Estimation of suspended sediment concentration using acoustic methods

Abstract

Asıl üretim amaçları akım hızı ölçümü olan Doppler akımölçerler (ADCP, ADP ve ADV), su içerisinde askı halinde bulunan zemin tanecik miktarı hakkında da bilgi verebilmektedir. Zahmetli olan geleneksel metotla sudan örnek alarak tortu miktarını ölçen aletlerin aksine, akustik aletin kalibrasyonunun yapıldığı su sistemlerinde, ek herhangi bir sensöre veya alete gerek duymadan su içerisinde askı halindeki tortu miktarı (SSC) tayini yapılabilmektedir. Bu durumda akım hızı ve tortu miktarının eş zamanlı olarak ölçülebilmesi, araştırmacılar için tortu taşınımı çalışmalarında gerekli olan önemli bir veriyi sağlamaktadır.Son yıllarda yapılan çalışmalarda akustik aletlerin performansı araştırılarak akustik sinyal geri gelme oranı (SNR) ile SSC arasında değişik formüllerle ilişki kurulmaya çalışılmıştır. Ancak bu çalışmalar tek bir çalışma sahasıyla sınırlı olmakla beraber bu çalışmalarda tanecik büyüklüğü ve sıcaklık etkisi dikkate alınmamıştır. Bu çalışma kapsamında ADV'nin SSC tahminindeki performansına etki edecek parametreler araştırılmıştır. ADV'nin SSC tahminindeki güvenilirliğini araştırmak için farklı akarsularda değişik akım ve sıcaklık şartlarında ölçümler yapılmıştır. Ölçüm yapılan istasyonlardan toprak numuneleri alınarak zemin dane çapı analizleri yapılmıştır.SSC ve SNR arasındaki ilişkiyi bir formülle ifade edebilmek için, ölçümlere etki eden tüm parametreler dikkate alınarak çoklu regresyon analizi yapılmıştır. Çoklu regresyon analizinin sonuçlarına göre hesaplanan SSC değerinin en az üç parametreye bağlı olduğu saptanmıştır ki, bunlar; su sıcaklığı, zeminin ortalama danecik büyüklüğü ve granulometri eğrisinin şeklidir. Ayrıca bu çalışma kapsamında akarsularda sel durumunun ve sıcaklığın ADV'nin SSC tahminindeki performansına etkisi araştırılmıştır. Sonuçlara bakıldığında, SSC'nin limit değerin (SSC>400 mg/l) üzerine çıktığı durumlarda, sel durumu gibi, ADV'nin SSC ölçümlerinde başarılı olamadığı gözlemlenmiştir.

Acoustic Doppler current meters (ADCP, ADP, and ADV) can provide information about the suspended sediment concentration (SSC) in the water; although, they are designed for flow velocity measurements. Contrary to conventional samplers, those are labor intensive for measuring SSC, when an acoustic instrument is calibrated for a water system; no additional sensor is needed to measure SSC, enabling the researchers to measure velocity and concentration simultaneously which is required for most sediment transport studies.Recently, the acoustic instruments are investigated in different studies where signal to noise ratio (SNR) and SSC were related using different formulations. However, these studies were limited to single study site where neither the effect of particle size nor the effect of temperature was investigated. In the scope of this study, different parameters that affect the ADV?s performance prediction of SSC were investigated. In order to investigate the reliability of ADV in different environments, SSC measurements were made in different streams. Soil samples were collected from all measuring stations and particle size analysis was conducted.The multivariate data analysis was applied to the measurements to derive a relation formula between SNR and SSC. Multivariate analysis indicated that reported SSC values depended on at least three parameters; water temperature, mean diameter of the soil, and shape of the particle size distribution curve. Also, effect of high SSC conditions on ADV performance was investigated during and after rain events. Results indicated that ADV was not capable of measuring SSC when a limit concentration (SSC>400 mg/l) was exceeded.