科研成果
声层析监测长江悬沙通量取得重大技术突破
时间：2023年09月19日
访问次数:1273
我所朱小华团队经过多年技术攻关，在声层析监测长江悬沙通量方面取得了重大技术突破。近日，团队在国际著名水文水资源领域期刊Journal of Hydrology（一区Top，影响因子6.708）发表了题为“Coastal Acoustic Tomography System for Monitoring Transect Suspended Sediment Discharge of Yangtze River”的论文。论文第一作者为我室海星博士后肖聪，通讯作者为朱小华研究员，合作者包括长江水利委水文局长江下游水文水资源勘测局韦立新局长（教授级高级工程师）、仲跻文高级工程师及我所张传正博士、朱泽南副研究员、马云龙高级工程师。
对长江等大型河道的悬沙通量进行大范围监测一直是水文研究与水资源管理的一个难点。要获取悬沙通量必须同时有河道水通量数据和河道平均悬沙浓度数据。而目前对河道平均悬沙浓度测量除了采水测试外，还采用光学后向散射浊度计、高分辨率剖面浊度仪和ADCP等仪器，这类仪器对悬沙测量存在范围小、耗时耗力等局限性，无法实现对大型河道悬沙浓度及通量的监测。本论文利用沿海声层析（CAT）技术，在长江悬沙通量监测技术上取得了重大突破，首次成功实现了对长江断面径流、悬沙浓度及悬沙通量的实时监测。
团队依托于长江口-东海长期综合观测计划（LORCE）项目，通过与长江水利委水文局长江下游水文水资源勘测局的长期通力合作，在长江大通站南北两岸各布设了一套沿海声层析仪（图1）。自2018年开始，对大通径流及悬沙通量进行了3年的长期监测。团队发展了声层析反演长江流量的新方法，捕获了2020年长江洪水的全过程（洪峰流量达87,372 m3/s，为长江历史第二大洪峰）（参考论文1），并分析指出长江大通段的流量主要受降水和三峡大坝放水量影响（参考论文2）。在此基础上，团队独辟蹊径，从声传输衰减理论出发，创造性地基于声层析互易声传播信号衰减差来量化声层析观测断面的悬沙浓度变化，建立了声层析反演断面平均悬沙浓度的声学反演理论和反演模型，得到了高精度的长江悬沙浓度和悬沙通量的时间序列（图2）。该方法弥补了传统悬沙观测的不足，拓展了沿海声层析技术在水文监测领域的应用范围。另外，传统的声层析观测只能测量声速和流速，而本团队发展的声层析监测悬沙通量的技术也极大地丰富和发展了声层析的技术理论。
团队通过在大通水文站的观测和长期技术攻关，实现了声层析技术对大型河道的径流、悬沙浓度及悬沙通量等水文参数的多位一体的监测，丰富了声层析技术在航道、河口及近岸水体水文监测等方面的应用前景。
图1.大通水文站声层析观测示意图。（a）观测区域总览；（b）声层析仪设置区域及位置示意图；（c）声层析观测示意图；（d）和（e）南岸与北岸布设声层析仪的浮体；（f）声层析数据实时回传实验室示意图。
图2 （a）沿海声层析观测得到的大通站5分钟间隔悬沙浓度（黑色）及通量（红色）；（b）沿海声层析观测得到的悬沙浓度日平均值（黑色）与水文站监测得到的悬沙浓度日平均值（红色）对比；（c）沿海声层析悬沙通量日平均值（黑色）与水文站监测的悬沙通量日平均值（红色）对比。
论文引用：Xiao, C., Zhu, X. H., Zhang, C., Zhu, Z., Ma, Y., Zhong, J. & Wei, L. (2023). Coastal Acoustic Tomography System for Monitoring Transect Suspended Sediment Discharge of Yangtze River. Journal of Hydrology, 129832. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129832
