浮泥現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)綜述

居 堯，高 敏，王元葉，王鐘寅

(1.上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院，上海 200120；2.交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江口航道管理局，上海 200003；3.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201)

通常認(rèn)為，浮泥是一種主要存在于淤泥質(zhì)河口海岸地區(qū)常見(jiàn)的自然現(xiàn)象[1-2]，是貼近底床的一層流動(dòng)性很大的高含沙水體，與上層水體之間有明顯的分界面。C.C.Inglis，等[3]在研究Thames河的泥沙運(yùn)動(dòng)時(shí)最早使用了“Fluid Mud”一詞。在20世紀(jì)50年代，我國(guó)科研人員研究天津新港回淤問(wèn)題時(shí)提出了“浮泥”這一中文術(shù)語(yǔ)。浮泥在挖深的航槽和港池中最為常見(jiàn)，當(dāng)浮泥厚度較大時(shí)，容易造成驟淤，導(dǎo)致通航水深的下降，影響船舶的通行[4-7]。

為研究浮泥的運(yùn)動(dòng)特性及其與適航水深之間的關(guān)系，有必要對(duì)浮泥的厚度、流變特性、密度等重要參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)懸沙測(cè)量物理測(cè)試儀器的研究已有較長(zhǎng)的歷史，理論成果及測(cè)量?jī)x器種類(lèi)繁多，但是實(shí)際投入使用并且得到較好成果的產(chǎn)品卻很有限。從浮泥問(wèn)題研究的發(fā)展歷程來(lái)看，使用較多且效果相對(duì)較好的測(cè)量方法主要有：測(cè)深砣法、γ射線原理測(cè)量法、超聲波原理測(cè)量法、音叉密度測(cè)量法、耦合測(cè)量法等。

1 測(cè)深砣法

測(cè)深砣法主要利用浮力原理進(jìn)行某一重度的浮泥界面的深度測(cè)量，典型的應(yīng)用是天津航道局為測(cè)量天津港巨厚浮泥層而開(kāi)發(fā)的三爪砣。該儀器制作相對(duì)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

JTJ 203—94《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》中對(duì)于三爪砣的結(jié)構(gòu)有詳細(xì)的圖解，三爪砣主要由3個(gè)張開(kāi)的竹片網(wǎng)和1個(gè)鉛墜組成，見(jiàn)圖1。

圖1 三爪砣結(jié)構(gòu) (單位：mm)Fig.1 Structure of three-wings-lead

1.2 測(cè)量原理

將三爪砣放入水中時(shí)，隨著浮泥層重度的增加和三爪砣竹片及線網(wǎng)的展開(kāi)，浮力逐漸變大，當(dāng)浮泥層密度達(dá)到三爪砣設(shè)計(jì)值時(shí)，儀器受力平衡不再下沉，即可以通過(guò)繩尺量得該密度界面的深度?？梢酝ㄟ^(guò)改變其重量和尺寸從而可測(cè)出不同密度泥層的深度[8-9]。

1.3 應(yīng)用及簡(jiǎn)析

三爪砣使用的優(yōu)點(diǎn)是儀器制作簡(jiǎn)單、成本低廉、操作簡(jiǎn)便。但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾方面問(wèn)題：

1)經(jīng)過(guò)天津港一系列相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)規(guī)范的規(guī)格制作的三爪砣，能夠測(cè)量的浮泥重度為1 200～1 250 g/L。因此，在測(cè)量前應(yīng)明確待測(cè)浮泥層的大致重度值范圍，需要相應(yīng)地改變?nèi)鹊某叽邕M(jìn)行匹配，并且在使用前進(jìn)行標(biāo)定。

2)三爪砣的測(cè)量精度受到制造精度、測(cè)量水域風(fēng)浪及水動(dòng)力情況、浮泥黏度、測(cè)量人員主觀判斷等多方面因素影響，總體精度不高[8-10]。

3)該方法只能粗略測(cè)得儀器相對(duì)浮泥密度層的深度，測(cè)量成果單一，價(jià)值有限。

2 γ射線技術(shù)測(cè)量法

具有代表性的γ射線測(cè)量?jī)x器有比利時(shí)和英國(guó)共同研制的 Navitracker 密度測(cè)量系統(tǒng)，荷蘭生產(chǎn)的高精度的 VDP 泥沙濃度剖面探測(cè)器[11]，以及國(guó)內(nèi)使用較多的平行雙管叉式γ射線密度儀等。

2.1 儀器結(jié)構(gòu)

平行雙管式γ射線密度儀由探頭和記錄儀兩部分組成，圖2為探頭部分[12]。雙管底端各安裝有放射源和探測(cè)器。記錄儀安置在測(cè)量船上，通過(guò)電纜和探頭連接。

圖2 平行雙管叉式γ射線密度儀探頭Fig.2 Probe of double-barreled γ-ray densitometer

2.2 測(cè)量原理

當(dāng)γ射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，其透射的γ射線強(qiáng)度隨著介質(zhì)密度增大而呈指數(shù)規(guī)律衰減。據(jù)此可以通過(guò)測(cè)量透射γ射線計(jì)數(shù)率計(jì)算物質(zhì)的密度。在水飽和狀態(tài)下，γ射線透射法測(cè)量浮泥容重的理論計(jì)算公式為[13-15]：

(1)式中：ρ為浮泥或淤泥密度，g/cm3；ρw為河水或海水密度，g/cm3；ρs為泥沙密度，g/cm3；μw為河水或海水的γ射線質(zhì)量吸收系數(shù)，cm2/g；μs為泥沙的γ射線質(zhì)量吸收系數(shù)，cm2/g；d為γ射線裝置至γ射線探測(cè)器中心的距離，cm；CRw為清水中儀器γ射線測(cè)量計(jì)數(shù)率，s-1；CR為儀器的γ射線測(cè)量計(jì)數(shù)率，s-1。

如果放射源、探測(cè)器、源距和探頭結(jié)構(gòu)等相對(duì)確定，在一定的測(cè)量范圍內(nèi)μs，μw，ρs，ρw，d，CRw均為定值，浮泥或者淤泥重度ρ只隨CR值變化，即可通過(guò)測(cè)得CR值得到ρ值。

2.3 應(yīng)用及簡(jiǎn)析

γ射線測(cè)量法在我國(guó)多個(gè)河口地區(qū)工程水域的浮泥現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中得到應(yīng)用，如上海港杭州灣深水航道試挖槽浮泥和淤泥重度測(cè)量，甌江口航道治理一期工程后和樂(lè)清灣港區(qū)浮泥容重測(cè)量等多項(xiàng)實(shí)際工程[13-15]，為分析研究港池、航道回淤速度、固結(jié)程度等問(wèn)題提供了重要實(shí)測(cè)資料。李樟蘇，等[14]結(jié)合理論及現(xiàn)場(chǎng)使用情況認(rèn)為，采用241Amγ源的γ射線密度儀可測(cè)量的淤泥重度達(dá)到1.7g /cm3，結(jié)合探頭使用靈活的特點(diǎn)，該方法既能測(cè)量原狀浮泥又能測(cè)量原狀淤泥重度。

γ射線測(cè)量方法層次分辨率高、測(cè)量泥沙容重精度高，在工程中應(yīng)用效果較好，在實(shí)際使用中應(yīng)注意以下幾方面問(wèn)題：

1)該方法為點(diǎn)測(cè)法，即在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，與超聲波走航式測(cè)量方法相比，速度較慢。在進(jìn)行大面積工程水域觀測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)布置不宜太密，在測(cè)量的同時(shí)最好配合進(jìn)行同步底質(zhì)取樣。

2)該方法將影響γ射線吸收的一系列參數(shù)考慮為與環(huán)境相關(guān)的常數(shù)，對(duì)于不同測(cè)區(qū)需要進(jìn)行準(zhǔn)確的儀器率定[16]，增加了工作量及誤差來(lái)源[17]。

3)探頭內(nèi)安放有一定活性的放射性同位素，對(duì)人員及環(huán)境存在一定的潛在危險(xiǎn)。這是導(dǎo)致γ射線法目前使用率越來(lái)越低的主要原因。

3 超聲波測(cè)量法

根據(jù)超聲波儀器的設(shè)計(jì)原理、具體可分為雙頻測(cè)深儀法、聲學(xué)泥沙剖面儀法以及聲學(xué)密度儀法等3種方法。

3.1 雙頻測(cè)深儀法

3.1.1 儀器結(jié)構(gòu)

以美國(guó)Odom公司生產(chǎn)的Echotrac MK III雙頻測(cè)深儀為例，測(cè)量系統(tǒng)包括用于發(fā)射和接收聲波的換能器以及記錄器(圖3)。在使用時(shí)還需要配備GPS導(dǎo)航以及連接記錄器的測(cè)量用計(jì)算機(jī)。

圖3 Odom Echotrac MK III 雙頻測(cè)深儀換能器及記錄器Fig.3 Transducer & describer of dual frequency sounder Odom Echotrac MK III

3.1.2 測(cè)量原理

超聲波測(cè)深儀的基本工作原理是利用超聲波能夠在均勻介質(zhì)中勻速直線傳播，遇到不同介質(zhì)面產(chǎn)生反射的特性，根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的位移量或電子設(shè)備的脈沖數(shù)來(lái)模擬超聲波在水中往返傳播的一半時(shí)間所經(jīng)過(guò)的距離，通過(guò)換能器向水下發(fā)射超聲波并接收回波，由超聲波的往返傳輸時(shí)間換算出水深值[18]。

雙頻測(cè)深儀在常用單頻高頻測(cè)深儀的基礎(chǔ)上增加了低頻部分，高低頻的發(fā)射和接收組件以及信號(hào)的處理是相對(duì)獨(dú)立的[19]。高頻聲波的頻率高、波長(zhǎng)短、束射特性好，方向性強(qiáng)，眾多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，用200 kHz左右高頻頻率測(cè)定的海底表面效果較好。但是由于高頻波長(zhǎng)短，能量損失快，波束對(duì)漩渦、湍流等穿透能力差，在水文條件較復(fù)雜的水域有時(shí)可能回波信號(hào)可能丟失[18]。低頻頻率通常選擇20～50 kHz之間，具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的低頻超聲波在傳播過(guò)程中碰到幾何尺寸比波長(zhǎng)短的障礙物時(shí)由于透射而繼續(xù)傳播，因此在有水底沉積物時(shí)低頻聲波可能穿過(guò)水底表面較為疏松的部分而向下傳播到更深處。在水下除了水體與浮泥層之間有分界面，還有浮泥層與淤泥層之間、密度不同的淤泥層之間的各分界面，聲波信號(hào)傳遞到這些分界面上時(shí)也會(huì)產(chǎn)生回波，低頻聲波能夠穿透浮泥層及密度相對(duì)較小的淤泥層向下傳播，但是高頻超聲波無(wú)法穿透浮泥層[19]，因此，雙頻測(cè)深儀的測(cè)深結(jié)果包含更詳細(xì)的地形以及沉積物的信息。

3.1.3 應(yīng)用及簡(jiǎn)析

雙頻測(cè)深儀法將回波的上、下界面簡(jiǎn)單考慮為浮泥的上、下界面，從而快速的判斷浮泥層的厚度[20]，并且通過(guò)船載走航觀測(cè)進(jìn)行大范圍的測(cè)量。通過(guò)一些現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，影響雙頻測(cè)深儀測(cè)量成果最主要的問(wèn)題是回波界面與浮泥密度之間難以確定明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系[21]，浮泥密度垂向分布規(guī)律較為復(fù)雜，若單一的使用雙頻測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)量，兩個(gè)反射界面的密度值無(wú)法準(zhǔn)確地定性說(shuō)明，需要在現(xiàn)場(chǎng)利用γ密度儀或音叉密度儀同步拉垂線進(jìn)行率定，確定不同回波界面對(duì)應(yīng)的重度值。

3.2 聲學(xué)泥沙剖面儀法

聲學(xué)泥沙剖面儀是一類(lèi)通過(guò)測(cè)量剖面懸沙分布得到浮泥分布情況的儀器，常見(jiàn)的如英國(guó)產(chǎn)AQUAscat向后散射泥沙濃度剖面儀、中科院東海研究站研制的ASSM聲學(xué)懸沙剖面儀等。

3.2.1 儀器結(jié)構(gòu)

以AQUAtec公司生產(chǎn)的AQUAscat1000為例，聲學(xué)換能器與主機(jī)一體(圖4)，共有4個(gè)頻率，范圍為500 kHz～5 MHz[22]。

圖4 AQUAscat1000泥沙濃度剖面儀Fig.4 AQUAscat 1000 acoustic section plotter

3.2.2 測(cè)量原理

ASSM測(cè)量系統(tǒng)和AQUAscat1000均采用了聲學(xué)后向散射技術(shù)(Acoustic Backscatter System)，AQUAscat1000最多可以設(shè)置4個(gè)聲學(xué)換能器，各自采用不同的聲學(xué)頻率發(fā)射(500 kHz～5 MHz)，通過(guò)軟件可以進(jìn)行剖面間距的設(shè)置，從2.5 mm至幾厘米[23]。ABS對(duì)于粗顆粒懸沙的靈敏度高于OBS光學(xué)后向散射系統(tǒng)，OBS對(duì)細(xì)顆粒懸沙的靈敏度更好。相對(duì)于雙頻測(cè)深儀而言，聲學(xué)泥沙剖面儀在測(cè)量精度上有所提高。由于在推導(dǎo)時(shí)需要假設(shè)懸沙濃度較小，粒子間不發(fā)生相互作用，聲學(xué)剖面儀的量程普遍較小[21-22]，ASSM系統(tǒng)觀測(cè)懸浮泥沙濃度的范圍為0.1～5.0 kg/m3，含沙量高于5.0 kg/m3時(shí)，只能定性地測(cè)量變化趨勢(shì)，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量濃度值[23]。AQUAscat1000在1m剖面深度內(nèi)的量程為0.1 ～20 kg/m3，縮短剖面的深度可以提高量程。

3.2.3 應(yīng)用及簡(jiǎn)析

1994年以來(lái)，ASSM系統(tǒng)在長(zhǎng)江口多次被用于觀測(cè)懸浮泥沙并且得到大量的剖面數(shù)據(jù)，用于進(jìn)行沉積物的相關(guān)研究中，但是由于其測(cè)量量程的限制，實(shí)用性較差，在浮泥現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方面鮮有應(yīng)用。

3.3 聲學(xué)密度儀法

3.3.1 儀器結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的聲學(xué)密度儀包括國(guó)產(chǎn)的SDM型超聲波濃度計(jì)、中科院東海研究站研制的超聲波浮泥重度測(cè)量?jī)x以及20世紀(jì)70年代法國(guó)研制的SD105淤泥密度計(jì)等。聲學(xué)密度儀的聲學(xué)部分由發(fā)射換能器和接收換能器組成，兩者通常安裝在同一水平軸線上(圖5)。

圖5 國(guó)產(chǎn)SDM型超聲波濃度計(jì)探頭Fig.5 Transducer of SDM ultrasonic densitometer

3.3.2 測(cè)量原理

聲學(xué)密度儀應(yīng)用了聲波幅度衰減原理，考慮了高濃度情況下粒子間的相互作用，認(rèn)為當(dāng)含沙量大于10 kg/m3時(shí)，粒子間的相互作用不能忽略，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生多次散射波和黏滯損耗，聲衰減系數(shù)與濃度成正比。發(fā)射換能器帶有方向性，以恒定的發(fā)射功率集中能量射向接收換能器，超聲波在浮泥中傳播時(shí)，產(chǎn)生散射波和粘滯波，引起聲衰減，通過(guò)率定即可根據(jù)實(shí)測(cè)聲衰減推得測(cè)點(diǎn)的浮泥密度[22,24]。

3.3.3 應(yīng)用及簡(jiǎn)析

國(guó)產(chǎn)SDM型超聲濃度計(jì)能夠測(cè)量的含沙量范圍為2～800 kg/m3，已經(jīng)應(yīng)用于水土流失含沙量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以及小浪底水庫(kù)深達(dá)60 m的泥沙淤積測(cè)量(含沙量大于500 kg/m3)等實(shí)際工程監(jiān)測(cè)中。聲學(xué)密度儀在一定程度上克服了聲學(xué)剖面儀的不足，在操作方式和成果類(lèi)型上與γ射線密度計(jì)類(lèi)似，并且能夠達(dá)到較高的浮泥觀測(cè)精度。另一方面，由于觀測(cè)精度依賴于聲衰減系數(shù)與浮泥密度的率定關(guān)系，對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作要求較高[25]。

4 音叉密度測(cè)量法

4.1 儀器結(jié)構(gòu)

目前常見(jiàn)的音叉密度計(jì)為荷蘭Stema公司生產(chǎn)的Rheotune音叉密度計(jì)，測(cè)量系統(tǒng)包括音叉探頭、控制盒以及測(cè)量用計(jì)算機(jī)等，見(jiàn)圖6。探頭及主機(jī)之間通過(guò)電纜連接，主機(jī)連接測(cè)量用計(jì)算機(jī)以及電源。在使用時(shí)通過(guò)船載小型絞車(chē)吊放音叉探頭，在觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行垂線測(cè)量。

圖6 音叉密度計(jì)控制盒(左)及探頭(右)Fig.6 Controlbox (left) and probe (right) of tuning fork

4.2 測(cè)量原理

在電子電源的控制下，音叉的一條叉臂以一定的頻率震動(dòng)，另外一條叉臂則會(huì)產(chǎn)生諧振。因?yàn)橹C振頻率和電壓值與所插入的介質(zhì)的流變特性和密度有關(guān)，所以對(duì)諧振頻率和電壓值進(jìn)行分析計(jì)算就可以得到介質(zhì)的流變特性和密度值[26]。音叉密度計(jì)的使用方式與γ射線密度計(jì)和聲學(xué)密度計(jì)基本一致，結(jié)果形式更加豐富，包含了現(xiàn)場(chǎng)浮泥的流變參數(shù)。

4.3 應(yīng)用及簡(jiǎn)析

音叉密度計(jì)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度與γ射線密度計(jì)相仿，但明顯高于聲學(xué)密度計(jì)。由于儀器內(nèi)置溫度傳感器可以測(cè)得介質(zhì)溫度，加上儀器本身具有測(cè)量介質(zhì)流變特性的功能，所以儀器可以對(duì)密度值進(jìn)行自動(dòng)校正，在很大程度上減小了測(cè)量過(guò)程中操作人員認(rèn)為因素造成的誤差，對(duì)于提高測(cè)量精度起到較大的作用[26]。由于音叉密度測(cè)量的諸多優(yōu)勢(shì)，近幾年來(lái)應(yīng)用日趨廣泛，有取代γ射線密度計(jì)和聲學(xué)密度計(jì)的趨勢(shì)。

5 耦合測(cè)量法

近年來(lái)，部分廠家開(kāi)始嘗試耦合多種浮泥觀測(cè)手段進(jìn)行適航水深觀測(cè)，荷蘭Stema公司出品的SILAS適航水深測(cè)量系統(tǒng)即為整合雙頻測(cè)深儀及Rheotune音叉密度計(jì)的復(fù)合觀測(cè)系統(tǒng)。

5.1 儀器結(jié)構(gòu)

SILAS系統(tǒng)主要由Odom ECHOTAC MKIII雙頻測(cè)深儀、Rheotune音叉密度計(jì)、GPS導(dǎo)航儀以及測(cè)量用計(jì)算機(jī)組成。

5.2 測(cè)量原理

該系統(tǒng)利用雙頻測(cè)深儀測(cè)量高低頻水深和記錄聲強(qiáng)信號(hào)、采用Rheotune音叉密度儀測(cè)得的特征點(diǎn)的浮泥密度、屈服應(yīng)力、黏滯系數(shù)等參數(shù)對(duì)回波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行率定，建立密度和反射信號(hào)之間的關(guān)系，就可以得到整個(gè)測(cè)線剖面不同層面的密度值。

5.3 應(yīng)用及簡(jiǎn)析

雙頻和音叉的耦合方法克服了雙頻測(cè)深儀數(shù)據(jù)精度不高、音叉密度儀測(cè)量點(diǎn)不連續(xù)等不足，在近幾年得到了大量的應(yīng)用[10,26-30]。通過(guò)在珠江口及連云港等地的試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量出航道內(nèi)浮泥層厚度，在解決適航水深問(wèn)題、臺(tái)風(fēng)過(guò)后港池水深的觀測(cè)、指導(dǎo)疏浚船舶疏浚施工等方面提供了有效的解決方案。目前長(zhǎng)江口北槽深水航道常規(guī)浮泥觀測(cè)主要采用SILAS系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)浮泥取樣進(jìn)行分析。但是，SILAS系統(tǒng)仍然存在一些有待解決的問(wèn)題：

1)SILAS測(cè)量系統(tǒng)并未內(nèi)置潮位校正，其實(shí)測(cè)適航水深需要依賴外部的潮位校正手段進(jìn)行修正。

2)Rheotune音叉密度計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行后期的人工處理從而標(biāo)定雙頻數(shù)據(jù)。標(biāo)定過(guò)程較為復(fù)雜，加大了內(nèi)業(yè)處理的難度，在一定程度上制約了成果利用的響應(yīng)速度。表1為各種測(cè)量方法的綜合對(duì)比情況。

表1 浮泥現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法比較

Table 1 Comparison among field observation technologies of fluid mud

6 結(jié) 語(yǔ)

浮泥現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)伴隨著浮泥問(wèn)題的提出不斷地發(fā)展，為深入研究浮泥的生成機(jī)理，運(yùn)移規(guī)律等提供重要的基礎(chǔ)資料。浮泥觀測(cè)儀器或系統(tǒng)多種多樣，目前使用較多、效果較好的是基于聲學(xué)原理的測(cè)量?jī)x器、音叉以及復(fù)合的SILAS系統(tǒng)。γ射線法觀測(cè)成果較好，但是由于γ放射源存在一定的安全隱患，在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中正逐漸被新技術(shù)所取代。

以SILAS系統(tǒng)為代表的耦合觀測(cè)系統(tǒng)代表了今后浮泥現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，該方法可以通過(guò)走航式測(cè)量獲取測(cè)線剖面實(shí)時(shí)浮泥層分布情況，數(shù)據(jù)直觀、可靠并且連續(xù)，通過(guò)音叉獲取密度數(shù)據(jù)的標(biāo)定進(jìn)而分析剖面的密度分布，可以為研究浮泥分布、確定適航水深等問(wèn)題提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

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