參量陣淺地層剖面技術(shù)在柴河水庫(kù)淤積測(cè)量中的應(yīng)用*

崔雙利,于國(guó)豐,曲 磊,孔繁友,王 莉,孟 旭

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110003)

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參量陣淺地層剖面技術(shù)在柴河水庫(kù)淤積測(cè)量中的應(yīng)用*

崔雙利,于國(guó)豐,曲 磊,孔繁友,王 莉,孟 旭

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110003)

介紹了參量陣水下地層淺剖技術(shù)及對(duì)柴河水庫(kù)進(jìn)行淤積探測(cè)的應(yīng)用過(guò)程。依據(jù)對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理和分析,提出了柴河水庫(kù)淤積集中分布區(qū)域、淤積厚度和淤積量的探測(cè)結(jié)果。通過(guò)與該庫(kù)使用傳統(tǒng)方法淤積測(cè)量結(jié)果比較,初步驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果是可靠的。

參量陣;淺剖;水庫(kù)淤積;探測(cè)

水庫(kù)淤積是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題,由于泥沙大量淤積,降低了水庫(kù)的防洪能力,同時(shí)水庫(kù)淤積引起回水上延,會(huì)吞噬既有農(nóng)田耕地,影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)和諧穩(wěn)定。另外河道淤積會(huì)使河床抬高,影響行洪、航運(yùn)及生態(tài)建設(shè)。傳統(tǒng)的水庫(kù)、河道淤積測(cè)量方法受水流、水深、水位波動(dòng)等因素影響,存在效率低、精度差等弊端。因此引進(jìn)一種國(guó)外先進(jìn)的水庫(kù)淤積探測(cè)技術(shù)設(shè)備,解決目前水庫(kù)、河道淤積測(cè)量存在的問(wèn)題是十分必要的。

遼寧省水科院2014年通過(guò)水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目資助,引進(jìn)了德國(guó)先進(jìn)的水庫(kù)淤積探測(cè)設(shè)備(SES-2000 light Plus淺剖儀),是一種輕便靈活、高分辨率、高精度探測(cè)水深及水底淺地層剖面的新型儀器。

1 參量陣水下地層淺剖技術(shù)

參量陣聲吶在高壓下同時(shí)向水底發(fā)射兩個(gè)頻率接近的高頻聲波信號(hào)(f1,f2)作為主頻,當(dāng)聲波作用于水體時(shí),會(huì)產(chǎn)生一系列二次頻率如f1,f2,(f1+f2),(f1-f2),2f1,2f2等等。其中的f1高頻用于探測(cè)水深,而f1,f2的頻率非常接近,因此(f1-f2)即差頻頻率很低,具有很強(qiáng)的穿透性,可以用來(lái)探測(cè)水底淺地層剖面[1]。

SES-2000 light Plus淺剖儀采用兩個(gè)100 kHz的頻率作為主頻,由于100 kHz的換能器有一定的帶寬,因此利用二者之差可以獲得多個(gè)低頻。例如：用106-100 kHz可獲得6 kHz低頻,其它依此類推。SES-2000 light Plus淺剖儀的可選頻率有5 kHz、6 kHz、8 kHz、10 kHz、12 kHz、15 kHz。在測(cè)量時(shí)可以根據(jù)測(cè)區(qū)的具體情況,通過(guò)軟件來(lái)選擇所需的頻率。該儀器聲吶發(fā)射(接收)裝置換能器固定在測(cè)船水下,按一定時(shí)間間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖, 聲脈沖穿過(guò)水體觸及水底后, 部分聲能反射回?fù)Q能器; 另一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播, 同時(shí)回波陸續(xù)返回被接收。聲波傳播的聲能隨傳播深度逐漸損失, 直到聲波能量損失耗盡為止。通過(guò)測(cè)量聲波到達(dá)水底的時(shí)間和穿過(guò)水底兩界面地層之間的時(shí)間差,與水中聲速和地層的聲速乘積,算出水深和地層厚度。換能器固定在船玄上如圖1所示,探測(cè)時(shí)將其下入水中一定深度便可采集聲吶數(shù)據(jù)。

圖1 固定在船玄上聲吶發(fā)射(接收)裝置換能器

2 柴河水庫(kù)概況及測(cè)淤的必要性

2.1 水庫(kù)概況

柴河系遼河中游左側(cè)一條較大支流,全長(zhǎng)為143 km,流域面積為1 501 km2。柴河水庫(kù)是以防洪、灌溉為主,結(jié)合發(fā)電和養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的大(Ⅱ)型水利樞紐。水庫(kù)控制流域面積為1 355 km2,占柴河流域總面積的90%，最大壩高為42.3 m,最大庫(kù)容為6.36億m3。

水庫(kù)自1974年竣工并投入使用已運(yùn)行了40余年,其間經(jīng)歷了1975、1985、1994、1995和2005年較大的洪水,特別是1995和2005年兩次洪水,其洪峰流量和洪水總量均是歷史罕見(jiàn),將大量的泥沙帶入水庫(kù)庫(kù)區(qū),使庫(kù)區(qū)的地形發(fā)生了改變,庫(kù)容與水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生了較大變化,改變了水庫(kù)的蓄水能力,給水庫(kù)的調(diào)度工作帶來(lái)了不利影響。

2.2 測(cè)淤必要性

根據(jù)《水庫(kù)水文泥沙觀測(cè)規(guī)范》,水庫(kù)淤積測(cè)驗(yàn)是水庫(kù)管理運(yùn)行基本觀測(cè)項(xiàng)目之一。水庫(kù)淤積測(cè)驗(yàn)包括庫(kù)容變化測(cè)驗(yàn)和沖淤變化測(cè)驗(yàn)兩類,目的是通過(guò)淤積測(cè)驗(yàn)資料的分析,了解水庫(kù)庫(kù)容的損失及泥沙淤積分布規(guī)律和在不同水、沙條件下的變化規(guī)律,以制定水庫(kù)合理地調(diào)水、調(diào)沙及庫(kù)區(qū)整治方案,充分發(fā)揮水庫(kù)效益[2]。

柴河水庫(kù)自1974年建庫(kù)以來(lái),除2009年水庫(kù)自行組織了一次淤積測(cè)量外,再未進(jìn)行過(guò)水庫(kù)淤積測(cè)量。水庫(kù)一直沿用建庫(kù)時(shí)的水位～庫(kù)容曲線,由于欠缺對(duì)水庫(kù)庫(kù)容的損失及泥沙淤積分布規(guī)律的了解,導(dǎo)致在水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用、自身運(yùn)行安全方面存在著隱患。因此,柴河水庫(kù)的淤積測(cè)量工作勢(shì)在必行。

3 數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

2015年5月6日～6月3日,遼寧省水科院“948”項(xiàng)目課題組利用該項(xiàng)設(shè)備技術(shù),對(duì)柴河水庫(kù)水下淤積狀況進(jìn)行全面探測(cè)。該項(xiàng)工作是以柴河水庫(kù)2009年采用鑿冰眼下探尺的測(cè)淤斷面為基準(zhǔn),對(duì)原測(cè)量斷面采用該項(xiàng)引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)。測(cè)船首先定位在原測(cè)量斷面坐標(biāo)起點(diǎn)上,而后在GPS導(dǎo)航定位指引下沿?cái)嗝鏈y(cè)線行進(jìn),在此過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)斷面水下深度、水底淤積厚度進(jìn)行探測(cè)。水上探測(cè)工作歷時(shí)近一個(gè)月,共完成庫(kù)區(qū)15 km范圍內(nèi)80條測(cè)線的水下剖面數(shù)據(jù)采集。

3.2 數(shù)據(jù)處理

隨后對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋分析工作。針對(duì)采集獲得的80條測(cè)線數(shù)據(jù),通過(guò)后處理軟件進(jìn)行增益濾波處理和自動(dòng)捕捉分層,生成各條測(cè)線水底剖面圖像。以01#測(cè)線圖像為例(見(jiàn)圖2所示)作說(shuō)明。圖像中,水底層是儀器高頻聲波形成反射面,即處理圖像時(shí)顯示第一層；第二層是儀器低頻(非線性差頻)聲波獲得的反射面,為較軟土質(zhì)分層,分析可能由庫(kù)底多年淤積和建庫(kù)前地表含水量大的軟土層構(gòu)成,因此暫定名該層為軟土淤積層。同時(shí)獲得的水底剖面各層的大地坐標(biāo)、水底層深度、軟土淤積層深度及厚度等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步計(jì)算軟土淤積層體積,即庫(kù)區(qū)測(cè)量范圍內(nèi)淤積量提供數(shù)據(jù)支持。以01#測(cè)線剖面為例列出處理后得到的數(shù)據(jù)(部分),如表1所示。

圖2 柴河水庫(kù)聲吶探測(cè)01#測(cè)線淺剖圖像

表1 柴河水庫(kù)聲吶探測(cè)01#測(cè)線水底淺剖數(shù)據(jù)(部分)

4 淤積量計(jì)算與探測(cè)結(jié)果分析

4.1 淤積量計(jì)算

淤積量計(jì)算方法是將測(cè)區(qū)按測(cè)線分成若干塊,利用已測(cè)到的淤積層剖面位置坐標(biāo)及淤積層厚度數(shù)據(jù),運(yùn)用相關(guān)軟件計(jì)算每塊淤積量,而后將各塊淤積量累加,得出柴河水庫(kù)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)淤積總量為704萬(wàn)m3,約占水庫(kù)最大庫(kù)容的1.1%。同時(shí)將測(cè)區(qū)內(nèi)單塊淤積量及每塊平均面積淤積量進(jìn)行排序,得到水庫(kù)淤積量較大和集中區(qū)域。位置在4#～15#測(cè)線區(qū)間,淤積厚度在0.6～0.9m左右,淤積量約占統(tǒng)計(jì)淤積總量的39%。水庫(kù)淤積集中分布情況詳見(jiàn)圖3所示(前30條測(cè)線圖)。圖中,分塊內(nèi)左側(cè)括弧內(nèi)標(biāo)注號(hào)為分塊淤積量排序值,右側(cè)括弧內(nèi)標(biāo)注號(hào)為單位面積淤積量排序值,網(wǎng)格線代表淤積集中且較嚴(yán)重區(qū)域。

圖3 柴河水庫(kù)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)淤積量分布圖(前30條測(cè)線)

4.2 水底高程變化比較

通過(guò)對(duì)柴河水庫(kù)2009年采用鑿冰眼下探尺的測(cè)量斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行提取整理,得到每個(gè)斷面各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值和水底高程值。在本次采用聲吶探測(cè)得到的數(shù)據(jù)中,對(duì)應(yīng)原測(cè)量斷面的各個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)位置,提取相應(yīng)的水底高程值進(jìn)行比較,得到水底高程值變化情況,以02#測(cè)線(如圖4所示)為例進(jìn)行說(shuō)明。圖中“●”代表2009年所測(cè)02#測(cè)線水底高程6個(gè)測(cè)點(diǎn)值,“▲”代表本次聲吶探測(cè)在同條測(cè)線上提取的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的6個(gè)測(cè)點(diǎn)水底高程值。從中看出兩者高程差值范圍在0.01～0.25 m之間,基本上是相互吻合的。差值偏離較大者經(jīng)分析,除測(cè)量方法產(chǎn)生誤差外,可能原因是2015年聲吶探測(cè)時(shí),測(cè)船沿2009年測(cè)線航行受風(fēng)浪、導(dǎo)航等因素影響航跡有偏離,導(dǎo)致與2009年測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的偏離,由此造成水底高程值不同程度偏差。

圖4 02#測(cè)線09年與15年水底高程值對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)處理數(shù)據(jù)及計(jì)算得到的分塊淤積量進(jìn)行分析,獲得柴河水庫(kù)淤積集中分布區(qū)域。位置在4#～15#測(cè)線區(qū)間,淤積厚度在0.6～0.9 m左右,淤積量約占統(tǒng)計(jì)淤積總量的39%。其他位置也均存在不同程度淤積,淤積厚度一般在0.5 m以下。

2) 將本次探測(cè)到水底高程結(jié)果與2009年同一斷面同一測(cè)點(diǎn)水底高程測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,得到相互印證的高程差值平均在0.01～0.25 m左右。因此通過(guò)2009年水深測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證,證明聲吶探測(cè)水深結(jié)果是可靠的。而探測(cè)到淺剖淤積厚度結(jié)果的可靠性,還需經(jīng)過(guò)水底鉆孔取樣驗(yàn)證。此項(xiàng)工作下一步通過(guò)引進(jìn)國(guó)外水上聲波鉆機(jī)鉆取芯樣分析完成。

[1] 祝鴻浩,王錦柏.參量陣淺剖儀及其信號(hào)預(yù)處理方法研究[J].上海：現(xiàn)代電子技術(shù),2015(9)：47．

[2] 水庫(kù)水文泥沙觀測(cè)規(guī)范：SL339—2006[S].2006．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Application of Parameter Array Shallow Profile Technique to Sedimentation Measurement of Chaihe Reservoir

CUI Shuangli，YU Guofeng，QU Lei，KONG Fanyou，WANG Li，MENG Xu

(Liaoning Province Institute of Water Resources and Hydropower Research，shenyang 11003，China)

Parameter array shallow profile technique in underwater soil and its application to sedimentation detection of Chaihe Reservoir have been introduced. With analyzing data collection, results of sedimentation concentrated distribution areas, sedimentation thickness and sedimentation volume in Chaihe Reservoir are released. Comparing with the results by using traditional methods, the results are reliable.

parameter array, shallow profile, reservoir sedimentation, detection

2016-01-27;

2016-02-26

崔雙利(1964),男,本科,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事水利科研工作。

*資助項(xiàng)目:水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目資助,項(xiàng)目編號(hào):201423。

TV697.2+2

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1008-0112(2016)02-0008-03