Hidrológiai Közlöny 2010 (90. évfolyam)
3. szám - Baranya Sándor–Józsa János: ADCP alkalmazása lebegtetett hordalék-koncentráció becslésére
18 HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY 2010. 90. ÉVF. 3. SZ. K„ RL = K c (E - E r) ahol K c a műszerre jellemző konverziós tényező, E a műszer által mért visszhang impulzusokban kifejezve, E r pedig egy referenciaszint. A K c tényező egy mérőműszerre jellemző és hőmérséklettől függő érték, aminek becslésére az alábbi összefüggést közölték (DRL Software Ltd, 2003): 127.3 T e + 127.3 ahol T e az erősítő áramkörök valós hőmérséklete °C-ban. A szorzótényező értéke általában 0.35-0.55 között mozog (Deines, 1999). Az E r referenciaszint egy, a műszerre jellemző alapzaj, mely célirányos méréssel meghatározható. Az átviteli veszteségek alapvetően két tényezőből állnak: hangszóródás és hangelnyelődés. Képlettel kifejezve: TL = 10 • log(i?) - a • R ahol R a müszerfej és a mért cella közötti távolság, a pedig a víz általi elnyelődést (a w) és a hordalék általi csillapítást (oc s) leíró abszorpciós együttható (a = a w+a s). A mérőfejhez közeli tartományban a hangszóródás általi veszteséget egy korrekciós tényezővel kell figyelembe venni: [l + 1.35Z + (2.5Z)"] [l.35Z + (2.5Z) , 2j ahol Z=i?//? crjtic ai és R cntic ai=7ia, 2/X, mely azt a kritikus távolságot jelenti, ami alatt a korrekció alkalmazandó. Utóbbi képletben a, a mérőfej sugara (cm-ben), X pedig a hanghullámhossz. A vízben való hangelnyelődést a Shulkin és Marsh (1963) által leírt összefüggéssel vettiik figyelembe, miszerint: Va = 8.687 3.3810" 6-/ 2 fr ahol/a mérőműszer frekvenciája, J T pedig az ún. relaxációs frekvencia (Relaxation Frequency): f T =21.9-10 m+T A lebegtetett hordalék általi csillapítást a szóródás és elnyelődés okozza. Korábbi vizsgálatok megmutatták, hogy ez a fajta energia elnyelődés elsősorban a szemcsemérettől és a jel frekvenciájától függ, és bizonyos esetekben elhanyagolható. Az itt elvégzett vizsgálatokban a hordalék általi elnyelődés nem hanyagolható el, ahogy ezt majd később tárgyaljuk. A relatív visszavert jelerősség (RB) Thevenot és társai (1992) szerint a következő alakra egyszerűsíthető: RB = RL- 2 TL Behelyettesítve a fenti képleteket a legelső összefüggésbe: _ jQ^+ő-(í: c(£-£V)+200-log(R)+a-fl)) A kitevőben szereplő paraméterek közül az ADCP által mért visszhang erősség (E), a távolság adatok {R), és a referencia szint (E r) a mérési adatokból kinyerhető. A K c és a paramétereket a bemutatott képletekkel becsüljük, míg A és B konstansok a mért hordalék töménységeket felhasználva, a legkisebb négyzetek módszerével kerül meghatározásra. 3. A vizsgált Duna-szakasz és a terepi mérési eljárások bemutatása Az ismertetett eljárás első hazai alkalmazását a dél-magyarországi Dunán, a bédai hajóút-szűkület környéki, 6 km hosszú szakaszán végezte el (/. ábra) az Alsó-Duna-völgyi Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság (ADUKÖV1ZIG) mérőcsapata, közel permanens 1950 m 3/s vízhozam mellett. A vizsgált szakaszon a mederanyag tiszta homok. A lebegtetett hordalék átlagos koncentrációja az ADUKÖVIZ1G múltban elvégzett mérései alapján kb. 40 mg/l (Tamás és Baranya, 2008), míg a jellemző szemátmérő 0.01-0.1 mm értékek között mozog. A terepi mérési kampány keretében részletes mozgóhajós és rögzített hajós ADCP méréseket hajtottak végre a szakasz hét keresztszelvényében, egymástól mintegy 600 méter távolságban. A rögzített pontú méréseket minden keresztszelvény öt pontjában, egyenként 10 perces időtartammal hajtották végre (ADUKÖVIZIG, 2007). A felhasznált ADCP egy 600 Khz frekvenciájú Rio Grande típusú készülék, melynek mérési sűrűsége kb. 2.5 Hz volt, függőleges felbontása pedig 50 cm. A hosszúidejű ADCP mérések függélyeiben lebegtetett hordalék mintavételezés is történt, egyenként 10 literes mintákat vettek szivattyús eljárással, függélyenként a lokális mélységtől függően 2-5 pontban. Utólagos labor-vizsgálatok során a pontbeli töménység-értékeket kaptunk. Egy felmért keresztszelvényre jellemző mintavételi pont kiosztást és tipikus 10 percre vett átlag visszhang intenzitás profilokat illusztrál a 2. ábra. 4. ADCP visszavert jel átszámítása lebegtetett hordalék töménységre A hordalék töménység becslési eljárás első lépéseként a műszerre jellemző E r referencia szintet határoztuk meg. Az alap zajterhelése a műszernek kis vízmélységű helyeken elvégzett mérések adataiból állapítható meg, nevezetesen, a függőleges menti visszhang intenzitás (E) profilok legalsó értékeit tekintve. Megfigyelhető, hogy kis vízmélységű függélyekben az intenzitás eloszlása egy konstans értékhez tart, ami az itt elvégzett mérések során E= 55 értékre adódott. Második lépésben a K c konverziós tényező becslését végeztük el, ami a fent ismertetett képlet alapján 0.43-ra adódott. Ezután az abszorpciós együtthatók meghatározását hajtottuk végre. A vízben való elnyelődést leíró a^ értéke a fent ismertetett képlettel becsülve 0.1 lett. A hordalék általi csillapítást a korábban leírtak alapján két összetevőre osztjuk fel. A DRL Software Ltd (2003) leírása alapján elmondható, hogy a 600 Khz frekvenciájú mérőeszközök esetén a hordalékszemcsék általi hangelnyelődés csak 200 pm alatti szemátmérő esetén jelentős. Ezzel szemben, a jel szóródása 200 pm szemátmérőig nem számottevő. A 3. ábra a mérések során kapott lebegtetett hordalék szemeloszlási görbéket mutatja be, mely alapján elmondható, hogy a vizsgált szakaszon jellemző szemátmérők esetén az első csillapító hatást figyelembe venni. Kijelenthető továbbá, hogy a hordalék szemösszetétel egy meglehetősen szűk tartományt fed le, így a Reichel és Nachtnebel (1992) által ismertetett, változatos szemcseméretek okozta mérési bizonytalanság valószínűleg nem jelentős. A mérőműszer frekvenciája és a jellemző d 5 0 szemátmérő (d 5 0=35 (im) alapján a fajlagos abszorpciós tényező ce s = 0.0005 dB/m, 1 mg/l töménységű víz esetén (DRL Software Ltd, 2003).
