雙頻測深技術(shù)在水庫淤積測量中的應(yīng)用

柯 勰 ，杜鵬飛 ，羅 旭

（1.浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心，浙江 杭州 310012；2.浙江錢江科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 310012）

水庫是人類生產(chǎn)生活中蓄水發(fā)電、灌溉和防洪調(diào)度的重要水利設(shè)施，在人類生活中發(fā)揮著巨大作用。但經(jīng)過多年運(yùn)行，很多水庫淤積及庫容受損情況較為嚴(yán)重，影響水庫安全運(yùn)行和水資源保障。根據(jù)浙江省“五水共治”工作要求，全省將持續(xù)開展河湖庫塘清淤工作，并逐步建立輪疏機(jī)制。因此，迫切需要一種測量簡單高效、結(jié)果準(zhǔn)確可靠的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)淤泥的快速測量，推動(dòng)清淤工作的順利開展。目前，國內(nèi)外常用的淤積測量方法主要有測桿法、鉆探法、雙頻測深儀探測、淺地層剖面儀探測以及Silas淤泥探測等，原理和適用性各不相同[1-2]。采用雙頻測深技術(shù)進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，可為該技術(shù)的準(zhǔn)確性、適用性提供參考。

1 技術(shù)原理

雙頻測深技術(shù)采用超聲波反射原理，通過測出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，并根據(jù)超聲波在水中的傳播速度，就可以計(jì)算出測點(diǎn)的水深。由于低頻超聲波穿透能力強(qiáng)，可以穿透水底的淤泥層，在同一測點(diǎn)連續(xù)發(fā)射2個(gè)不同頻率（高頻f 1、低頻f 2）的超聲波（見圖1），可以探測出2個(gè)不同的深度，其中高頻超聲波測得的是實(shí)際水深，低頻超聲波測得的是包含淤泥層的“水深”，兩者之間的差值即為該測點(diǎn)的淤泥厚度。

圖1 雙頻測深技術(shù)工作原理圖

2 試點(diǎn)應(yīng)用

本項(xiàng)目試點(diǎn)選擇舟山市某水庫，水庫為心墻土壩，集雨面積1.94 km2，總庫容85.000萬m3，正常庫容76.100萬m3，正常水位55.00 m，最大壩高27.5 m，壩頂長230.0 m，壩頂寬5.8 m，是一座以供水兼農(nóng)業(yè)灌溉為主的?。?）型水庫，涉及下游上萬人的飲用水水源。

本項(xiàng)目實(shí)施采用中海達(dá)HD - 380雙頻測深儀與移動(dòng)基站式網(wǎng)絡(luò)GPS - RTK聯(lián)合作業(yè)的方式進(jìn)行[3]。測深儀高頻200 kHz，低頻20 kHz，測深精度±10 mm + 0.1% h，分辨率1 cm，聲速調(diào)整范圍1 370 ～ 1 700 m/s。數(shù)據(jù)采集前，校正RTK參數(shù)并與雙頻測深儀聯(lián)機(jī)調(diào)試。在靜水條件下，采用比對板對雙頻測深儀測量水深進(jìn)行比對，通過調(diào)節(jié)測深儀聲速，確保測量深度在誤差范圍內(nèi)。為獲得可靠的測量成果，項(xiàng)目實(shí)施中設(shè)置相對較密集的測線，將整個(gè)庫區(qū)劃分為若干個(gè)區(qū)塊，測線間距10.0 ～ 20.0 m，共布設(shè)27條測線。數(shù)據(jù)采集時(shí)，將測深儀換能器固定在船尾，采用人工手劃船，避免馬達(dá)對聲波傳播的干擾，并按照預(yù)設(shè)的測線每間隔1.0 m進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共采集2 729個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)（見圖2），通過測深軟件實(shí)時(shí)保存水深測量圖像。

圖2 庫區(qū)測線測點(diǎn)分布圖

由于水下環(huán)境比較復(fù)雜，測量時(shí)聲波的傳播與反射過程會(huì)受到水草等生物以及雜物、懸浮物的影響，從而出現(xiàn)一些異常數(shù)據(jù)。因此，在水庫庫容和淤積量計(jì)算前，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。庫容、淤積量計(jì)算采用局部到整體的方案，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，將整個(gè)庫區(qū)劃分為31個(gè)網(wǎng)格區(qū)塊。對每個(gè)區(qū)塊的水深和淤泥厚度進(jìn)行歸一化計(jì)算，即將區(qū)塊內(nèi)所有測點(diǎn)的水深、淤泥厚度通過積分的方法求平均值，作為該區(qū)塊的平均水深和平均淤泥厚度，根據(jù)計(jì)算所得的分塊面積，得出該區(qū)塊的水庫庫容和淤泥淤積量。最后由局部到整體，計(jì)算出整個(gè)水庫的總庫容和總淤積量，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 雙頻測深技術(shù)水庫庫容、淤積量計(jì)算表（水位53.67 m）

3 成果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)雙頻測深技術(shù)水庫淤積量測量成果的準(zhǔn)確性，在水庫放空后，采用RTK系統(tǒng)分別在水庫清淤前、清淤后進(jìn)行地形測量。將整個(gè)庫底劃分為若干個(gè)區(qū)塊，共布設(shè)25個(gè)測量斷面。測點(diǎn)均分布于水庫庫底，獲取各點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，其中清淤前采集1 960個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，清淤后采集1 752個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)RTK系統(tǒng)采集的清淤前、后庫底高程值，計(jì)算出每個(gè)清淤斷面面積。在同一區(qū)塊內(nèi)，對2個(gè)測量斷面的清淤面積插值，作為該區(qū)塊的平均清淤斷面面積，最后根據(jù)斷面間距計(jì)算得出每個(gè)區(qū)塊的淤積量，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 RTK地形測量水庫淤積量計(jì)算表

在水庫清淤完成后，對施工單位清淤的實(shí)際方量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)際清淤量為1.600萬m3。各種測量方法所得水庫庫容及淤積量見表3。

表3 三種測量方法的水庫淤積量對比表

（1）通過清淤前、后2次實(shí)地RTK地形測量，水庫淤積量為1.590萬m3，雙頻測深技術(shù)所測淤積量1.570萬m3與其相差0.020萬m3，誤差-1.3%。

（2）根據(jù)施工單位實(shí)際清淤方量統(tǒng)計(jì)，水庫淤積量為1.600萬m3，雙頻測深技術(shù)所測淤積量1.570萬m3與其相差0.030萬m3，誤差-1.9%。

（3）根據(jù)水庫水位 — 庫容曲線，當(dāng)水庫水位53.67 m時(shí)，水庫的參考庫容為66.950萬m3。若將RTK地形測量的淤積量1.590萬m3作為水庫的實(shí)際淤積量，則該水位時(shí)水庫實(shí)際庫容為65.360萬m3，雙頻測深技術(shù)所測庫容65.420萬m3與其相差0.060萬m3，誤差 + 0.1%。若將實(shí)際清淤量1.600萬m3作為水庫的實(shí)際淤積量，則該水位時(shí)水庫實(shí)際庫容為65.350萬m3，雙頻測深技術(shù)所測庫容65.420萬m3與其相差0.070萬m3，誤差 + 0.1%。

從上述成果驗(yàn)證結(jié)果可以得出，雙頻測深技術(shù)所測水庫淤積量與清淤前后實(shí)地RTK地形測量、實(shí)際清淤量的結(jié)果基本吻合，雙頻測深技術(shù)所測水庫庫容與水位 — 庫容曲線較符合，水庫庫容及淤積量測量誤差均在可接受的范圍內(nèi)，證明該項(xiàng)技術(shù)在水庫淤積測量中具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié) 語

通過試點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)用，雙頻測深技術(shù)體現(xiàn)了設(shè)備輕便、操作簡單、數(shù)據(jù)處理簡便、工作高效等特點(diǎn)，在水庫等水利工程的淤積量測量、水底地形測量、水庫庫容測量等方面效果明顯、成果可靠，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。但是，在應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足：①由于發(fā)射頻率有限，對于淤泥層較厚的情況，其穿透能力較有限，測得的實(shí)際淤積量相對于真實(shí)情況偏??；②在水深較淺的區(qū)域進(jìn)行測量時(shí)，回波信號密集雜亂，對淤積層判斷存在一定困難，從而影響測量結(jié)果，因此不適用于淺水區(qū)域（如水深＜1.00 m）的測量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 章思亮，胡方濤，宋術(shù)偉，等.淺層剖面儀在河道淤泥測量中的應(yīng)用分析[J].工程勘察，2017(3)：69 - 73.

[2] 張惟河，梁思明，楊仁輝.測掃聲吶和淺地層剖面儀在表層淤泥探測中的應(yīng)用[J].港工技術(shù)，2014，51(5)：86 - 91.

[3] 湯興亮，崔華偉，徐同善.一種基于雙頻測繪無人船的淤泥厚度出圖方法[J].現(xiàn)代測繪，2017，40(4)：46 - 48.