بررسی فناوری‌های صوتی پایش جریان در رودخانه‌ها

نوع مقاله: مقاله مروری

نویسندگان

1 موسسه تحقیقات آب

2 مدیر پژوهشکده مطالعات و تحقیقات منابع آب، موسسه تحقیقات آب

3 رئیس موسسه تحقیقات آب

4 دانشجوی مهندسی آب دانشگاه تهران

چکیده

در کشورهای توسعه یافته انواع مختلفی از دستگاه‌های صوتی جهت پایش منابع آب سطحی توسعه یافته است. به‌طورکلی روش‌های به‌کارگیری امواج صوتی به منظور پایش جریان آب در رودخانه‌ها به سه دسته مبتنی بر قانون داپلر، روش زمان طی شده و روش تیکه‌نگاری صوتی تقسیم می‌شوند. دستگاه‌های مبتنی بر قانون داپلر با نام ای‌دی‌سی‌پی عموما به صورت متحرک مورد استفاده قرار می‌گیرند و نه تنها سرعت و دبی جریان رودخانه را اندازه‌گیری می‌کنند، بلکه نقشه بستر رودخانه را نیز تهیه می‌کنند. اما مهم‌ترین ایراد این روش عدم اندازه‌گیری پیوسته جریان است. دستگاه‌های مبتنی بر زمان طی شده در دو طرف رودخانه به صورت مورب نصب می‌شوند و با ارسال و دریافت امواج صوتی، سرعت جریان را به صورت پیوسته اندازه‌گیری می‌کنند. مهم‌ترین عیب این روش ارسال امواج صوتی در یک راستای مستقیم از عمق رودخانه است. بنابراین برای تخمین سرعت متوسط رودخانه به محاسبات پیچیده و واسنجی دستگاه نیاز است. همچنین یکی از ملزومات استفاده از این روش تهیه نقشه بستر به منظور تخمین دبی رودخانه است. روش سوم، دستگاه‌های تیکه‌نگاری صوتی است که مانند روش زمان طی شده در دو طرف رودخانه به صورت مورب نصب می‌شوند و با ارسال و دریافت امواج صوتی سرعت جریان را به صورت پیوسته اندازه‌گیری می‌کنند. در این روش بر خلاف روش زمان طی شده امواج صوتی در کل عمق آب انتشار می‌یابند و سرعت متوسط جریان در مقطع عرضی بدون نیاز به محاسبات پیچیده و یا واسنجی اندازه‌گیری می‌شود.  ایراد این روش نیز مانند روش زمان طی شده، نیاز به نقشه‌برداری بستر رودخانه است.

کلیدواژه‌ها


[1] Barrow, C. J., “River basin development planning and management: A critical review”, World development, 1998, Vol.26, no.1, pp.171-186.

[2] Hirsch, R. M., & Costa, J. E., “US stream flow measurement and data dissemination improve”, Eos, Transactions American Geophysical Union, , 2004, Vol.85, no.20, pp.197-203.

[3] Rantz, S. E., “Measurement and computation of streamflow”, 1982, Vol. 2175, US Department of the Interior, Geological Survey.

[4] Petersen-Øverleir, A., Soot, A., & Reitan, T., “Bayesian rating curve inference as a streamflow data quality assessment tool”, Water resources management, 2009, Vol.23, no.9, pp.1835-1842.

[5] Fekete, B. M., & Vörösmarty, C. J., “The current status of global river discharge monitoring and potential new technologies complementing traditional discharge measurements”, IAHS publ, 2007, Vol.309, pp.129-136.

[6] Hannah, David M., Siegfried Demuth, Henny AJ van Lanen, Ulrich Looser, Christel Prudhomme, Gwyn Rees, Kerstin Stahl, and Lena M. Tallaksen, "Large‐scale river flow archives: importance, current status and future needs", Hydrological Processes, 2011, Vol.25, no.7, pp.1191-1200.

[7] Seim, Harvey E., and Catherine R. Edwards, "Comparison of buoy-mounted and bottom-moored ADCP performance at Gray’s Reef", Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2007, Vol.24, no.2, pp.270-284.

[8] Bouferrouk, Abdessalem, Jean-Baptiste Saulnier, George H. Smith, and Lars Johanning, "Field measurements of surface waves using a 5-beam ADCP", Ocean Engineering, 2016, Vol.112, p.173-184.

[9] van Aken, Hendrik M., Hans van Haren, and Leo RM Maas, "The high-resolution vertical structure of internal tides and near-inertial waves measured with an ADCP over the continental slope in the Bay of Biscay", Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2007, Vol.54, no.4, p.533-556.

[10] Lian, Qiang, and ZhiYu Liu, "Turbulence and mixing in a freshwater-influenced tidal bay: Observations and numerical modeling", Science China Earth Sciences, 2015, Vol.58, no.11, p.2049-2058.

[11] Defendi, V., V. Kovačević, F. Arena, and Luca Zaggia, "Estimating sediment transport from acoustic measurements in the Venice Lagoon inlets", Continental shelf research, 2010, Vol.30, no.8, pp.883-893.

[12] Nortek-AS, Aquadopp HR-Profiler, http://www.nortek-as.com/lib/brochures/aquadopp-profiler/view (accessed 19 April 2019).

[13] Mueller, David S., C. Russell Wagner, Michael S. Rehmel, Kevin A. Oberg, and Francois Rainville, “Measuring discharge with acoustic Doppler current profilers from a moving boat”, Reston, Virginia (EUA): US Department of the Interior, US Geological Survey, 2009.

[14] Chen, Zhigao, Shengping Wang, and Zhenxiang Wang, "A new interpolation scheme for detiding vessel-mounted ADCP data in tidal reach of Yangtze Estuary", Flow Measurement and Instrumentation, 2016, Vol.50, pp.185-196.

[15] García, Carlos M., Leticia Tarrab, Kevin Oberg, Ricardo Szupiany, and Mariano I. Cantero, "Variance of discharge estimates sampled using acoustic Doppler current profilers from moving platforms", Journal of Hydraulic Engineering, 2012,Vol.138, no.8, pp.684-694.

[16] De Serio, Francesca, and Michele Mossa, "Analysis of mean velocity and turbulence measurements with ADCPs", Advances in water resources, 2015, Vol.81, pp.172-185.

[17] Costa, J. E., R. T. Cheng, F. P. Haeni, N. Melcher, K. R. Spicer, E. Hayes, W. Plant, K. Hayes, C. Teague, and D. Barrick, "Use of radars to monitor stream discharge by noncontact methods", Water Resources Research, 2006, Vol.42, no.7.

[18] Chen, Zhigao, Zhenxiang Wang, Yangyang Liu, Shengping Wang, and Chun Leng, "Estimating the flow velocity and discharge of ADCP unmeasured area in tidal reach", Flow Measurement and Instrumentation, 2016, Vol.52, pp.208-218.

[19] García, Carlos M., Leticia Tarrab, Kevin Oberg, Ricardo Szupiany, and Mariano I. Cantero, "Variance of discharge estimates sampled using acoustic Doppler current profilers from moving platforms", Journal of Hydraulic Engineering, 2012, Vol.138, no.8, pp.684-694.

[20] H. Acoustic, D. Current, Workhorse H-ADCP Workhorse H-ADCP, http://www.teledynemarine.com/workhorse-hadcp?ProductLineID=12 (accessed 19 April 2019).

[21] Sassi, M. G., A. J. F. Hoitink, and B. Vermeulen, "Discharge estimation from H‐ADCP measurements in a tidal river subject to sidewall effects and a mobile bed", Water Resources Research, 2011, Vol.47, no.6.

[22] Moore, S. A., Jérome Le Coz, David Hurther, and A. Paquier, "On the application of horizontal ADCPs to suspended sediment transport surveys in rivers", Continental Shelf Research, 2012, Vol.46, pp.50-63.

[23] Kawanisi, Kiyosi, Mahdi Razaz, S. Watanabe, A. Kaneko, and Tomoyuki Abe, "An innovative methodology/technology for streamflow observation", 2014, River Flow Vol.2010, pp.1741-1748.

[24] Kawanisi, K., M. Razaz, K. Ishikawa, J. Yano, and M. Soltaniasl, "Continuous measurements of flow rate in a shallow gravel‐bed river by a new acoustic system", Water Resources Research, 2012, Vol.48, no.5, 2012.

[25] Sloat, John V., and W. Scott Gain, "Application of acoustic velocity meters for gaging discharge of three low-velocity tidal streams in the St. John River Basin, Northeast Florida", Water-Resources Investigations Report, 1995, Vol.95, pp.4230.

[26] بحرینی مطلق، م.، روزبهانی، ر.، افتخاری، م ،.زارعیان، م. ج. و فرخ‌نیا، ا.،"ارزیابی مدل انتشار صوت تئوری پرتو در رودخانه با استفاده از فناوری تکیه‌نگاری صوتی"، مجله علمی پژوهشی صوتیات ایران، 1397، سری6، دوره 2.

[27] بحرینی مطلق، م.، روزبهانی، ر.، فرخ‌نیا، ا.، سلطانی اصل، م. و محتشم، ک.، "فناوری تیکه‌نگاری صوتی، ابزاری کارآمد برای پایش پیوسته سرعت و دمای جریان آب"، مجله تحقیقات منابع آب ایران، 1397، سری 14، دوره 4، صص.270-271.

[28] بحرینی مطلق، م.، روزبهانی، ر.، کاردان مقدم، ح.، زارعیان، م.ج. و محتشم، ک.،"پایش پیوسته دمای آب با استفاده از فناوری تیکه‌نگاری صوتی"، نشریه علمی پژوهشی مهندسی عمران امیرکبیر، انتشار برخط 25/04/1397.

[29] بحرینی مطلق، م.، روزبهانی، ر.، کاووسکی حیدری، ع.ر.، ابولحسینی، س. و محتشم، ک.، "بررسی وضعیت جریان آب در دریاچه هفت برم با استفاده از فناوری تیکه‌نگاری صوتی"، نشریه علمی پژوهشی آب و خاک فردوسی مشهد، 1398، سری 33، دوره 1.

[30] بحرینی مطلق، م.، روزبهانی، ر.، افتخاری، م ،.کاردا‌‌‌ن‌مقدم، ح. و حسن‌لی، ا. م. ،"پایش پیوسته جریان‌های مدی با استفاده از فناوری تیکه‌نگاری صوتی."، مجله علمی پژوهشی اقیانوس‌شناسی، 1397، سری 36، دوره 8، صص. 57-64.

[31] بحرینی مطلق، م.، روزبهانی، ر.، افتخاری، م.، کاردان‌مقدم، ح. و کاووسی حیدری، ع. ر.،"طراحی، ساخت و ارزیابی دستگاه تیکه‌نگاری صوتی رودخانه‌ای (FATS)"، مجله علمی پژوهشی انجمن صوتیات ایران، 1387، سری 6، دوره.

[32] بحرینی مطلق، م.، روزبهانی، ر.، افتخاری، م ،.کاردا‌‌‌ن‌مقدم، ح.،  عباسی، م. محتشم، ک.، "امکان‌سنجی پایش سیلاب با استفاده از دستگاه تیکه‌نگاری صوتی رودخانه‌ای و تعیین دقت اندازه‌گیری، حداقل و حداکثر برد اندازه‌گیری"، نشریه علمی و پژوهشی اکوهیدرولوژی، 1398، دوره 6، شماره 3، صص585-592.