مدل‌سازی عددی تخمین میانگین اندازه و غلظت رسوبات معلق مقطع رودخانه ها با استفاده از روش تیکه نگاری صوتی

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان

1 دانشجو کارشناسی ارشد/ دانشکدگان ابوریحان - دانشگاه تهران

2 گروه مهندسی آب، دانشکدگان ابوریحان، دانشگاه تهران

3 هیئت علمی / موسسه تحقیقات آب

چکیده

امروزه با توجه به آمار بالای فرسایش در دنیا همچنان در اکثر ایستگاه­های رسوب­سنجی برای پایش رسوبات معلق از روش­های سنتی استفاده می­شود که هزینه­ و زمان­بر بوده و با خطای انسانی همراه است. اخیرا فناوری­های نوین نیمرخ جریان داپلر صوتی (ADCP) و آکوستیک توموگرافی یا تیکه نگاری صوتی رودخانه (FAT) رایج شده است. این فناوری ها بر پایه دانش آوصوتیات هستند که با ارسال و دریافت امواج صدا درون آب و تحلیل آن به تخمین میانگین غلظت و اندازه رسوبات معلق می­پردازند. تخمین غلظت رسوبات معلق با استفاده از یک بسامد تنها با نمونه­برداری از رودخانه امکان پذیر است. به همین جهت در این مطالعه برای اولین بار با توسعه روابط توموگرافی و استفاده هم­زمان از دو بسامد امکان تخمین میانگین اندازه و غلظت رسوبات معلق رودخانه با استفاده از FAT بدون نیاز به نمونه­برداری ارائه شده است. در نهایت صحت عملکرد رابطه توسعه یافته با سه احتمال رخداد فرضی با مقادیر SNR فرضی در هر بسامد مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج تحلیلی با توجه به رابطه توسعه یافته نشان داد که روش تیکه نگاری صوتی با دو بسامد 10 و 30 کیلوهرتز قادر به پایش ذرات رسوبات معلق با میانگین اندازه شعاع حدودی بین 1/0 تا 105 میکرومتر و غلظت رسوبات معلق بین 1/0 تا 17/7 کیلوگرم بر مترمکعب است که در مقایسه با اِی­دی­سی­پی قادر به تخمین مقادیر بیشتر (103 تا 105 میکرومتر) و (1/3 تا 17/7 کیلوگرم برمترمکعب) است.

کلیدواژه‌ها


Al Sawaf, M.B. and Kawanisi, K. (2019). Novel high-frequency acoustic monitoring of streamflow-turbidity dynamics in a gravel-bed river during artificial dam flush. Catena, 172, 738-752.
Bahreinimotlagh, M., Kawanisi, K. and Zhu, X. (2015). Acoustic investigations of tidal bores in Qiantang River. Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. B1 (Hydraulic Engineering), 71(4), 139–144.
Bahreinimotlagh, M., Roozbahani, R., Eftekhari, M., Kardan Moghadam, H. and Kavousi Heydari, A.R. (2018). Design, manufacture and the evaluation of fluvial acoustic tomography system (FATS). Journal of Acoustical Engineering Society of Iran, 6(1), 1-11. (In Persian)
Bahreinimotlagh, M., Kawanisi, K., Al Sawaf, M.B., Roozbahani, R., Eftekhari, M. and Khoshuie, A.K. (2019). Continuous streamflow monitoring in shared watersheds using advanced underwater acoustic tomography system: a case study on Zayanderud River. Environmental monitoring and assessment, 191(11), 1-9.
Bahrainimotlagh, M., Roozbehani, R., Eftekhari, M., and Hassanli, S.A.M. (2019). Investigation of acoustic technologies for monitoring flows in rivers. Journal of Sound and Vibration, 8(15), 73-82. (In Persian)
Bahreinimotlagh, M., Kawanisi, K., Kavousi, A., Roozbahani, R., Abbasi, M. and Al Sawaf, M.B. (2020). Influence of suspended sediment concentration and particle sizes on the sound attenuation of the fluvial acoustic tomography technique. Journal of Water and Environment Technology, 18(5), 338-348.
Dijkstra, Y.M., Schuttelaars, H.M. and Schramkowski, G.P. (2019). A regime shift from low to high sediment concentrations in a tide‐dominated estuary. Geophysical Research Letters, 46(8), 4338-4345.
Jourdin, F., Tessier, C., Le Hir, P., Verney, R., Lunven, M., Loyer, S., Lusven, A., Filipot, J.F. and Lepesqueur, J. (2014). Dual-frequency ADCPs measuring turbidity. Geo-Marine Letters, 34(4), 381-397.
Kawanisi, K., Razaz, M., Kaneko, A. and Watanabe, S. (2010). Long-term measurement of stream flow and salinity in a tidal river by the use of the fluvial acoustic tomography system. Journal of Hydrology, 380(1-2), 74-81.
Kawanisi, K., Razaz, M., Soltaniasl, M. and Kaneko, A. (2011). Long-term salinity measurement in a tidal estuary by the use of acoustic tomography. In: 3rd International Conference & Exhibition on Underwater Acoustic Measurements: Technologies & Results, Greece, pp. 401-408.
Kawanisi, K., Razaz, M., Ishikawa, K., Yano, J. and Soltaniasl, M. (2012). Continuous measurements of flow rate in a shallow gravel-bed river by a new acoustic system. Water Resources Research, 48(5), 1–10.
Kawanisi, K., Zhu, X.H., Fan, X. and Nistor, I. 2017. Monitoring tidal bores using acoustic tomography system. Journal of Coastal Research, 33(1), 96-104.
Lin, J., Kaneko, A., Gohda, N. and Yamaguchi, K. (2005). Accurate imaging and prediction of Kanmon Strait tidal current structures by the coastal acoustic tomography data. Geophysical Research Letters, 32(14), https://doi.org/10.1029/2005GL022 914.
Manik, H.M., Gultom, D.A. and Elson, L. (2020). Evaluation of ADCP backscatter computation for quantifying suspended sediment concentration. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 429, 012035, IOP Publishing, doi:10.1088/1755-1315/429/1/012035.
Munk, W. and Wunsch, C. (1979). Ocean acoustic tomography: A scheme for large scale monitoring. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 26(2), 123-161.
Pomázi, F. and Baranya, S. (2020). Comparative assessment of fluvial suspended sediment concentration analysis methods. Water, 12(3), 873, https://doi.org/10.3390/w12030873.
Richards, S.D., Heathershaw, A.D. and Thorne, P.D. (1996). The effect of suspended particulate matter on sound attenuation in seawater. The Journal of the Acoustical Society of America, 100(3), 1447-1450.
Sándor, B. and Józsa, J. (2013). Estimation of suspended sediment concentrations with ADCP in Danube River. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 61(3), 232-240.
Szupiany, R.N., Lopez Weibel, C., Guerrero, M., Latosinski, F., Wood, M., Dominguez Ruben, L. and Oberg, K. (2019). 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, 44(6), 1295-1308.
Thomas, L.P., Marino, B.M. and Szupiany, R.N. (2017), July. Application of the two-ADCP technique in estuaries to characterize the suspended particulate matter transport. In 2017 IEEE/OES Acoustics in Underwater Geosciences Symposium (RIO Acoustics), 1-5. IEEE, 10.1109/ RIOAcoustics.2017.8349736
Thorne, P., Vincent, C., Hardcastle, P., Rehman, S. and Pearson, N. (1991). Measuring suspended sediment concentrations using acoustic backscatter devices. Marine Geology, 98(1), 7–16.
Urick, R.J. (1948). The Absorption of Sound in Suspensions of Irregular Particles. The Journal of the Acoustical Society of America, 20(3), 283-289.
Urick, R.J. (1983). Principles of underwater sound. Peninsula Pub, New York, USA.
Urick, R.J. (1997). Principles of underwater sound. Los Altos, CA, USA. Peninsula Publishing.
Verstraeten, G., Van Rompaey, A., Poesen, J., Van Oost, K. and Govers, G. (2003). Evaluating the impact of watershed management scenarios on changes in sediment delivery to rivers? In: The interactions between sediments and water, Springer, Dordrecht, pp. 153-158.
Yamaguchi, K., Lin, J., Kaneko, A., Yayamoto, T., Gohda, N., Nguyen, H.Q. and Zheng, H. (2005). A continuous mapping of tidal current structures in the kanmon strait. Journal of Oceanography, 61(2), 283–294.