Hidrológiai Közlöny 2010 (90. évfolyam)
3. szám - Baranya Sándor–Józsa János: ADCP alkalmazása lebegtetett hordalék-koncentráció becslésére
17 ADCP alkalmazása lebegtetett hordalék-koncentráció becslésére Baranya Sándor - Józsa János Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, 1111. Budapest, Műegyetem rp. 3. Kmf. 4. baranya(«', vit.bme.hu Kivonat: A cikkben megvizsgáljuk, hogy az akusztikus Doppler elven müködö áramlásmérő műszer (ADCP) alkalmazható-e és ha igen, milyen korlátokkal a folyók lebegtetett hordaléktartalmának meghatározására. A becslési eljárás alapját a vízben utazó hordalék töménysége és a mérőeszköz által mért visszavert jelerősség közötti kapcsolat íija le. A leiró összefüggés szabad paramétereit egy kalibrációs eljáráson keresztül határozzuk meg, melyhez hordalékminták adatait használjuk fel. A becslési módszer bemutatására a Duna déli országhatárnál elhelyezkedő szakaszán elvégzett részletes terepi mérések szolgáltak alapul. ADCP, visszavert jelerősség, lebegtetett hordalék Kulcsszavak: 1. Bevezetés Az akusztikus Doppler elven működő mérőeszközök a magyarországi vízrajzi szolgálatok munkájában mára az operatív feladatok ellátásához nélkülözhetetlenné váltak. A műszereket elsősorban a nagyobb vízfolyások vízhozamának gyors mérésére alkalmazzák, bár az elmúlt években külföldi és hazai kutatások rámutattak arra, hogy a mérések során rögzített nagy tér- és időfelbontású sebességadatok segítségével a folyók bizonyos hidromorfológiai paramétereire, sőt a transzport-folyamatok modellezéséhez szükséges elkeveredési együtthatókra is becslés adható (pl.: Baranya és Józsa, 2008; Rennie és Church, 2007; Kim és társai, 2007). A mért sebcsségadatok mellett azonban felmerült a műszer által rögzített visszavert hangok erősségének felhasználási lehetősége is. A hang vízben való terjedésének és visszaverődésének folyamatában ugyanis - a müszerbeállításokon túl meghatározó szerepe van a víznek és a közegben utazó hordalék fizikai jellemzőinek, úgymint vízhőmérséklet, hordalék töménység, szemcseméret, szemcsealak stb. Ismert kibocsátott és visszavert jelerősség adatok mellett, és a víz, valamint a hordalék bizonyos fizikai jellemzőinek ismeretében tehát elméletileg származtathatóvá válik a vízoszlopban utazó hordalék töménysége. Az ADCP műszerek megjelenésével külföldi kutatóhelyeken már néhány esetben próbálkoztak az említett eljárás kidolgozásával. Folyami környezetben egyelőre azonban igen csekély az alkalmazások száma. A téma egyik úttörőjének tekinthető Reichel és Nachtnebel (1994) cikke, akik az osztrák Duna-szakaszon végeztek párhuzamosan ADCP és hordaléktöménység méréseket. A kisszámú minta alapján arra a következtetésre jutottak, hogy jól graduált szemcseösszetétel esetén (azaz több szemcsetartomány, áthúzódó, folyamatos szemeloszlási görbe jellemzi a hordalékot) a becslési eljárást nagy bizonytalanság terheli, mert a visszavert jel-erősségben bekövetkező változás mind a töménység, mind a szemcseméret lokális megváltozását jelezheti, és a hatások egymástól való elkülönítése nem megoldható. Egy, a témával foglalkozó alapvető kutatásnak tekinthető Gartner (2004) cikke, aki a kaliforniai San Fransisco-öbölben végzett hordaléktöménység méréseket. Az ADCP adatokból végrehajtott becslési eljárást, párhuzamosan elvégzett optikai elven működő zavarosságmérő (optical backscatter sensor - OBS) által szolgáltatott töménységadatokkal hasonlította össze és kalibrálta. Elfogadható egyezést ért el, de rámutatott a mérések mederfenék közeli bizonytalanságára. Az előző cikkhez hasonlóan ő is megjegyezte, hogy az eljárás megbízhatóságához szükséges, hogy a lebegtetett hordalék szemeloszlási görbéjén egy szemcseméret legyen az uralkodó. Rámutatott továbbá arra is, hogy az OBS eszközök kalibrálásából adódó hibák további bizonytalanságot eredményezhetnek. Az alábbiakban bemutatásra kerülő eljáráshoz a Duna dél-magyarországi, homokmedrű szakaszán végrehajtott ADCP méréseket és hordalék mintavételek eredményeit használtuk fel. Fő célként azt tűztük ki, hogy megvizsgáljuk elfogadható becslés adható-e a hordaléktöménységre a visszavert jelerősség adatokból, továbbá a módszer mérési bizonytalanságokra való érzékenységét is tanulmányoztuk. A vizsgálat keretét egy nemzetközi együttmüködésben elvégzett projekt adta, melyben a bédai hajóút szűkület tervezett folyószabályozási beavatkozásainak hatását vizsgálták részletes terepi sebesség-, medergeometria-, mederanyag- és hordalékmérésekkel, valamint számítógépes morfodinamikai modellezéssel. 2. Elméleti háttér Az ADCP műszerek működési elvét jelen cikkben nem részletezzük, de a hivatkozott irodalmak kielégítően tárgyalják azt (Baranya és Sokoray-Varga, 2002; Goda és Krikovszky, 2002). Mint ismeretes, az eszköz a víz áramlási sebességének meghatározásához a visszavert hang frekvenciájának megváltozását használja fel. A hordaléktöménység meghatározásához ezzel szemben, a kibocsátott és visszaverődött jel erősségét vizsgáljuk. A hordalék töménysége és az ún. relatív visszavert jel erőssége közötti kapcsolat a következő összefüggéssel adható meg (pl. Gartner, 2004): SSC = 10^ A+BRB) ahol SSC, a lebegtetett hordalék töménysége (Suspended Solid Concentration), RB, a relatív visszavert jelerősség (Relative Backscatter), A és B pedig konstansok. Látható, hogy ha rendelkezésre állnak összehasonlító mérések (pl.: hordalékminták, OBS mérések), akkor az összetartozó mért SSC és ADCP adatokból származtatott RB adatpárokra illesztett közelítő függvénnyel egy kalibrálás végezhető A és B paraméterekre, melyekkel az aktuális mérésre megadható az összefüggés. A koncentráció becsléséhez tehát az ADCP adatokból a relatív visszavert jelerősség értékeket kell előállítanunk, melynek származtatását a következő levezetésen keresztül mutatjuk be. Az ún. hang-egyenlet (sonar equation, Urick, 1983) alapján a visszhang erősséget a következő egyenlet írja le: RL = SL- 2 TL- TS ahol RL a visszhang erősség (Reverberation Level), SL a hangforrás erőssége (Source Level), TL az átviteli veszteség (Transmission Loss), TS pedig vízben utazó szilárd részecskékről visszaverődő hang erőssége, mely a hordalék fizikai jellemzőitől és a hang-hullámhossztól függ. A képletben minden tag decibelben szerepel. ADCP műszerek esetén a visszhang erősségét a következőképpen állíthatjuk elő:
