淺地層剖面儀在內陸淺水域淤積探測中的應用—以河、湖為例

張 杰 ，張坤軍 ，李京兵 ，陳尚州

（1.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008；2.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

淺地層剖面探測是利用聲波的傳播和反射特性來探測底床淺部地層結構和構造[1]。淺地層剖面儀的應用領域主要包括：近岸海域泥砂資源[2-3]和淺層氣調查[4-5]，地質環(huán)境調查，工程地質調查，海底管道檢測等。由此可知目前該技術手段主要應用于近海、航道以及河口區(qū)域，而在內陸淺水域（如河道、湖泊、水庫與山塘等）鮮有較全面的工程應用。

近幾年浙江省打響治污泥殲滅戰(zhàn)，全面清除河湖庫塘污泥，有效清除存量淤泥，恢復水域原有功能，實現(xiàn)河湖庫塘淤疏動態(tài)平衡。這其中首要工作就是開展河湖庫塘淤積情況調查，在此基礎上制定清污（淤）工作計劃和方案，督促指導各地因地制宜開展清污（淤）和淤泥處置，建立健全平原河網淤積監(jiān)測和輪疏工作機制。因此，淤積探測是清污（淤）工程的重要環(huán)節(jié)。

綜合考慮各種淤泥厚度測量方法特點，探索一種高效、準確的淤泥厚度測量技術，嘗試使用聲學探測中的淺地層剖面探測法獲取底泥剖面聲吶圖像，結合專業(yè)取樣裝置采集典型點位底泥柱狀樣，并進行物理性質分析，從而進行聲吶圖像分層標定，最終實現(xiàn)河湖庫塘淤積勘測目的。

2 淺剖探測技術

2.1 淺地層剖面儀工作原理

淺地層剖面探測是一種基于水聲學原理，以連續(xù)走航方式探測淺部地層結構和構造的地球物理方法[6]。發(fā)射換能器按一定時間間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖，聲脈沖穿過水體觸及底床以后，部分聲能反射返回接收換能器；另一部分聲能繼續(xù)向地層深部傳播，同時回波陸續(xù)返回，傳播的聲能逐漸損失，直到聲波能量損失耗盡。

2.2 聲圖判讀要素

地層內部不同的物性組成表現(xiàn)在剖面上存在一定差異，它們的聲學特征歸納如下[7]。

（1）流泥：界面不清晰，呈棉絮狀；聲學圖像表現(xiàn)為時隱時現(xiàn)，灰級小，下部白色。

（2）淤泥：含水率高，聲反射弱，界面清晰光滑，界面下部灰級小。

（3）黏土質：界面連續(xù)，局部有空隙。

（4）砂質：界面不連續(xù)，聲學圖像呈點狀和散射狀。

2.3 儀器介紹

近年來淺地層剖面采集主要采用線性調頻和非線性調頻2種方式，主要區(qū)別在于震源的能量和激發(fā)方式不同[8]。本次剖面數據獲取采用美國EdgeTech公司3100P型淺地層剖面儀，該系統(tǒng)采用全頻譜線性調頻技術，寬帶調頻（FM），頻率范圍2 ～ 15 kHz，垂直分辨率6 ～ 10 cm。系統(tǒng)主要由水下單元216S拖魚、3100P便攜式甲板處理器和數據采集電腦構成。該系統(tǒng)通過發(fā)射一個線性掃頻調制脈沖，聲脈沖穿過水體觸及底床，不同地層聲反射信號由水聽器線列陣接收，通過脈沖壓縮濾波，產生底床地層的高分辨率圖像。

2.4 數據采集處理

導航定位采用Hypack軟件進行，接入GPS信號，按一定距離設定定標間隔，并將該定標觸發(fā)信號通過內存共享傳輸至淺剖系統(tǒng)，以此實現(xiàn)定位和淺剖的同步定標，數據采集流程示意見圖1。

圖1 淺剖系統(tǒng)數據采集流程圖

在探測過程中，若航速過小，不易操作測船；航速過大，采集的數據質量相對較差。綜合參考儀器性能指標和測區(qū)實際情況，航速應控制在4 kn以內。

數據采集過程中，Hypack軟件按照一定距離間隔控制淺剖定標，同步記錄的定標文件中包含定標點坐標信息，因此根據淺剖圖像上的定標號就可以確定該定標點實際位置。同時由于各地層在聲波發(fā)生反射時體現(xiàn)出不同的聲圖特性，技術人員可在聲吶剖面圖像上按各定標點依次判讀出不同分層相對于底床的深度，從而獲得淤積厚度三維數據。最終根據獲取的大量測點數據，并結合測區(qū)水系平面分布等資料，通過ArcMap等軟件構建測區(qū)淤積三維模型，并計算淤積方量和繪制淤泥分布圖。

3 實地應用

3.1 杭州市義南橫河

測區(qū)河道寬約25.00 m，通過插桿初探河道中部水深約2.00 m，淤積厚度0.50 ～ 0.80 m，為典型平原河網地區(qū)水系。作業(yè)現(xiàn)場淺剖數據采集平臺和維克鉆機采集的底泥柱狀樣見圖2。從淺地層剖面探測圖像（見圖3）可以得出：底泥呈平行層理結構分層，層位連續(xù)性較好；探測深度范圍內可細分數層，其中表層底泥厚度約0.30 m，向下可依次判讀3 ～ 4個層位，各層位厚度介于0.20 ～ 0.30 m。

圖2 淺剖數據和底泥柱狀樣采集現(xiàn)場圖

圖3 3號點位淺地層剖面探測聲吶圖

結合該測線3號點位柱狀樣現(xiàn)場鑒別和土工試驗結果（見表1），并參考JTJ/T 320 — 96《疏浚巖土分類》中淤泥土類分類標準，可知：表層至表層以下0.30 m底泥呈灰黑色，不可塑，含水率大于85.0%，屬于流泥；表層以下0.30 ～ 0.70 m底泥呈灰色，可塑，含水率55.0% ～85.0%，屬于淤泥；表層以下0.70 ～ 0.90 m底泥呈黃灰色，可塑，含水率小于55.0%，屬于淤泥質土，該層底泥非本次清淤重點。

表1 3號點位柱狀樣土工試驗成果表

通過比對得出淺地層剖面探測圖像分層成果與柱狀樣土工試驗結果基本吻合，采用該點位柱狀樣土工試驗結果對淺剖探測數據進行標定，可以通過判圖得到其余點位淤泥厚度數據。

3.2 嘉興市蓮泗蕩湖

蓮泗蕩位于浙江省嘉興市北郊，水域面積266.67 hm2，是古太湖的遺存。通過插桿初探湖蕩水深1.00 ～ 3.00 m，淤積厚度0.50 ～ 1.00 m，為典型平原河網地區(qū)水系。

以5號取樣點位附近數據為例，該區(qū)域剖面聲吶圖像見圖4，5號點位柱狀樣土工試驗結果見表2。由圖4可知，探測深度范圍內能清晰判讀2個地層分層界面，界面連續(xù)性較好，其將測區(qū)底泥劃分為上、中、下3層。其中上層聲圖灰級小，下部呈白色，厚度約0.18 m，與表2中0.00 ～0.20 m為流泥的土工試驗結果相一致；中間層較上層灰級增大，聲反射相對集中，厚度約0.65 m，與表2中0.20 ～ 0.80 m為淤泥的土工試驗結果相吻合；下層灰級減小，參考表2中0.60 ～ 0.80 m，含水率為55.3%，可推測0.80 m深度以下底泥含水率小于55.0%，屬于淤泥質土。同理，可采用該點位柱狀樣土工試驗結果對淺剖探測數據進行標定，就能通過判圖得到其余點位淤泥厚度數據。

圖4 5號點位淺地層剖面探測聲吶圖

表2 5號點位柱狀樣土工試驗成果表

4 結 論

（1）針對浙江省“五水共治”河湖庫塘淤泥調查工作重點，選擇義南橫河和蓮泗蕩湖2個具有代表性的水域開展淺地層剖面淤泥厚度探測，得到的淺剖圖像清晰，分層層位連續(xù)性較好。

（2）分析義南橫河、蓮泗蕩湖底泥的剖面聲學特性，與各點位柱狀樣土工試驗結果比對一致，證明采用淺地層剖面儀進行淤泥厚度探測的技術科學可靠。

（3）淺水域淤泥厚度測量是水下探測領域的一個新難題，通過實地應用證明淺地層剖面探測結合柱狀樣物理性質分析的技術手段高效可行，該實施方案在浙江省“五水共治”河湖庫塘清污（淤）工作中具有較大應用價值。