利用声学测量和人工示踪法检查气泡筛的效率
摘要
目的：由意大利热那亚大学（University of Genoa）和荷兰皇家博斯卡利斯威斯敏斯特公司（Royal Boskalis Westminster N.V.）（Royal Boskalis Westminster N.V.）组成的一个工作组负责监测热那亚港的疏浚情况，并进行了一项用双气泡筛（ABS）封闭垃圾填埋场的实验，以验证两者的效率。这种方法包含了沉淀法和应用方法。
2009年开始在热那亚港研究疏浚的材料和方法，疏浚的材料用于填充现有码头之间的两个区域。为了在不中断排放沉积物的沉积物通过的情况下将沉积物放入第三个子流域，建议使用abs作为沉积物扩散的障碍。实验在为期4天的海洋活动中进行，初步验证了不同天气和海洋条件下的结果。以不同浓度的罗丹明水示踪（RWT）为研究对象，模拟了沉积物的扩散过程，建立了RWT传感器和声学多普勒流速仪（ADCP）用于测量RWT分布并验证ABS的效率。
结果和讨论:港口的高浑浊度和RWT的高稀释率使检测热重传感器相对困难。有时测量的热重传感器比预期的高，可能是由于以下原因：外消旋涡流的再循环、其他敏感的悬浮物以及RWT对悬浮物的吸附。内部ABS无法保留所有RWT，可能是因为它比外部的要弱得多，而且缓解措施（如隔泥网或ABS）没有完全关闭，如果需要完全不透水性，则不应使用。abs的引入突出了两个盆地之间的盆地和河道之间的自然分离以及两个盆地之间的河道水生物屏障。
结论:在封闭区入口安装一个低动力的abs，可使封闭区内潜在的沉积物呈圆形垂直流动。试验过程中的气象变异性表明，在强风条件下，弱的abs可能发生故障。结果表明，ADCP是一种较好的测量仪器，可以有效地提高水动力对周围环境的影响。需要使用沉积物示踪剂，更详细地研究abs对水柱的影响。
关键词：ADCP 气泡筛 疏浚 罗丹明赛道
1.导言
疏浚活动可导致周围水体的暂时性局部浑浊度增加。增加的浑浊度和底部沉积可能对水生生态系统造成威胁。此外，洋流可能将悬浮沉积物从其源头输送到远离其源头的地方，到达敏感的海洋生境，这些生境甚至不能容忍其沉积状态的暂时性实质性变化。（Ospar2004；Sabol等人2005年；Suedel等人，2012年）。
在驳船沉积物排放期间，避免排放到区域外的常用方法是使用隔泥幕（Headland等人2007年；Massdep 2012年）；这是一个物理屏障，由安装在水体中的半渗透性织物组成，以减少泥沙输送，旨在在风、浪或水流影响最小的平静条件下使用（Francingues和Palermo 2005年；Radermacher等人2013）。隔泥幕不允许船舶通行，除非每艘船舶运输时都会移动隔泥幕，而这需要消耗和支撑船舶。此外，打开拦沙屏障有时会降低拦沙效果。
减少疏浚引起的混浊度的另一种方法是使用气泡筛（abs）。ABS是通过在海床上的穿孔软管用压缩机泵送空气而产生的；气泡从孔中逸出并上升到表面，形成气泡壁，起到物理屏障的作用（de Nekker和Knol 1968）。在密度流的情况下，两种流体之间的交换（疏浚过程中的沉积物负载）最大（图1a）；ABS应用程序通过从底部到表面的上升流诱导强制循环，从而分离两个水团，并降低交换流的驱动力（图1b；Cederwall和Ditmars1970；杜古埃等。2012）。气泡筛已经在水利工程实践中用于控制盐侵入，它们可能是河流固定结构的非永久生态替代品（Schladow 1993；Nakai和Arita2002；Dugu_等人2012）。
在绝对系统中，换气流量（以及所需的排气量和相关的气泵功率）的减少是密度、开口宽度、水柱高度和流速差异的函数（Cederwall和Ditmars 1970；Kobus 1968；Rijkswaterstaat Directie 2000）。因此，需要强调的是，与其他环境缓解措施类似，ABS只能部分保留悬浮物或溶解物，不能完全阻断交换流。
与隔泥幕相比，ABS具有船舶通行、安装、操作、维护简单、调节压缩机出气量可调节效率等优点，但ABS的应用相当有限，只能在较低的F值下产生垂直的气泡柱。低流速与低密度差相结合。相反，对于较大的流速或密度差，可充气柱会倾斜，不会降低密度差驱动的交换流（Bray 2008）。此外，由于需要压缩机，ABS具有高功耗和相关的二氧化碳排放（PIANC 2009）。
在意大利，abs从未被用作降低浑浊度的措施，其有效性仍有待证明，因此不存在任何覆盖范围。在热那亚港口（意大利）的疏浚期间，Royalboskalis Westminster N.V.（荷兰）进行了疏浚活动，而热那亚大学（意大利）的distav进行了E。疏浚期间的环境监测（Capello等人2010；Cutroneoetal.20122013）。BoskalisandDistav最近开始合作进行一项试验，其总体目标是评估ABS在部分封闭盆地中含有疏浚诱导悬浮沉积物的应用。此外，本研究的目的是对生物活性物质在热那亚疏浚项目港口的应用进行第一次评估；这是获得当局监管批准的一个起点，以应用生物活性物质作为缓解措施，允许在受限区域内直接处置疏浚物。
由于ABS在这一特定应用中保持浑浊度的有效性仍有待证明，因此在现场测量期间，悬浮沉积物不能用作示踪剂。与ABS潜在故障或故障相关的环境风险被认为是不可接受的。因此，将一种人工示踪剂罗丹明水示踪剂（RWT）注入水中。罗丹明水示踪剂，由于其特殊的颜色和荧光性，已被用作眼睛可见的示踪剂和用探针在淡水和海水中测量的荧光示踪剂，以确定以下内容：方向和流量延伸；调查污染物从输入地点的输运，并确定NE上升流通量等（Stacey等人2000；Pitt2002；Zhang等人2002年；Maruyama等人2004年；Tsubakietal.2007年；Minesetal.2009年）。RWT在本实验中的使用引入了一个重要的限制。疏浚现场的泥沙扩散既可以作为悬浮输送，也可以作为水柱近河床层的密度驱动混浊流。稀释RWT的扩散不涉及氟氰菊酯，也不需要模拟第二种传输方式。本文介绍了在热那亚港进行田间试验的方法，并对ABS的效率进行了初步研究。
2材料和方法
2.1研究区域
位于利古里亚海（地中海西北部）最北部的热那亚港口（图2）自2009年7月开始进行疏浚，疏浚项目为贝托洛码头的填海提供了材料，以下简称贝托洛（图2）。到2012年，约三分之二的贝托洛已被回收，但由于码头内有一个活跃的石油码头和燃料驳船的交通，其余部分无法工作。只有当这些加油装置能够输送到专用建筑物码头时，水池的第三部分才会关闭。连接码头和sampierdarena水道的流域入口宽度（图2）为90 m，入口附近的流域深度为16 m。
2.2气泡筛的结构和部署
ABS安装在贝托洛入口，位于西沉箱和东沉箱之间，由一个15 cm的弹性橡胶隔室组成，隔室高度为30 cm。由于贝托洛尔不可能关闭交通，并且东部沉箱无法接近，因此用拖船（图3a）将管道拖进入口，并将链条连接到管道上，使其沉入拖船后面的底部，因此在放置期间入口保持打开状态。安装完成后，管道将西沉箱上的空气压缩机和东沉箱上的排气阀连接起来（图3b）。用于排气的两台压缩机来自码头上的场地，具有不同的功率：用于外部ABS的压缩机为12000 l minminus;1，用于内部ABS的压缩机为4500 l minminus;1。
2.3仪器
本研究旨在测量试验期间的动力学和示踪剂浓度场。垂直的声学多普勒电流剖面仪（ADCP；Teledyne RDI 600kHz Workhorsereg;）具有底部跟踪功能，用于收集沿贝托洛内外和整个ABS的横断面的电流和反向散射数据。
使用idronaut（意大利米兰）多参数电导温度深度（CTD）探针和Cyclops-7混浊度传感器（检测限0.05浊度单位（NTU），LED 850 nm，激发850 nm，发射850 nm）和RWT传感器（检测限0.01 ppb，LED 530 nm，激发535/560 nm，发射590/715 nm）进行水文数据采集。TA集合。
2.4罗丹明水示踪
罗丹明水追踪（RWT）是一种稳定的、合成的、粉红色的、水溶性的、有机的、无活性的荧光染料。在原位测试过程中，RWTWAS的5%水溶液与海水混合，从表面和中深层以不同的量（1、10、100、230、340和450 ml）释放。在第一个测试日，使用两个较小的量来测试水中的分散度和传感器响应。试验前，在实验室用海水中不同浓度的RWT传感器进行校准，结果良好（r2=0.9999），测量的背景值等于700单位（原始）的传感器值。
由于Rwtsensor不仅对水中实际Rwt浓度做出响应，而且受浑浊度和净水中返回的背景值的影响，因此在后处理过程中通过过滤数据消除了峰值和浑浊度的影响。从所有测试日中选择不带RWT的背景铸件，并绘制其相应的浑浊度值（图4a），获得717.4原始的背景值。采用该背景值而不是在实验室条件下确定的背景值，因为它更好地反映了港口水域的实际情况（图4b）。
在后处理过程中，通过RWT传感器值和完整的过滤和校准，确定了浊度值的14倍。程序可制定为：rc frac14; rrawminus;717:4minus;T˙14:21 eth;THORN; ˙0:01406.20 eth;1THORN;
2.5试验结构
试验分为两个阶段进行，一个阶段是对地基条件的研究，另一个阶段是在有和无ABS/ABS的情况下研究RWT扩散，另一个阶段是由ABS/ABS诱导的水动力学。在水柱中注入罗丹明水示踪剂，加入和不加入abs/abs，在释放点重复浇铸，及时测量RWT稀释度；在释放点周围进行浇铸，跟踪示踪剂的区域分散度。此外，还研究了两个串联安装在距离约20 m处的ABS在流域入口的影响。
3结果
由于在测试期间收集了大量的数据，我们只给出了最具代表性的结果。表1总结了CTD铸件和ADCP断面、气象条件以及水柱中温度和盐度的平均值。
3.1第一天
背景条件的特征是，贝托洛内部和入口附近外部的水柱内的后向散射值相对较高（表层最大为100 dB），其余通道内的后向散射值较低（lt;70 dB）（图5a）。相对较高的悬浮固体浓度是由于试验前一天晚上雨水冲走了土壤。河道内的流速（表层最大22 cm s-1）高于码头内的流速，而码头内的水平流速一般较低（lt;6 cm s-1；图5b）。同样地，垂直速度（图5C）在通道中更明显（入口附近最大16 cm s-1），而在贝托洛内则较低（lt;6 cm s-1）。
由于复杂的流量分布（图5d）和港口内的低流速，确定水流方向具有挑战性。尽管如此，仍有可能区分贝托罗入口周围的当前方向；码头内外入口附近的SSW流行率，以及航道中部的ESE流行率。比较从入口到通道最远部分的反向散射（图5a）和电流方向（图5d）分布，可以看到低反向散射值和ese水流方向之间的对应关系。
第一天测得的浑浊度值在5到20 NTU之间变化。在贝托罗的入口发现最大浓度。航道和码头内部显示值在5到10 NTU之间。
3.2 第二天
研究了一种ABS对贝托洛水循环的影响。abs存在的第一个结果是水柱中水平流速的增加（最大60 cm sminus;1 ca；图6a），也在垂直速度分布（图6b）中确定，这突出了向表面（蓝色，图6b）的强通量的存在，与上升的气泡和通量拖曳相对应。朝向屏幕两侧旁边的底部（红色，图6b），表示abs引起的循环。水流方向（图6c）似乎也受到abs的影响。与在相同天气和当前条件下不使用abs的情况相比，屏幕周围的电流模式清楚地显示出盆地内主要向东的电流和盆地外主要向西的电流之间的分离。应注意的是，abs的展开没有完全呈直线。
3.3第三天
在第三天，最初，只有内部ABS（在入口的码头侧）打开。将RWT注入Abs附近的贝托洛内，以检测由筛网循环引起的示踪剂扩散，并检测穿过筛网的任何交叉点。在水柱中注入一瓶（0.25L）RWT，并在ABS的两侧重复测量（图7）：注入10分钟后，在释放点的5-9 m深度处发现RWT（最大1.31ppb；图7a）；注入25分钟后，船只从内到外穿过ABS。在屏幕外没有RWT的迹象（图7b）；注射后36分钟，RWT在整个水柱中被0.08 ppb完全稀释（图7c），而几乎所有测试日的背景浇铸显示RWT值在0.00到0.02 ppb之间。最后，注射后54分钟，在离地面前8米处发现RWT，浓度为0.05 ppb。（图7d）。
然后分析了两种ABSS对盆地环流的影响。从理论上讲，这应该比单个ABS的情况下允许更少的运输出流域，并且应该防止通过船只时ABS效率的暂时中断。图8显示了两个abs在水柱中的存在，以及两个abs之间的差异；水柱中的外部abs似乎比内部abs更好地形成和发展，这与安装在两个屏幕上的压缩机功率的差异相对应。
3.4 第四天
在第四天，北风导致西风进入河道，将ABS推向贝托洛的内侧。ADCP测量显示，河道中的海流相对较强，主要是西风（10–20 cm s-1）。这种流动模式确保了贝托罗内任何溶解或悬浮物质的保留，这使得对流域内RWT注入的评估毫无用处。相反，通过注入和测量两个ABS之间的RWT，突出了两个ABS之间发生的过程。详细的ADCP切片如图9所示，说明了靠近内部屏幕的强循环模式。
注入两个RWT瓶，表面可见的RWT相对快速消失，表明中间向下的电流方向，这是由两个ABS的循环电流造成的（图9，横断面C）。由于外部ABS的力和电流，RWT预计主要流向内部ABS，并在该ABS周围再次上升。此外，还观察到RWT在贝托罗内的某一点上升。
在Abs附近的贝托洛内部和外部均进行了铸造：注射后11分钟，外部Abs外部的水柱中出现少量RWT（最大0.02 ppb）（图10a）；注射后17分钟，在贝托洛内部测量相对较高的值（最大0.68 pp
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资料编号：[942]
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