ЭМПИРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ НАНОСОВ ПО ГЛУБИНЕ КРУПНЫХ РЕК
Авторы
- В.А. Иванов МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия
- С.Р. Чалов МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия; Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, Россия
DOI:
https://doi.org/10.34753/HS.2022.4.2.149+ Ключевые слова
+ Аннотация
Мутность воды, или концентрация взвешенных наносов, является одной из основных характеристик водного потока. Данный параметр является необходимой водохозяйственной характеристикой речного потока для прогнозирования русловых переформирований. Мутность воды является нормативной характеристикой качества воды для хозяйственного использования, поскольку с частицами взвеси переносится множество патогенных микроорганизмов и сорбируются тяжелые металлы, а повышенные значения мутности губительны для многих видов водных организмов. Данная высокая социально-экономическая и гидролого-экологическая значимость актуализирует изучение точности оценок взвешенных наносов и их пространственного распределение внутри поперечного сечения реки. В данной статье были рассмотрены особенности распределения мутности воды и их гидравлических факторов на реках России (Лена, Обь, Енисей, Колыма, Дон, Кубань, Терек, Селенга). Так, были обработаны 78 измерений поперечных профилей потока, выполненных Акустическим Доплеровским Профилографом Течений RiverRay 600 kHz, в сумме составивших 40 079 вертикальных распределений обратного рассеяния лучей прибора по глубине, переведенных в единицы весовой мутности. Для всех измерений был выполнен расчет среднего числа Рауза для поперечного профиля, и далее – для частных вертикалей через введение переводного коэффициента. В результате были получены
78 моделей вертикального распределения мутности как функция глубины вертикали, скорости потока и диаметру частиц.
Для 8 моделей коэффициенты корреляции к измеренным значениям составили более 0,9. Для произведения данных расчетов авторами статьи было разработано программное обеспечение на языке программирования R, для которого входными параметрами являлись сырые данные измерений, а результатом расчетов являлись мутностные и гидравлические характеристики потока. Указанные модели, полученные при помощи машинного обучения, рекомендованы для дальнейшего применения при изучении особенностей движения взвешенных наносов больших рек.
+ Биографии авторов
+ Библиографические ссылки
Караушев А.В. Теория и методы расчета речных наносов. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1977. 271 с. Agrawal Y.C., Hanes D.M. The implications of laser-diffraction measurements of sediment size distributions in a river to the potential use of acoustic backscatter for sediment measurements // Water Resources Research. 2015. Т. 51. № 11. С. 8854–8867. DOI: 10.1002/2015WR017268. Aleixo R., Guerrero M., Nones M., Ruther N. Applying ADCPs for Long-Term Monitoring of SSC in Rivers // Water Resources Research. 2020. Т. 56. № 1. e2019WR026087. DOI: 10.1029/2019WR026087. Deines K.L. Backscatter estimation using broadband acoustic Doppler current profilers // Proceedings of the IEEE Sixth Working Conference on Current Measurement (Cat. No.99CH36331) (San Diego, CA, USA, 13 March 1999). San Diego, 1999. C. 249–253. DOI: 10.1109/CCM.1999.755249. Dominguez Ruben L.G., Szupiany R.N., Latosinski F.G., López Weibel C., Wood M., Boldt J. Acoustic Sediment Estimation Toolbox (ASET): A software package for calibrating and processing TRDI ADCP data to compute suspended-sediment transport in sandy rivers // Computers & Geosciences. 2020. Т. 140. DOI: 10.1016/j.cageo.2020.104499. Elçi Ş., Aydın R., Work P.A. Estimation of suspended sediment concentration in rivers using acoustic methods // Environmental Monitoring and Assessment. 2009. Т. 159. 255. DOI: 10.1007/s10661-008-0627-5. Guerrero M., Di Federico V. Suspended sediment assessment by combining sound attenuation and backscatter measurements – analytical method and experimental validation // Advances in Water Resources. 2018. Т. 113. С. 167–179. DOI: 10.1016/j.advwatres.2018.01.020. Hackney C.R., Darby S.E., Parsons D.R., Leyland J., Aalto R., Nicholas A.P., Best J.L. The influence of flow discharge variations on the morphodynamics of a diffluence-confluence unit on a large river // Earth Surface Processes and Landforms. 2018. Т. 43. № 2. С. 349–362. DOI: 10.1002/esp.4204. Hanes D.M. On the possibility of single-frequency acoustic measurement of sand and clay concentrations in uniform suspensions // Continental Shelf Research. 2012. Т. 46. С. 64–66. DOI: 10.1016/j.csr.2011.10.008. Holdaway G.P., Thorne P.D., Flatt D., Jones S.E., Prandle D. Comparison between ADCP and transmissometer measurements of suspended sediment concentration // Continental Shelf Research. 1999. Т. 19. № 3. С. 421–441. DOI: 10.1016/S0278-4343(98)00097-1. Latosinski F.G., Szupiany R.N., García C.M. Guerrero M., Amsler M.L. Estimation of concentration and load of suspended bed sediment in a large river by means of acoustic doppler technology // Journal of Hydraulic Engineering. 2014. Т. 140. № 7. С. 04014023. DOI: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000859. Moore S.A., Coz J.L., Hurther D., Paquier A. Using multi-frequency acoustic attenuation to monitor grain size and concentration of suspended sediment in rivers // The Journal of the Acoustical Society of America. 2013. Т. 133. № 4. С. 1959. DOI: 10.1121/1.4792645. Mueller D.S., Wagner C.R., Rehmel M.S., Oberg K.A, Rainville F. Measuring discharge with acoustic Doppler current profilers from a moving boat (ver. 2.0, December 2013) / U.S. Geological Survey Techniques and Methods, book 3, chap. A22, 2013. 95 c. DOI: 10.3133/tm3A22. Mullison J. Backscatter estimation using broadband acoustic doppler current profilers // Hydraulic Measurements & Experimental Methods Conference (Durham, USA, 2017, July 9–12). Durham, 2017. С. 1–6. Pomázi F., Baranya S. Comparative assessment of fluvial suspended sediment concentration analysis methods // Water (Switzerland). 2020. Т. 12. № 3. С. 873. DOI: 10.3390/w12030873. Rouse H.B. Modern conceptions of the mechanics or fluid turbulence. American Society of Civil Engineers, 1936. Sakho I., Dussouillez P., Delanghe D., Hanot B., Raccasi G., Tal M., Sabatier F., Provansal M., Radakovitch O. Suspended sediment flux at the Rhone River mouth (France) based on ADCP measurements during flood events // Environmental Monitoring and Assessment. 2019. Т. 191. 508. DOI: 10.3390/w12030873. Sassi M.G., Hoitink A.J.F., Vermeulen B. Impact of sound attenuation by suspended sediment on ADCP backscatter calibrations // Water Resources Research. 2012. Т. 48. № 9. DOI: 10.1029/2012WR012008. Szupiany R.N., Amsler M.L., Parsons D.R., Best J.L. Morphology, flow structure, and suspended bed sediment transport at two large braid-bar confluences // Water Resources Research. 2009. Т. 45. № 5. DOI: 10.1029/2008WR007428. Szupiany R.N., Weibel C.L., Guerrero M., Latosinski F., Wood M.S., Ruben L.G.D., Oberg K. Estimating sand concentrations using ADCP-based acoustic inversion in a large fluvial system characterized by bi-modal suspended-sediment distributions // Earth Surface Processes and Landforms. 2019. Т. 44. № 6. С. 1295–1308. DOI: 10.1002/esp.4572. Szupiany R.N., Weibel C.L., Latosinski F., Amsler M.L., Domínguez L.V., Guerrero M. Sediment concentration measurements using ADCPs in a large river: Evaluation of acoustic frequency and grain size // Proceedings of the International Conference on Fluvial Hydraulics (River Flow 2016) (St Louis, Missouri, USA, July 11–14, 2016). DOI: 10.1201/9781315644479-243. Thorne P.D., Hanes D.M. A review of acoustic measurement of small-scale sediment processes // Continental Shelf Research. 2002. Т. 22. № 4. С. 603–632. DOI: 10.1016/S0278-4343(01)00101-7. Thorne P.D., Meral R. Formulations for the scattering properties of suspended sandy sediments for use in the application of acoustics to sediment transport processes // Continental Shelf Research. 2008. Т. 28. № 2. С. 309–317. DOI: 10.1016/j.csr.2007.08.002. Thorne P.D., Vincent D.E., Hardcastle P.J., Rehman S., Pearson N.D. Measuring suspended sediment concentrations using acoustic backscatter devices // Marine Geology. 1991. Т. 98. № 1. С. 7–16. DOI: 10.1016/0025-3227(91)90031-X. Topping D.J., Wright S.A. Long-term continuous acoustical suspended-sediment measurements in rivers - Theory, application, bias, and error. Reston, Virginia: U.S. Geological Survey Professional Paper 1823, 2016. 98 p. DOI: 10.3133/pp1823. Venditti J.G., Church M., Attard M.E., Haught D. Use of ADCPs for suspended sediment transport monitoring: An empirical approach // Water Resources Research. 2016. Т. 52. № 4. С. 2715–2736. DOI: 10.1002/2015WR017348. Wall G.R., Nystrom E.A., Litten S. Use of an ADCP to compute suspended-sediment discharge in the tidal Hudson River, New York. Reston, Virginia: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2006-5055, 2006. 16 p. DOI: 10.3133/SIR20065055.
+ Читать статью онлайн
Скачивания
1.png)
