ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИНАМИКИ ДОННОГО МАТЕРИАЛА

ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВВ ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИНАМИКИ ДОННОГО МАТЕРИАЛА

ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВВ ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИНАМИКИ ДОННОГО МАТЕРИАЛА

Дивинский Б.В.1, Грюне И.2, Косьян Р.Д.1Дивинский Б.В.1, Грюне И.2, Косьян Р.Д.1

1Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Геленджик, Россия2Прибрежный исследовательский центр, Ганновер, Германия

1Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Геленджик, Россия2Прибрежный исследовательский центр, Ганновер, Германия

XXIV Международная береговая конференцияXXIV Международная береговая конференция

Туапсе,1-6 октября 2012 г.Туапсе,1-6 октября 2012 г.



Обобщенная схема транспорта наносов в прибрежной зоне(Soulsby R., 1997)





ПОВЕРХНОСТНОЕ ВОЛНЕНИЕПОВЕРХНОСТНОЕ ВОЛНЕНИЕ

РегулярноеРегулярное

С выраженной групповой структуройС выраженной групповой структурой

НерегулярноеНерегулярное



НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕНЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ

Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project).Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project).

Общий вид спектра JONSWAP:Общий вид спектра JONSWAP:

Параметризованная форма:Параметризованная форма:

Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами:значительной высотой волны Hs, частотой максимума спектра fm

и параметром пиковатости (peak enhancement coefficient).




































Параметр характеризует особенности распределения волновой энергии в окрестностях основного максимума спектра (форму спектра).Параметр характеризует особенности распределения волновой энергии в окрестностях основного максимума спектра (форму спектра).

В данном примере:значительная высота волн Hs=1.2 м,частота максимума спектра fm =0.2 Гц

В данном примере:значительная высота волн Hs=1.2 м,частота максимума спектра fm =0.2 Гц



Данные комплексного эксперимента, проведенного в 2008 году совместными усилиями российских и германских ученых в Большом волновом канале Прибрежного исследовательского центра (г. Ганновер, Германия).

Данные комплексного эксперимента, проведенного в 2008 году совместными усилиями российских и германских ученых в Большом волновом канале Прибрежного исследовательского центра (г. Ганновер, Германия).

ВОПРОСВОПРОС

Влияют ли особенности частотного распределения волновой энергии внутри спектра нерегулярного поверхностного волнения (при постоянных интегральных характеристиках) на закономерности взвешивания донного материала?

Влияют ли особенности частотного распределения волновой энергии внутри спектра нерегулярного поверхностного волнения (при постоянных интегральных характеристиках) на закономерности взвешивания донного материала?

ИСХОДНЫЕ ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫМАТЕРИАЛЫ



Большой волновой канал предназначен для проведения широкого круга исследований в области гидро- и литодинамики. Размеры: длина – 307 м, ширина – 5 м, глубина – 7 м. Волнопродуктор позволяет генерировать поверхностное волнение с произвольной заданной структурой.

Большой волновой канал предназначен для проведения широкого круга исследований в области гидро- и литодинамики. Размеры: длина – 307 м, ширина – 5 м, глубина – 7 м. Волнопродуктор позволяет генерировать поверхностное волнение с произвольной заданной структурой.

БОЛЬШОЙ ВОЛНОВОЙ КАНАЛБОЛЬШОЙ ВОЛНОВОЙ КАНАЛ

http://www.santoss.utwente.nlhttp://www.santoss.utwente.nl



Струнный волнографСтрунный волнограф

Акустические датчикиАкустические датчики3.18

м3.

18 м

0.82

м0.

82 м

111.45 м111.45 м

0.75

м0.

75 м



Отраженный сигнал от днаОтраженный сигнал от дна

Акустический сигналАкустический сигнал

Отраженный сигнал от взвесиОтраженный сигнал от взвеси

Рабочие частоты: 1, 2 и 3.84 МГцРабочие частоты: 1, 2 и 3.84 МГц

Acoustic backscatter systems (ABS)Acoustic backscatter systems (ABS)

Акустические датчики обратного рассеиванияАкустические датчики обратного рассеивания

Вертикальное разрешение – 1 смВертикальное разрешение – 1 см

В исследованиях использовался прибор Aquascat 1000 британской фирмы Aquatech (www.aquatecsubsea.com)В исследованиях использовался прибор Aquascat 1000 британской фирмы Aquatech (www.aquatecsubsea.com)

Основной принцип работы заключается в измерении мощности отраженного сигнала, пропорционального величине массовой концентрации осадков.

Основной принцип работы заключается в измерении мощности отраженного сигнала, пропорционального величине массовой концентрации осадков.



Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны hs, периодом пика спектра fm и параметром , который контролирует частотное

распределение волновой энергии внутри спектра.

В нашем случае серии экспериментов соответствовали перебору спектральных параметров исходного волнового поля:•значительная высота волны hs=0.8, 1.0, 1.2 м;

•период пика спектра tp=5 c;•параметр пиковатости =1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.3, 4.0, 6.0, 8.0, 9.9.

Таким образом, всего на рассматриваемом этапе было проведено 30 серий наблюдений за динамикой взвешенного вещества под воздействием нерегулярного поверхностного волнения.

Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны hs, периодом пика спектра fm и параметром , который контролирует частотное

распределение волновой энергии внутри спектра.

В нашем случае серии экспериментов соответствовали перебору спектральных параметров исходного волнового поля:•значительная высота волны hs=0.8, 1.0, 1.2 м;

•период пика спектра tp=5 c;•параметр пиковатости =1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.3, 4.0, 6.0, 8.0, 9.9.

Таким образом, всего на рассматриваемом этапе было проведено 30 серий наблюдений за динамикой взвешенного вещества под воздействием нерегулярного поверхностного волнения.



Характер динамического отклика поверхности дна на внешнее возмущение (режим транспорта) выражается в терминах параметра мобильности (O’Donoghue et al., 2006):Характер динамического отклика поверхности дна на внешнее возмущение (режим транспорта) выражается в терминах параметра мобильности (O’Donoghue et al., 2006):

Состояние дна (рифельное, плоское) определяет характер взвешивания донных осадков.Состояние дна (рифельное, плоское) определяет характер взвешивания донных осадков.



hs=1.2 мhs=1.2 м=1.0=1.0 =9.9=9.9

Возвышение свободной

поверхности



Высоты индивидуальных

волн

Высоты индивидуальных

волн

Периоды индивидуальных

волн

Периоды индивидуальных

волн

Параметр мобильности

Параметр мобильности



Характеристики донных рифелей:Характеристики донных рифелей:

длинадлина

крутизнакрутизна

высотавысота

Модели рифельного дна:

Grant and Madsen (1982)Grant and Madsen (1982)

Wiberg and Harris (1994)Wiberg and Harris (1994) =f(амплитуда придонных колебаний)=f(амплитуда придонных колебаний)

=f(параметр Шильдса)=f(параметр Шильдса)



Длины рифелейДлины

рифелей

ВысотырифелейВысотырифелей

Крутизна рифелей

Крутизна рифелей

Grant and Madsen (1982)Grant and Madsen (1982)Wiberg and Harris (1994)Wiberg and Harris (1994)

hs=1.2 мhs=1.2 мhs=1.0 мhs=1.0 мhs=0.8 мhs=0.8 м



Являются ли полученные результаты статистически достоверными?

В условиях ограниченных возможностей лабораторного эксперимента, связанных, в первую очередь, с высокой стоимостью исследований, проведение детальных экспериментов несколько затруднительно.

В какой-то степени дополнить анализ возможно методами математического моделирования.

Являются ли полученные результаты статистически достоверными?

В условиях ограниченных возможностей лабораторного эксперимента, связанных, в первую очередь, с высокой стоимостью исследований, проведение детальных экспериментов несколько затруднительно.

В какой-то степени дополнить анализ возможно методами математического моделирования.



Модель реализует распространение нерегулярных поверхностных волн над неоднородным дном с учетом возможного забурунивания, обрушения, а также нелинейных взаимодействий в спектре волн. Модель реализует распространение нерегулярных поверхностных волн над неоднородным дном с учетом возможного забурунивания, обрушения, а также нелинейных взаимодействий в спектре волн.

Получено 50 записей возвышений свободной поверхности, по 5 для каждого набора

(hs=1.2 м, tp= 5 с, ).

Получено 50 записей возвышений свободной поверхности, по 5 для каждого набора

(hs=1.2 м, tp= 5 с, ).

Модель БуссинескаМодель Буссинеска



Wiberg and Harris (1994)Wiberg and Harris (1994)

Длины рифелейДлины

рифелей

ВысотырифелейВысотырифелей



Необходимое замечание.

В процессе распространения волн над пологим дном происходит трансформация спектральной структуры.

Необходимое замечание.

В процессе распространения волн над пологим дном происходит трансформация спектральной структуры.



- исходное значение- исходное значение

- в точке измерений- в точке измерений

- исходное значение- исходное значение

- в точке измерений- в точке измерений





ИТАК:-дно рифельное;-с увеличением параметра JONSWAP растут линейные размеры рифелей.

ИТАК:-дно рифельное;-с увеличением параметра JONSWAP растут линейные размеры рифелей.

Как это сказывается на закономерностях взвешивания донного материала? Как это сказывается на закономерностях взвешивания донного материала?



Концентрациявзвешенных

частиц


частиц

Средний диаметр частиц







частиц


частиц







=1.0=1.0

=9.9=9.9




частиц


частиц









Концентрация взвешенных частиц

Концентрация взвешенных частиц



hs=1.2 м, tp=5 с, =1.0…9.9hs=1.2 м, tp=5 с, =1.0…9.9



Основной задачей исследований выступал анализ влияния частотного распределения волновой энергии на динамику взвешивания донного материала и условий образования донных микроформ рельефа с детальным рассмотрением гидродинамических аспектов базового лабораторного эксперимента.

Основной задачей исследований выступал анализ влияния частотного распределения волновой энергии на динамику взвешивания донного материала и условий образования донных микроформ рельефа с детальным рассмотрением гидродинамических аспектов базового лабораторного эксперимента.

В нашем случае воздействие внешних гидродинамических условий на твердое дно выражается в преимущественном формировании донных рифелей, определяющих картину взвешивания.При неизменной энергетической составляющей процесса (пропорциональной квадрату значительной высоты волны) с увеличением параметра пиковатости спектра происходит увеличение линейных размеров донных микроформ.Укрупнение рифелей способствует более активной инжекции донного материала в верхние слои, сопровождающийся ростом концентрации взвешенных частиц.Использование многочастотности акустических датчиков обратного рассеивания позволяет профилировать как непосредственно концентрации, так и гранулометрический состав взвешенных веществ.

ВЫВОДЫВЫВОДЫ

aqualog.ocean.ruaqualog.ocean.ru

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАЯКОРЕННЫЙ КОМПЛЕКС

«АКВАЛОГ»

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАЯКОРЕННЫЙ КОМПЛЕКС

«АКВАЛОГ»



Островский и др., 2009. Заякоренная профилирующая океанская обсерватория. Средства и методы подводных исследований.

Островский и др., 2009. Заякоренная профилирующая океанская обсерватория. Средства и методы подводных исследований.



БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ!БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ!

Documents

ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИНАМИКИ ДОННОГО МАТЕРИАЛА