SILAS系統(tǒng)在福建東張水庫淤泥監(jiān)測中的應(yīng)用研究

王露　靳麗萍　李濤

摘要：為了解福建福清市東張水庫淤泥的密度及分布情況，利用基于SILAS系統(tǒng)的淤泥密度測量技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場測量和分析。Densitune密度計(jì)在3條SILAS測線上均勻采集密度點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過選擇不同數(shù)量和位置的密度點(diǎn)數(shù)據(jù)參與SILAS走航數(shù)據(jù)的密度分層計(jì)算，來分析最優(yōu)的密度點(diǎn)采集位置和點(diǎn)位數(shù)量。利用SILAS系統(tǒng)和密度計(jì)開展淤泥密度的測量和分析工作，可高效獲取測區(qū)的淤泥厚度和分布情況。分析數(shù)據(jù)表明：納入密度分層計(jì)算的密度點(diǎn)位淤泥越厚，點(diǎn)位分布越均勻，點(diǎn)位數(shù)量越多，淤泥的密度分層精度越高。研究成果可為水庫及河湖等水域的淤泥研究提供數(shù)據(jù)采集和分析方法。

關(guān)鍵詞：水庫淤泥監(jiān)測;淤泥密度測量;SILAS系統(tǒng);采集與匹配;東張水庫;福建

中圖法分類號：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019. 10.009

1 研究背景

福建省福清市東張水庫于1958年12月建成蓄水。壩址位于石竹山下的龍江中游，是一座以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、源水供應(yīng)為主，結(jié)合發(fā)電、旅游等綜合開發(fā)利用的大型水庫。水庫東側(cè)主要為斜陡坡，有大量大孤石;水庫北側(cè)、西側(cè)及南側(cè)西半部分地勢較平緩，植被較茂盛，多以雜草為主，靠近水源部分有沼澤;水庫南側(cè)東半部主要為斜陡坡，由大量小碎石組成。鑒于東張水庫復(fù)雜的自然地理?xiàng)l件，對其淤泥密度和厚度的研究成果可推廣應(yīng)用至同類型水庫中。

為了解水庫多年淤積情況，認(rèn)識底泥及底質(zhì)的現(xiàn)狀，并將傳統(tǒng)的淤泥厚度量測轉(zhuǎn)化為對淤泥密度的空間分析，加之密度是地形法和輸沙量法計(jì)算水庫淤積的重要轉(zhuǎn)換參數(shù)，因此開展庫區(qū)淤泥密度觀測工作非常必要。而淤泥密度觀測對水庫及河湖的淤泥研究及生態(tài)清淤的標(biāo)準(zhǔn)確定也有著重要的意義，水庫底泥是水庫生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是入庫物質(zhì)如有機(jī)質(zhì)、污染物等的蓄積庫，也是水土界面物質(zhì)進(jìn)行物理、化學(xué)、生物性交換的地帶，因此開展水庫底泥密度的研究，對提升庫區(qū)的有效保護(hù)、科學(xué)管理起著積極作用[l-3]。S的管子內(nèi)介質(zhì)密度為r）相當(dāng)于電路中的電感;聲容類似于電容;聲壓類似于電壓;體積速度類似于電流等?；诼晫W(xué)和電學(xué)存在的基本對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可用電路的物理量，通過A/D轉(zhuǎn)換，量化和量測聲波的各個(gè)物理量[4-5]。SILAS系統(tǒng)利用普通回聲測深儀向水底發(fā)射低頻聲學(xué)信號，聲波到達(dá)水底后，部分聲波被反射而另一部分聲波將穿透水底。反射強(qiáng)度和透射強(qiáng)度取決于水底沉積層不同介質(zhì)的密度變化。密度變化對應(yīng)的是介質(zhì)的特性阻抗變化，根據(jù)上面的內(nèi)容可知，反射強(qiáng)度R、入射角和傳播速度都可以通過電路直接或間接量測得到。因此，可獲得聲波反射強(qiáng)度的比值，即與密度梯度之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可對密度梯度進(jìn)行定量化處理[6-7]。經(jīng)過量化的密度梯度結(jié)合Densitune密度計(jì)獲得的代表點(diǎn)（標(biāo)定點(diǎn)）絕對密度，建立起絕對密度與密度梯度的之間的對應(yīng)關(guān)系[8-9]，即獲得了絕對密度與聲波反射強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，從而提取航線上相應(yīng)密度值曲線。根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范或規(guī)定，確定底泥厚度。SILAS系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 密度儀的標(biāo)定

現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時(shí)直接調(diào)用廠方校正好的密度校正文件是Densitune密度計(jì)使用過程中常出現(xiàn)的誤區(qū)，然而因?yàn)椴煌瑓^(qū)域底質(zhì)成分構(gòu)成及流變特性存在差異，調(diào)入不適用的校正文件會導(dǎo)致采集的密度特征點(diǎn)數(shù)值產(chǎn)生誤差。因此，密度儀的標(biāo)定是SI-LAS系統(tǒng)按密度劃分淤泥的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在測量區(qū)域內(nèi)挖取底泥，使用稱重法進(jìn)行現(xiàn)場淤泥密度標(biāo)定。標(biāo)定完成后，采用同樣的方法測量稱重法調(diào)制的固定密度的泥漿，統(tǒng)計(jì)精度如表1所示。

由表1可知，Densitune泥漿密度儀的測量中誤差為+5.32 g/L，其相對誤差不大于0.5%的樣本有15個(gè)，占比75%，0.5% - 1%的樣本有5個(gè)，占比25%，沒有大于1%的樣本。最大誤差百分比為-0.85%，證明儀器具有良好的精度和穩(wěn)定性。

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

區(qū)域淤泥密度數(shù)據(jù)的獲取分為兩個(gè)步驟，第一步是SILAS系統(tǒng)采集淺地層的簡諧縱波的反射信號，并形成瀑布圖，第二步是采集特征點(diǎn)的密度數(shù)據(jù)[10-13]。

3.2.1 SILAS系統(tǒng)采集淺地層數(shù)據(jù)

以固定架設(shè)的GNSS基站為參考站，載有SILAS系統(tǒng)的測量船為流動(dòng)站，沿著計(jì)劃線行進(jìn)，行進(jìn)中利用差分定位系統(tǒng)和SILAS系統(tǒng)，連續(xù)獲取測量點(diǎn)的平面位置和高程，并記錄航線上水下地層信息[14]。

3.2.2 Densitune密度計(jì)采集特征點(diǎn)密度值

（1）由于可直接影響到淤泥表層及分層數(shù)據(jù)的相對基面深度數(shù)值，密度計(jì)采集數(shù)據(jù)前需要進(jìn)行深度和溫度校正。

（2）密度計(jì)特征點(diǎn)位的選擇原則是在SILAS數(shù)據(jù)采集以后，根據(jù)SILAS采集的瀑布圖選擇合適的點(diǎn)位。

（3）密度點(diǎn)位的數(shù)量原則是越多越好，數(shù)量越多，SILAS劃分的密度層越準(zhǔn)確。

（4）在具有代表性的庫區(qū)中選擇中間3條線，每條線均勻采集10個(gè)點(diǎn)，采用分類對比的方法進(jìn)行密度值誤差統(tǒng)計(jì)分析。

（5）庫區(qū)密度采樣點(diǎn)點(diǎn)位示意圖詳見圖2。

4 成果分析

4.1 庫區(qū)淤泥分布特點(diǎn)

從表2中可以看出，東張水庫淤泥厚度呈現(xiàn)區(qū)域性分布。庫區(qū)北部沼澤及南部地勢平緩區(qū)域淤泥層較厚，最大厚度為0.85 m，平均厚度為0.36 m，總體呈現(xiàn)出南、北區(qū)域比中間淤泥量大的趨勢，也正好符合庫區(qū)南北地勢平緩、沼澤多的特點(diǎn)。

4.2 密度采樣點(diǎn)選擇對密度分層精度的影響

選擇庫區(qū)中間3條SILAS走航測線，每條測線均勻采集10個(gè)密度采樣點(diǎn)，選取不同位置和數(shù)量的密度采樣點(diǎn)參與SILAS走航數(shù)據(jù)密度分層計(jì)算，未參與分層的密度點(diǎn)作為分層數(shù)據(jù)的外符合精度比對點(diǎn)。SILAS走航數(shù)據(jù)密度分層計(jì)算是將采集的密度點(diǎn)的各特征密度（1050，1250 g/cm和1 300 g/cm）分別標(biāo)定出來，然后將各個(gè)密度點(diǎn)的特征密度導(dǎo)人SILAS淺地層數(shù)據(jù)中參與整條測線的淤泥密度分層計(jì)算，并獲取測線特征密度（1 050，1 250 g/cm和1 300 g/cm）的相應(yīng)分層數(shù)據(jù)。本文以國內(nèi)普遍適用的適航水深密度1 300 g/cm3的數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)[15]，1 050 g/cm為淤泥表層密度，得到各點(diǎn)1 300 g/cm和1 050 g/cm密度對應(yīng)的深度差值所代表的淤泥厚度，即為該點(diǎn)的1 300 g/cm密度分層厚度。

以未參與分層密度點(diǎn)為真值的各點(diǎn)誤差曲線見圖3-5。

通過表3的淤泥采樣點(diǎn)中誤差統(tǒng)計(jì)表和3條斷面的誤差分布圖可以看出：

（1）參與分層計(jì)算的密度點(diǎn)數(shù)量越多，分層計(jì)算的密度值越接近于真值（密度儀實(shí)測數(shù)值）。

（2）參與分層計(jì)算的密度點(diǎn)淤泥厚度越大，分層計(jì)算的密度值精度越高。

（3）參與計(jì)算的密度點(diǎn)數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)（本項(xiàng)目以4個(gè)為例），增加參與分層計(jì)算的密度點(diǎn)數(shù)量對整體測線密度分層的精度提高效果不明顯。

（4）參與分層計(jì)算的密度點(diǎn)分布越均勻，分層計(jì)算的密度值精度越高。

由上述的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出3種提高密度分層精度的方法：①增加參與分層計(jì)算密度點(diǎn)的數(shù)量;②選擇淤泥厚度大的參與分層的密度點(diǎn);③選擇均勻分布的參與分層的密度點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文通過SILAS走航式淤泥測量系統(tǒng)在東張水庫的實(shí)際應(yīng)用研究，得出以下結(jié)論。

（1）利用SILAS淤泥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開展庫區(qū)的淤泥觀測工作，可以高效地獲取測區(qū)的淤泥厚度和分布情況。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，東張水庫平均淤泥厚度為0.36 m。

（2）庫區(qū)、河湖等靜態(tài)水域的淤泥分布與地形地勢關(guān)系密切，沼澤、平坦地區(qū)較陡峭地勢區(qū)域淤泥厚度大。

（3）在準(zhǔn)確確定淤泥分布的情況下，分析了密度采樣點(diǎn)的選擇對分層精度的影響，提出了一種提高分層精度的可靠的密度采樣點(diǎn)選擇方法，有助于提高走航式SILAS密度數(shù)據(jù)的分層精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝津平.應(yīng)用Silas技術(shù)測量太湖湖底淤泥[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[2]龔聲勝，龔彥，熊偉.SILAS適航水深系統(tǒng)在連云港港口測量中的應(yīng)用[J].科技信息，2010，12（3）：23-25.

[3]亢文強(qiáng)，謝津平，魯志文.SILAS系統(tǒng)在太湖湖底淤泥調(diào)查中的應(yīng)用[J"地質(zhì)找礦論叢，2005，20（4）：17-18.

[4]許寶華，王真祥，象山港進(jìn)港航道外干門淺段試挖槽浮泥觀測研究[J].人民長江，2009，40（22）：29-31.

[5]劉大偉，王真祥，薛劍鋒.基于SILAS適航水深測量系統(tǒng)的試挖航道淤泥實(shí)測研究[J].測繪通報(bào)，2012（S）：700-703.

[6] 牛桂芝，裴文斌.三爪砣測量適航水深技術(shù)分析與對策[J].水道港口，2006，27（4）：265-268.

[7]牛桂芝，沈小明，裴文斌.SILAS適航水深測量系統(tǒng)測試研究[J].海洋測繪，2003（5）：24-27.

[8]程和森，魏明成，王順中，等，用γ-射線方法觀測甌江口浮泥容重分布和泥沙沉降固結(jié)[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2004.

[9]王志東.Silas和Densitune系統(tǒng)在航道工程中的應(yīng)用[J].港口技術(shù)，2011. 48（1）：10-11.

[10] 錢平生，天津港適航水深下界面淤泥容重值確定與適航水深測量[J].海洋測繪，2002，22（3）：35-39.

[11] 時(shí)鐘.杭州灣深水航道浮泥的觀測[J].海洋通報(bào)，2001，20（6）：40-50.

[12]陳鈞，萬軍，施衛(wèi)星.雙頻測深儀測深研究[J].海洋測繪，2008，18（2）：32-33.

[13]張俊，顧亞平，查雨，等.雙頻測深儀對淤泥層測定的研究[J]儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，14（2）：16-18.

[14]牛桂芝，裴文斌，三爪砣測量適航水深技術(shù)分析與對策[J].水道港口，2006，27（4）：265-268.

[15]JTJ 319-99疏浚工程技術(shù)規(guī)范[Sl.

（編輯：李曉瀠）