ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИНАМИКИ ДОННОГО МАТЕРИАЛА ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИНАМИКИ ДОННОГО МАТЕРИАЛА Дивинский. - презентация

1 ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИНАМИКИ ДОННОГО МАТЕРИАЛА ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ДИНАМИКИ ДОННОГО МАТЕРИАЛА Дивинский Б.В. 1, Грюне И. 2, Косьян Р.Д. 1 1 Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Геленджик, Россия 2 Прибрежный исследовательский центр, Ганновер, Германия 1 Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Геленджик, Россия 2 Прибрежный исследовательский центр, Ганновер, Германия XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г.

2 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Обобщенная схема транспорта наносов в прибрежной зоне (Soulsby R., 1997)

3 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г.

4 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. ПОВЕРХНОСТНОЕ ВОЛНЕНИЕ Регулярное С выраженной групповой структурой Нерегулярное

5 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project). Общий вид спектра JONSWAP: Параметризованная форма: Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны H s, частотой максимума спектра f m и параметром пиковатости (peak enhancement coefficient). Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны H s, частотой максимума спектра f m и параметром пиковатости (peak enhancement coefficient).

6 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project). Общий вид спектра JONSWAP: Параметризованная форма: Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны H s, частотой максимума спектра f m и параметром пиковатости (peak enhancement coefficient). Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны H s, частотой максимума спектра f m и параметром пиковатости (peak enhancement coefficient).

7 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project). Общий вид спектра JONSWAP: Параметризованная форма: Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны H s, частотой максимума спектра f m и параметром пиковатости (peak enhancement coefficient). Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны H s, частотой максимума спектра f m и параметром пиковатости (peak enhancement coefficient).

8 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Обоснованной аппроксимацией спектра нерегулярного волнения является спектр JONSWAP (Joint North Sea Wave Project). Общий вид спектра JONSWAP: Параметризованная форма: Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны H s, частотой максимума спектра f m и параметром пиковатости (peak enhancement coefficient). Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны H s, частотой максимума спектра f m и параметром пиковатости (peak enhancement coefficient).

9 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. НЕРЕГУЛЯРНОЕ ВОЛНЕНИЕ Параметр характеризует особенности распределения волновой энергии в окрестностях основного максимума спектра (форму спектра). В данном примере: значительная высота волн H s =1.2 м, частота максимума спектра f m =0.2 Гц В данном примере: значительная высота волн H s =1.2 м, частота максимума спектра f m =0.2 Гц

10 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Данные комплексного эксперимента, проведенного в 2008 году совместными усилиями российских и германских ученых в Большом волновом канале Прибрежного исследовательского центра (г. Ганновер, Германия). ВОПРОС Влияют ли особенности частотного распределения волновой энергии внутри спектра нерегулярного поверхностного волнения (при постоянных интегральных характеристиках) на закономерности взвешивания донного материала? ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

11 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. 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

12 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Струнный волнограф Акустические датчики 3.18 м 0.82 м м 0.75 м

13 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Отраженный сигнал от дна Акустический сигнал Отраженный сигнал от взвеси Рабочие частоты: 1, 2 и 3.84 МГц Acoustic backscatter systems (ABS) Акустические датчики обратного рассеивания Вертикальное разрешение – 1 см В исследованиях использовался прибор Aquascat 1000 британской фирмы Aquatech ( Основной принцип работы заключается в измерении мощности отраженного сигнала, пропорционального величине массовой концентрации осадков.

14 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Спектр JONSWAP определяется тремя параметрами: значительной высотой волны h s, периодом пика спектра f m 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 h s =0.8, 1.0, 1.2 м; период пика спектра t p =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 h s, периодом пика спектра f m 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 h s =0.8, 1.0, 1.2 м; период пика спектра t p =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.

15 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Характер динамического отклика поверхности дна на внешнее возмущение (режим транспорта) выражается в терминах параметра мобильности (ODonoghue et al., 2006) : Состояние дна (рифельное, плоское) определяет характер взвешивания донных осадков.

16 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. h s =1.2 м =1.0 =9.9 Возвышение свободной поверхности Высоты индивидуальных волн Периоды индивидуальных волн Параметр мобильности

17 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Характеристики донных рифелей: длина крутизна высота Модели рифельного дна: Grant and Madsen (1982) Wiberg and Harris (1994) =f( амплитуда придонных колебаний ) =f( параметр Шильдса )

18 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Длины рифелей Высоты рифелей Высоты рифелей Крутизна рифелей Grant and Madsen (1982) Wiberg and Harris (1994) h s =1.2 м h s =1.0 м hs=0.8 мhs=0.8 м hs=0.8 мhs=0.8 м

19 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. 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.

20 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. 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 (h s =1.2 м, t p = 5 с, ). Модель Буссинеска

21 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Wiberg and Harris (1994) Длины рифелей Высоты рифелей Высоты рифелей

22 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. 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.

23 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. - исходное значение - в точке измерений - исходное значение - в точке измерений

24 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г.

25 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. 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?

26 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Концентрация взвешенных частиц Средний диаметр частиц Возвышение свободной поверхности Концентрация взвешенных частиц Средний диаметр частиц Возвышение свободной поверхности =1.0 =9.9

27 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Концентрация взвешенных частиц Средний диаметр частиц Возвышение свободной поверхности

28 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Концентрация взвешенных частиц Средний диаметр частиц h s =1.2 м, t p =5 с, =1.0…9.9

29 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. 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. ВЫВОДЫ

30 aqualog.ocean.ru АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАЯКОРЕННЫЙ КОМПЛЕКС «АКВАЛОГ» XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. Островский и др., Заякоренная профилирующая океанская обсерватория. Средства и методы подводных исследований.

31 XXIV Международная береговая конференция Туапсе,1-6 октября 2012 г. БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ!