Empirical model of suspended sediments vertical distribution for big rivers
Authors: Иванов В.А. , Чалов С.Р. 
Published: July 2024

Мутность воды, или концентрация взвешенных наносов, является одной из основных характеристик водного потока. Данный параметр является необходимой водохозяйственной характеристикой речного потока для прогнозирования русловых переформирований. Мутность воды является нормативной характеристикой качества воды для хозяйственного использования, поскольку с частицами взвеси переносится множество патогенных микроорганизмов и сорбируются тяжелые металлы, а повышенные значения мутности губительны для многих видов водных организмов. Данная высокая социально-экономическая и гидролого-экологическая значимость актуализирует изучение точности оценок взвешенных наносов и их пространственного распределение внутри поперечного сечения реки. В данной статье были рассмотрены особенности распределения мутности воды и их гидравлических факторов на реках России (Лена, Обь, Енисей, Колыма, Дон, Кубань, Терек, Селенга). Так, были обработаны 78 измерений поперечных профилей потока, выполненных Акустическим Доплеровским Профилографом Течений RiverRay 600 kHz, в сумме составивших 40 079 вертикальных распределений обратного рассеяния лучей прибора по глубине, переведенных в единицы весовой мутности. Для всех измерений был выполнен расчет среднего числа Рауза для поперечного профиля, и далее – для частных вертикалей через введение переводного коэффициента. В результате были получены 78 моделей вертикального распределения мутности как функция глубины вертикали, скорости потока и диаметру частиц. Для 8 моделей коэффициенты корреляции к измеренным значениям составили более 0,9. Для произведения данных расчетов авторами статьи было разработано программное обеспечение на языке программирования R, для которого входными параметрами являлись сырые данные измерений, а результатом расчетов являлись мутностные и гидравлические характеристики потока. Указанные модели, полученные при помощи машинного обучения, рекомендованы для дальнейшего применения при изучении особенностей движения взвешенных наносов больших рек.

The suspended sediment concentration (SSC) is one of the main characteristics of the water flow. This parameter is a necessary water management characteristic of the river flow for forecasting channel transformations. Furthermore, SSC is a normative characteristic of water quality, because of many pathogenic microorganisms are transported with suspended particles and heavy metals are sorbed, and increased SSC values are pure for many types of aquatic organisms. This high socio-economic and hydrological-ecological significance actualizes the study of the SSC accuracy of estimates and their spatial distribution within the cross-section of the river. This study presents the distribution of water turbidity and hydraulic parameters on the Russia rivers (Lena, Ob, Yenisei, Kolyma, Don, Kuban, Terek, Selenga). 78 measurements of river cross-sections made by the Acoustic Doppler Current Profiler RiverRay 600 kHz were made, that gave 40,079 vertical distributions of backscatter intensity, calculated into units of suspended sediment concentration. Thus, for all cross-sections and verticals the Rouse number was calculated. 78 models of vertical suspended sediments concentration distribution as a function of depth, flow velocity and particle diameter were obtained. For 8 models, the correlation coefficients to the measured values were more than 0.9. For these calculations the authors developed a software in the programming language R, which input parameters were raw data of measurements by ADCP, and the result of calculations was suspended sediments and hydraulic characteristics of the flow. These models, that was developed by machine learning technics, are recommended for further use in studying the features of the movement of suspended sediments of large rivers.