积物浓度，使用OBS获取的浊度数据以及泥样分析后得到的底泥粒径、比重。
所述步骤1中获取反映水动力特征的指标主要包括由ADV(声学多普勒流速仪)或其他流速测量设备获取的高频实时三维流速数据、使用DWR波潮仪等波浪观测仪器获取的波浪特征数据，包括：平均波高、平均波周期、有效波高、有效波周期和波峰波向。
所述步骤1中数据预处理主要为异常数据剔除。对于流速、波浪以及浊度数据，野外观测仪器的测量数据需要通过选取合适的阈值和数据质量评价指标进行误差项、异常项的剔除。对于ADV测量的流速数据，需要筛除相关性系数低于0.7和回声强度低于40dB的数据，对于OBS的浊度数据和DWR的波浪数据需要筛除超过仪器量程的不精确数据。
所述步骤2中高频沉积物浓度数据通过现场水样采集分析得到的沉积物浓度、OBS浊度数据和ADV回声强度数据三者的相关关系，并反演出高频实时的沉积物浓度，其反演步骤如下：
1)通过现场水样采集分析后的沉积物浓度对OBS测量得到的浊度数据进行标定，得到相应的标定曲线；
2)使用标定曲线将OBS测量数据转化为沉积物浓度数据；
3)使用以下公式得到的悬浮物浓度数据和ADV回声强度之间的转换参数：
EI＝algSSC+b (1)
式中SSC为悬浮物浓度，EI为回声强度，a和b为线性拟合的参数值；
4)根据得到的转换公式将ADV回声强度数据转换为高频悬浮物浓度数据。
所述步骤2中波浪参数计算主要为波浪底部轨迹流速的计算，使用基于线性波理论的公式对获取的DWR波浪特征数据进行计算，具体步骤包括：
1)波长Ls计算
2)轨迹流速Uw计算
式中Ls为波长，g为当地重力加速度，Ts为有效波周期，h为水深，Hs为有效波高。
所述步骤3中底部切应力计算主要通过波流叠加的方式进行计算，波切应力通过DWR测量得到的波浪特征数据进行计算，流切应力通过滤波后的ADV流速数据进行计算。
所述步骤3中波切应力的计算步骤如下：
1)确定底部摩擦系数fw：
2)计算底部波浪切应力τw：
式中Aδ是近底波浪振幅，通过公式计算Aδ＝Hs/(2sinh(2πh/Ls))，Ks是底部粗糙系数，ρ为水密度，Uw为波浪轨迹流速。
所述步骤3中流切应力分为平均湖流切应力的计算和紊流附加切应力的计算。平均湖流切应力τc通过以下公式计算
式中μ为水的运动粘性系数，为垂向流速梯度。
紊流附加切应力τRe通过以下公式计算
u′为水平方向脉动流速，w′为垂向脉动流速，分别为流速数据经过高通滤波后得到的数据，ρ为水密度。
所述步骤3中临界切应力通过切应力和水体中悬浮物浓度的关系进行确定；具体步骤如下：
1)通过以下经验公式进行临界切应力τcrs的估算：
τcrs＝θcrs(ρs-ρ)gD (8)
式中θcrs为无量纲系数，ρs为底泥容重，D为底泥粒径，g为当地重力加速度；θcrs通过以下公式获取：
式中Y为Yalin系数，通过公式进行计算，ρ为水密度，v为水体运动粘度。
2)绘制切应力和水体中悬浮物的浓度的关系，通过图表发现随切应力变化，获取水体中悬浮物浓度的突变点，得到近似的底部临界切应力；
3)使用类似M-K检测的突变性及趋势性监测方法进行临界切应力的检测，得到较为精确的统计意义上的临界切应力；
所述步骤4中的沉降速度的确定主要基于稳定情况下湖泊中的沉降通量与泥沙湍流通量相等的假设，基于公式拟合得到沉降速度ws：
wsC＝<w′C′> (10)
ws＝aCb-1 (11)
式中C为泥沙浓度，w′为垂向湍流流速，C′为泥沙脉动值，<>为系综平均，a和b为拟合得到的参数。
所述步骤5中根据得到的数据构建沉积物再悬浮模型，将边界层的沉积物通量大体分为两个贡献部分，使用公式计算底泥沉积物进入水体的部分：
Jo＝Jr+Jd(12)
Jr为沉积物再悬浮通量，Jd为沉降通量。
所述步骤5中Jo的实测通量可以通过(式中C为泥沙浓度，w为垂向湍流流速)计算，沉积物再悬浮通量Jr可通过以下公式进行率定得到合理的参数：
Jr＝M1((τ-τcrs)/τcrs)αforτ＞τcrs (13)
Jr＝M2exp[-β((τ-τcrs)/τcrs)γ]forτ＞τcrs (14)
根据实际情况，选择拟合系数大于0.8的公式进行拟合，式中M1,M2为再悬浮系数，α,β,γ为使用实测值进行回归后得到的参数。沉积通量通过以下公式进行拟合：
Jd＝wsC((τcrd-τ)/τcrd)forτ＜τcrd (15)
τ为切应力，τcrd为临界沉积切应力，ws为沉降速度，C为泥沙浓度。
有益效果：本发明提供的一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，目前，现有技术暂没有对于野外观测如何提供一个准确预测的沉积物再悬浮的系统方法，本发明结合观测过程，构建了一种由野外数据获取较接近真实的沉积物再悬浮通量预测模型。克服了以往并没有相关方法的缺陷。本发明方法简单，实施方便，为科学合理构建的模型提供依据。
附图说明
图1为本发明的构建方法示意图；
图2为OBS浊度数据示意图；
图3为X方向预处理后ADV流速图；
图4为Y方向预处理后ADV流速图；
图5为Z方向预处理后ADV流速图
图6为ADV回声强度图；
图7为有效波高图；
图8为有效波周期图；
图9为采样瓶标定曲线图；
图10为回声强度与沉积物浓度的转换关系图；
图11为波浪轨迹流速图；
图12为底部切应力与水体悬浮物的浓度关系图；
图13为M-K检测图；
图14为沉降速度拟合图；
图15为再悬浮通量拟合图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，包括如下步骤：
步骤1：获取反映水体沉积物和水动力特征的观测数据并进行数据预处理；
步骤2：高频沉积物浓度数据及波浪特征参数计算；
步骤3：底部切应力计算及临界切应力确定；
步骤4：不同浓度下沉积物沉降速度确定；
步骤5：沉积物再悬浮通量模拟预测模型构建。
下面以取自于某大型浅水湖泊的观测数据为例，说明本发明实施例方法的处理过程。
步骤1：使用ADV(声学多普勒流速仪)、OBS(浊度仪)和DWR(波潮仪)在太湖梅梁湾进行野外观测，ADV和OBS放置在距离湖底5cm处的底边界层处，对三维流速和回声强度以及浊度进行同步测量，ADV监测频率为10Hz，OBS监测频率为3min一个数据。将MIDAS DWR压力式方向波潮仪放置在水表以下95cm处，监测频率为5min。同时采集泥样和水样进行实验室检测，获取反映水体沉积物和水动力特征的观测数据并进行数据预处理；得到的结果如下：
a.沉积物特征参数
底泥中值粒径：15μm
底泥比重：1.4×103kg/m3
如图2所示，使用OBS获取浊度数据，浊度变化范围为25至200NTU，平均值约为100NTU，浊度随监测时间的增加呈先增加后减少的趋势。
b.水动力特征参数
如图3所示为X方向ADV预处理后流速数据，平均流速为2cm/s，流速变化范围为-4至10cm/s，呈现正负交替的波浪特征。如图4所示为Y方向ADV预处理后流速数据，平均流速为-2cm/s，流速变化范围为-8至6cm/s，呈现正负交替的波浪特征。如图5所示为Z方向ADV预处理后流速数据，平均流速为0cm/s，流速变化范围为-4至4cm/s，与X和Y方向类似也呈现正负交替的波浪特征。
如图6所示为ADV回声强度数据，平均ADV回声强度为55dB，强度变化范围为45至80dB，随着采样时间的增加变化较小。
如图7所示为DWR波潮仪测量的有效波高，有效波高变化范围为0至0.65m，随采样时间的增加先增加后减小，平均有效波高为0.3m：如图8所示为DWR波潮仪测量的有效波周期，有效波周期变化范围为1.5至3s，随采样时间的增加先增加后减小，平均有效波高为2.1m：
步骤2：通过现场水样采集分析得到的沉积物浓度、OBS浊度数据和ADV回声强度数据三者的相关关系反演出高频实时的沉积物浓度，具体反演结果如下：
a.通过现场水样采集分析后的沉积物浓度对OBS测量得到的浊度数据进行标定，如图9所示，得到相应的标定曲线：
SSC样品＝1.1444T+0.3035(16)
式中SSC样品为实验室测得的采样瓶的沉积物浓度，用来表示实际的悬浮物浓度，T为OBS测得的浊度数据。
b.使用EI＝αlgSSC+b将长时间的OBS测量数据转化为沉积物浓度数据，反演计算得到ADV回声强度数据和沉积物浓度的转换关系，如图10所示：
步骤3：如图11所示，通过获取的DWR波浪特征数据：有效波高Hs，有效波周期Ts和水深3.15m，使用计算波长Ls并根据基于线性波理论的公式进行浪底部轨迹流速Uw计算。
步骤4：通过波流叠加的方式进行底部切应力计算，分别得到波浪和流速的切应力，叠加后得到总切应力τ。使用计算随波浪振幅和底部沉积物变化的底部摩擦系数fw。根据计算得到的波浪轨迹流速Uw和底部摩擦系数fw使用计算得到波浪切应力τw。流的切应力通过公式和确定，通过计算发现在本实例中由流引起的切应力要远远小于波浪引起的切应力，因此忽略流切应力的影响。
步骤5：根据公式(计算Yalin系数并使用经验τcrs＝θcrs(ρs-ρ)gD公式(估算临界切应力为0.36N·m‐2，如图12所示，绘制切应力和水体中悬浮物的浓度的关系，发现临界切应力变化范围为0.03‐0.04N·m‐2。如图13所示，使用M‐K检测进行临界切应力的确定，通过观察两个统计序列UF和UB的交点可以得到较为精确的统计意义上的临界切应力0.365N·m‐2。
步骤6：使用不同浓度下沉积物沉降速度经验wsC＝<w′C′>公式(和ws＝aCb-1公式(拟合得到经验参数a＝1.85×10-3，b＝2.04如图14所示，则沉降速度公式为
ws＝1.85×10-3C1.04 (17)
步骤7：如图15所示，使用拟合系数大于0.8的公式对沉积物再悬浮通量Jr进行拟合，得到描述再悬浮通量Jr的公式18。结合之前得到的沉降速度公式，可以导出沉积通量的计算公式9。由此，公式20即为构建的沉积物再悬浮通量预测模型。
Jr＝28.496((τ-0.365)/0.365)forτ＞0.365 (18)
Jd＝1.85×10-3C2.04((0.365-τ)/0.365)forτ＜0.365 (19)
Jo＝Jr+Jd (20)
式中：τ为切应力，C为泥沙浓度。
在本实施例中，经过野外观测数据和室内实验数据的计算，建立了一种由野外数据获取较接近真实的沉积物再悬浮预测模型，克服了以往并没有的系统方法的缺陷。本发明方法简单，实施方便，为科学合理建立的模型提供依据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，包括如下步骤：
步骤1：获取反映水体沉积物和水动力特征的观测数据并进行数据预处理；
步骤2：高频沉积物浓度数据及波浪特征参数计算；
步骤3：底部切应力计算及临界切应力确定；
步骤4：不同浓度下沉积物沉降速度确定；
步骤5：沉积物再悬浮通量模拟预测模型构建。
2.根据权利要求1所述的一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，其特征在于：所述步骤1中获取反映水体沉积物和水动力的观测数据来源于实际野外观测资料和实验室检测结果；
所述步骤1中获取反映水体沉积物特征的指标包括使用采样瓶获取的水体沉积物浓度，使用OBS获取的浊度数据以及泥样分析后得到的底泥粒径、比重；
所述步骤1中获取反映水动力特征的指标主要包括由ADV或其他流速测量设备获取的高频实时三维流速数据、使用DWR波潮仪获取的波浪特征数据，包括：平均波高、平均波周期、有效波高、有效波周期和波峰波向；
所述步骤1中数据预处理为异常数据剔除；对于流速、波浪以及浊度数据，野外观测仪器的测量数据需要通过选取阈值和数据质量评价指标进行误差项、异常项的剔除；对于ADV测量的流速数据，需要筛除相关性系数低于0.7和回声强度低于40dB的数据，对于OBS的浊度数据和DWR的波浪数据需要筛除超过仪器量程的不精确数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，其特征在于：所述步骤2中高频沉积物浓度数据通过现场水样采集分析得到的沉积物浓度、OBS浊度数据和ADV回声强度数据三者的相关关系，并反演出高频实时的沉积物浓度，其反演步骤如下：
1)通过现场水样采集分析后的沉积物浓度对OBS测量得到的浊度数据进行标定，得到相应的标定曲线；
2)使用标定曲线将OBS测量数据转化为沉积物浓度数据；
3)使用以下公式得到的悬浮物浓度数据和ADV回声强度之间的转换参数：
EI＝algSSC+b(1)
式中SSC为悬浮物浓度，EI为回声强度，a和b为线性拟合的参数值；
4)根据得到的转换公式将ADV回声强度数据转换为高频悬浮物浓度数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，其特征在于：所述步骤2中波浪参数计算为波浪底部轨迹流速的计算，使用基于线性波理论的公式对获取的DWR波浪特征数据进行计算，具体步骤包括：
1)波长Ls计算
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2)轨迹流速Uw计算
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式中Ls为波长，g为当地重力加速度，Ts为有效波周期，h为水深，Hs为有效波高。
5.根据权利要求1所述的一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，其特征在于：所述步骤3中底部切应力计算主要通过波流叠加的方式进行计算，波切应力通过DWR测量得到的波浪特征数据进行计算，流切应力通过滤波后的ADV流速数据进行计算；所述步骤3中波切应力的计算步骤如下：
1)确定底部摩擦系数fw：
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2)计算底部波浪切应力τw：
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式中Aδ是近底波浪振幅，通过公式计算Aδ＝Hs/(2sinh(2πh/Ls))，Ks是底部粗糙系数，ρ为水密度，Uw为波浪轨迹流速。
6.根据权利要求5所述的一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，其特征在于：所述流切应力分为平均湖流切应力的计算和紊流附加切应力的计算；平均湖流切应力τc通过以下公式计算
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式中μ为水的运动粘性系数，为垂向流速梯度；
紊流附加切应力τRe通过以下公式计算
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u′为水平方向脉动流速，w′为垂向脉动流速，分别为流速数据经过高通滤波后得到的数据，ρ为水密度。
7.根据权利要求1所述的一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，其特征在于：所述步骤3中临界切应力通过切应力和水体中悬浮物浓度的关系进行确定；具体步骤如下：
1)通过以下经验公式进行临界切应力τcrs的估算：
τcrs＝θcrs(ρs-ρ)gD(8)
式中θcrs为无量纲系数，ρs为底泥容重，D为底泥粒径，g为当地重力加速度；θcrs通过以下公式获取：
<mrow>
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式中Y为Yalin系数，通过公式[(ρs-ρ)gD3/ρv2]2进行计算，ρ为水密度，v为水的运动粘度；
2)绘制切应力和水体中悬浮物的浓度的关系，通过图表发现随切应力变化，获取水体中悬浮物浓度的突变点，得到近似的底部临界切应力；
3)使用类似M-K检测的突变性及趋势性监测方法进行临界切应力的检测，得到精确的统计意义上的临界切应力。
8.根据权利要求1所述的一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，其特征在于：所述步骤4中的沉降速度的确定基于稳定情况下湖泊中的沉降通量与泥沙湍流通量相等的假设，基于公式拟合得到沉降速度ws：
wsC＝<w′C′>(10)
ws＝aCb-1(11)
式中C为泥沙浓度，w′为垂向湍流流速，C′为泥沙脉动值，<>为系综平均，a和b为拟合得到的参数。
9.根据权利要求1所述的一种基于野外观测的沉积物再悬浮模型构建方法，其特征在于：所述步骤5中根据得到的数据构建沉积物再悬浮模型，将边界层的沉积物通量分为两个贡献部分，使用公式计算底泥沉积物进入水体的部分：
Jo＝Jr+Jd(12)
Jr为沉积物再悬浮通量，Jd为沉降通量；
所述Jo的实测通量可以通过计算，式中，C为泥沙浓度，w为垂向湍流流速，沉积物再悬浮通量Jr可通过以下公式进行率定得到合理的参数：
Jr＝M1((τ-τcrs)/crs)αforτ＞τcrs(13)
Jr＝M2exp[-β((τ-τcrs)/crs)γ]forτ＞τcrs(14)
根据实际情况，选择拟合系数大于0.8的公式进行拟合，式中M1，M2为再悬浮系数，α,β,γ为使用实测值进行回归后得到的参数；沉积通量通过以下公式进行拟合：
Jd＝wsC((τcrd-τ)/τcrd)forτ＜τcrd (15)
τ为切应力，τcrd为临界沉积切应力，ws为沉降速度，C为泥沙浓度。
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