La medición de partículas en suspensión en la columna de agua sigue siendo un gran reto cuando se trata de cubrir grandes áreas en el mar o ríos. Aquí se describe un novedoso método para monitorizar partículas en la columna de agua en una amplia cobertura espacial. Este método se basa en el uso conjunto de un sonar multihaz montado en el casco, calibrado in situ, y un perfilador de retrodispersión acústica que opera a múltiples frecuencias. El método es rápido y de fácil aplicación, y ofrece un gran potencial para la obtención de información a gran escala sobre partículas en suspensión en la columna de agua en zonas costeras. 

La distribución y el transporte de material particulado en suspensión (MPS) pueden afectar el medio ambiente, desde los hábitats marinos y la calidad del agua hasta la morfología del fondo marino. En las últimas décadas, se han dedicado importantes esfuerzos al monitoreo de MPS a diversas escalas temporales y espaciales en océanos y ríos costeros. Los sistemas que se suelen utilizar en estudios de MPS son el perfilador acústico de corrientes Doppler (ADCP) y los sensores de perfilado de retrodispersión acústica (ABS). Sin embargo, la ecosonda multihaz (MBES) se utiliza ampliamente en aplicaciones batimétricas y puede proporcionar imágenes bidimensionales de retrodispersión de la columna de agua sobre su franja. Por lo tanto, la MBES brinda la oportunidad de adquirir datos de MPS en la columna de agua con una mejor representatividad espacial que otros sistemas acústicos como ABS y ADCP.

Sin embargo, la interpretación de las mediciones de MBES en términos de SPM sigue siendo compleja debido a los complejos diseños de antenas MBES, que requieren calibración absoluta, y a su única frecuencia de emisión (o al menos un rango de frecuencia limitado en el caso de sistemas multifrecuencia). Ambos problemas pueden superarse para lograr la cuantificación de SPM utilizando datos de la columna de agua de MBES, mediante la calibración única de la antena MBES con un objetivo estándar, siempre que las mediciones de perfiles acústicos multifrecuencia se repitan regularmente durante el estudio MBES. En este trabajo, se propone un nuevo protocolo rápido y accesible para la cuantificación de SPM utilizando un MBES mediante un experimento de campo original. 

Experimento de campo

El 21 de enero de 2015, se realizó un experimento desde una pequeña embarcación bajo el puente Térénez, en el estuario de Aulne, al noroeste de Francia (Fig. 1a). El estuario del río Aulne es un afluente macromareal poco profundo de la bahía de Brest. Los principales minerales en suspensión son arcillas filíticas, que confieren al SPM la tendencia a flocular. La concentración másica de sedimentos en suspensión varía estacionalmente, observándose los valores más altos durante la crecida invernal (>1 g/L). 

Se montó un transductor Kongsberg EM3002 MBES a 300 kHz en un poste, se desplegó desde la embarcación y se estudió la columna de agua durante cinco horas durante la marea baja, con una frecuencia de pulsos de 4 Hz. La frecuencia de muestreo del MBES se ajustó a 15 kHz, lo que resultó en un tamaño de celda de 5 cm (Fig. 2b). Se registró la señal retrodispersada sin procesar que llegaba al transductor y se generaron 81 haces de -60° a 60° con una separación de haces constante de 1,5°. Además, se obtuvieron 20 mediciones ABS multifrecuencia (Aquascat 1000S), una cada 15 minutos. El Aquascat mide el coeficiente de retrodispersión de volumen a cuatro frecuencias (0,5/1/2/4 MHz) a lo largo de 256 celdas de 5 mm por cada pulso, con una frecuencia de pulsos de 8 Hz. El instrumento se colocó horizontalmente para promediar cada perfil y asignarle una profundidad específica. Se recogieron muestras de agua in situ con una botella Niskin a intervalos regulares y a una profundidad constante de 8 m.

Figura 2: a) Esquemas del protocolo de calibración in situ, b) Esquemas del protocolo de muestreo in situ: 1/ Marco que aloja una botella Niskin y el ABS midiendo perfiles acústicos horizontales sobre la columna de agua (Aquascat 1000S) cada 15 min., 2/ EM3002 MBES registra continuamente la retrodispersión acústica bruta.

Calibración 'mínima' del MBES

El proceso de formación de haz del EM3002 implica la dirección del haz, lo que provoca diferencias en los niveles de eco a lo largo de todo el abanico del MBES y una ampliación del ángulo sólido equivalente a medida que aumenta el ángulo de dirección. Además, existe un sesgo constante común en el nivel de eco de cada haz. Todos estos efectos se corrigen generalmente calibrando cada haz con un objetivo estándar o una suspensión controlada. Estos protocolos requieren mucho tiempo y grandes instalaciones. En su lugar, se diseñó una calibración semiempírica de campo con el objetivo de armonizar los niveles de eco de la ecosonda para que pueda proporcionar mediciones absolutas a lo largo de todo su abanico.

El primer paso en la calibración multihaz de SPM propuesta consistió en corregir un único haz alrededor del nadir utilizando un objetivo (esfera de carburo de tungsteno de 38,1 mm de diámetro, Fig. 2a) con propiedades de material conocidas para determinar el sesgo constante en el campo lejano del MBES en términos de la intensidad del objetivo (TS). Las diferencias en TS en todo el abanico se estimaron teóricamente a partir de este único haz, calculando los patrones de directividad del haz del sistema y estimando la absorción y la dispersión. Esto resultó en una medida homogénea del coeficiente absoluto de retrodispersión volumétrica en todo el abanico. Existen demasiadas incógnitas para que un MBES de frecuencia única proporcione una concentración directa de SPM para cada haz a partir de la información así obtenida, por lo que se necesita información de múltiples frecuencias, como la proporcionada por un ABS, para determinar los tamaños de partícula. Dado que la estimación de la concentración y el tamaño de SPM requiere un conjunto de frecuencias con una dispersión suficiente en el rango de 500 kHz a 5 MHz, no es posible utilizar los sistemas multihaz multiespectrales actuales, por lo que se requiere el ABS.

Figura 3: a) Solución de la inversión por clase de tamaño a lo largo de la profundidad, b) SESR. La línea discontinua gris muestra el límite por debajo del cual se extrapolaron los SESR.

Estimación de radios esféricos equivalentes de suspensión (SESR) e inversión MBES de frecuencia única

El ABS registra el coeficiente absoluto de retrodispersión volumétrica en cuatro frecuencias. Se invirtieron 20 perfiles ABS, lo que produjo una densidad numérica distribuida en 16 clases de radio esférico equivalente (ESR) logarítmicamente espaciadas, que van desde ≥ 30 μm hasta ≥ 500 μm, en cada profundidad muestreada por el ABS (Fig. 3a). En este experimento, se diseñó un modelo de retrodispersión para considerar las propiedades actuales de la suspensión utilizando el software de código abierto Hydrac. A partir del ESR, se estimó un radio equivalente de la suspensión (SESR) para una clase de tamaño única que representa toda la suspensión. Los SESR se interpolaron linealmente para ajustarse a la tasa de ping de MBES y a las profundidades de muestreo del haz. Se aplicó una extrapolación uniforme a los contenedores más profundos de la columna cuando estos no cubrieron el rango de perfilado de MBES.

 

Inversión de intensidad retrodispersada de MBES

La Figura 3b ilustra el SESR encontrado para cada celda de profundidad. Los rangos de SESR encontrados fueron de 70 μm a 170 μm y parecieron aumentar continuamente a lo largo del experimento. 

La Figura 4 representa la serie temporal invertida de la señal MBES para el haz central a lo largo de la columna de agua, así como una comparación entre dos haces a 0° y 30° y las observaciones in situ de la botella Niskin a una profundidad fija de 7,75 m. La concentración másica estimada aumentó desde las 07:00 (inicio del reflujo) hasta las 09:30. Después de las 09:20, se produjo un evento de turbidez moderada, con concentraciones que alcanzaron los 600 mg/L. Después de las 10:30, la concentración disminuyó a ~100 mg/L, mostrando aún un gradiente bien marcado cerca del lecho. El patrón espacial de las estimaciones de concentración másica de MBES y su evolución temporal (Fig. 4b) concuerdan con las variaciones de concentración másica determinadas a partir de muestras de agua.

Finalmente, la Figura 5 muestra la concentración de masa en seis ecogramas consecutivos. Se observa un claro contraste cerca del lecho del río, donde una capa de mayor concentración se formó lentamente antes de las 09:20 desde el lado de babor de la ecosonda (Fig. 5a). A pesar de algunos artefactos de calibración visibles en el lado de babor de la ecosonda (de 10° a 30°), los ecogramas ofrecen una buena perspectiva de la dinámica del campo de concentración de SPM.

Figura 5: Ecogramas de concentración másica de instantes consecutivos entre las 09:20 y las 09:50.

Conclusiones

La inversión de datos brutos de MBES para cuantificar sedimentos en suspensión es aplicable a cualquier sitio de estudio una vez que se conoce un modelo consistente que describe las propiedades de dispersión de la suspensión objetivo, como es el caso de los sedimentos marinos. Se demuestra el potencial de MBES para cuantificar SPM en una amplia cobertura espacial. Utilizando el protocolo de calibración desarrollado, los datos multihaz brutos pueden convertirse en una lectura armonizada sobre su abanico de medición. Los resultados de la inversión concuerdan bien con las concentraciones de masa in situ y dan acceso a la evolución temporal del campo de concentración de masa bidimensional. Una vez calibrado el MBES, proporciona una lectura. Si se va a medir otro sitio, se puede aplicar la misma metodología. Sin embargo, se requiere un modelo de retrodispersión para el tipo correcto de SPM. Este estudio confirma el interés en el uso de la acústica activa para fines de monitoreo de SPM y destaca la necesidad de acceder a datos brutos de la columna de agua de sistemas MBES comerciales.

Lectura adicional

Fromant G, Floc'h F, Lebourges-Dhaussy A, Jourdin F, Perrot Y, Le Dantec N, et al. (2017). Cuantificación in situ de la carga suspendida de agregados estuarinos mediante inversiones acústicas multifrecuenciales. J. Atmos. Ocean. Technol., 34, 1625–43. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-16-0079.1

Fromant, G., Le Dantec, N., Perrot, Y., Floc'h, F., Lebourges-Dhaussy, A. y Delacourt, C. (2021). Campo de concentración de sedimentos en suspensión cuantificado a partir de una ecosonda multihaz calibrada.  Appl. Acoust. ,  180 , 108107. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2021.108107

Fromant, G., Hurther, D., Le Dantec, N., Lebourges-Dhaussy, A., Jourdin, F., Vergnes, A., Le Coz, J., Fischer, S., Pierrefeu, G. (2019). Software de código abierto Hydrac, [código fuente] https://bitbucket.org/fromantgu/hydrac