基于不同聲波頻率的底泥探測技術(shù)研究

張 杰 ，張坤軍 ，陳佳兵，李京兵

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

底泥是河湖庫塘等水域底部淤積土的總稱，主要為淤泥土。淤泥土類是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，或伴有生物化學(xué)作用形成的粘性土，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0[1]。通常，當(dāng)河湖庫塘淤積存量較大時，它將直接影響水環(huán)境質(zhì)量、行洪能力和通航安全，因此對底泥進(jìn)行探測調(diào)查，對于海岸工程、水利工程等基礎(chǔ)建設(shè)具有重要意義。目前，底泥探測方法主要有靜力觸探法、鉆孔取樣法、聲學(xué)探測法和放射線測量法[2]。靜力觸探法、鉆孔取樣法受限于單點(diǎn)測定，無法進(jìn)行連續(xù)測量，在效率和作業(yè)成本上具有很大劣勢。聲學(xué)探測法具有低成本、高效率、高精度的優(yōu)點(diǎn)，是目前水下勘探和調(diào)查中應(yīng)用最為廣泛的探測方法[3]。聲波相較于電磁波在水中的衰減程度最小[4]，將其應(yīng)用于近海、江河、湖泊的底泥探測有助于提高作業(yè)效率與精度，為海洋工程建設(shè)、港口航道清淤、水利工程建設(shè)等提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐[5]。

底泥探測一直是水下底質(zhì)探測領(lǐng)域的一個難題，國外相關(guān)文獻(xiàn)研究資料較少，國內(nèi)研究人員主要利用聲學(xué)設(shè)備進(jìn)行淤泥厚度的探測。謝津平[2]利用Silas系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對太湖湖底淤泥密度的劃分，進(jìn)而測量了太湖湖底淤泥量；張惟河等[6]將側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀相結(jié)合，探索在淤泥厚度和密度較大的科倫坡進(jìn)行淤泥測量的方法，結(jié)果表明，該方法對于表層厚度較小的淤泥分辨能力較弱；張俊等[7]利用雙頻測深儀與泥沙溶重測試儀配合使用，對長江口深水航道地區(qū)的底部淤泥質(zhì)土分布情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)地驗(yàn)證測試研究，結(jié)果表明低頻（33 kHz）聲波相較高頻（210 kHz）聲波具有更強(qiáng)的穿透力，但在遇到14 kN/m3的重土?xí)r也無法穿透；郭發(fā)濱等[8]通過對雙頻測深儀的聲波透射信號的分析和地質(zhì)取樣資料的對比，驗(yàn)證了利用雙頻測深儀進(jìn)行海底淺層物質(zhì)類型判別的可行性；王寶成等[9]，柯勰等[10]在水庫利用雙頻測深儀實(shí)現(xiàn)了水底淤泥厚度的測量，并驗(yàn)證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；楊姍[11]采用SES-96參量陣測深-淺地層剖面儀實(shí)現(xiàn)了港池的浮泥清淤測量。目前，國內(nèi)研究人員對聲學(xué)設(shè)備的不同聲波頻率與其底泥穿透能力間的關(guān)系研究較少，本文將通過實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，研究兩者間的相互關(guān)系，為典型水域（濱海、河道、水庫）的底泥探測提供技術(shù)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 技術(shù)原理

聲波由發(fā)射換能器發(fā)射穿過水體觸及河床時，因?yàn)槁曌杪试谒w中和水底界面的不同，造成了聲波的反射，由接收換能器接受反射波，通過測定聲波在水中的傳播時間[12]，按式（1）計(jì)算反射界面相對于換能器的距離（H）：

式中：t1,2,…,n表示各反射界面對應(yīng)的聲波傳播時間；ν表示聲波傳播速度。

高頻聲波受散射衰減影響大，穿透力弱，遇到河床容易產(chǎn)生反射，低頻聲波在軟質(zhì)水底中傳遞則相對復(fù)雜，其受散射衰減影響較小，且其能量遠(yuǎn)大于高頻聲波，因而具有更強(qiáng)的穿透性，能穿透松軟底泥并產(chǎn)生反射，所以低頻聲波在垂直水底方向可出現(xiàn)多個反射波。測定不同反射波在地層內(nèi)的傳播時間，可確定每一層的厚度[13]，如圖1所示。到達(dá)分界面的聲波能量與到達(dá)該分界面之前的聲波的衰減有關(guān)，反射能量大小由反射系數(shù)決定，反射系數(shù)R為：

式（2）中：ρ1ν1，ρ2ν2分別表示上、下兩層介質(zhì)密度和聲速的乘積（即聲阻率），當(dāng)相鄰兩層介質(zhì)存在一定聲阻率量差，就容易形成反射界面[13]。在一定范圍內(nèi)，底泥的天然含水率ω與密度ρ和聲速ν存在關(guān)聯(lián)性，通常當(dāng)含水率越大時，密度和聲速越小，當(dāng)含水率越小時，密度和聲速越大[14]。本文采用含水率作為綜合反映各底泥分層密度和聲速變化的指標(biāo)。

圖1 聲學(xué)探測設(shè)備工作原理示意圖

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

本文分別在濱海（浙江省舟山市金塘島灰鱉洋附近）、河道（浙江省杭州市區(qū)中河附近）、水庫（浙江省新昌縣長詔水庫），利用不同頻率聲學(xué)設(shè)備進(jìn)行定點(diǎn)底泥穿透試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

底泥主要由淤泥土類組成，淤泥土類根據(jù)孔隙比或含水量分為淤泥質(zhì)土、淤泥、流泥、浮泥。淤泥土類的分類見表1[1]。本文選擇12 kHz，24 kHz，33 kHz和200 kHz共4組聲波頻率進(jìn)行底泥穿透試驗(yàn)，各聲波頻率對的應(yīng)聲學(xué)設(shè)備見表2。以200 kHz頻率作為測深參考基準(zhǔn)，計(jì)算各頻率測深數(shù)據(jù)與200 kHz頻率測深數(shù)據(jù)的差值，即為各頻率聲波穿透深度，并采用測深桿校核儀器200 kHz測深數(shù)據(jù)，校核結(jié)果顯示，測深桿讀數(shù)與儀器200 kHz高頻測深讀數(shù)誤差不超過3 cm。每次試驗(yàn)均選擇河床平坦、底泥狀態(tài)穩(wěn)定的水域，根據(jù)測點(diǎn)水深情況統(tǒng)一確定測深儀換能器安裝方式，將雙頻測深儀（頻率12/200 kHz，24/200 kHz，33/200 kHz）換能器垂直安裝，對同一點(diǎn)進(jìn)行深度數(shù)據(jù)采集，之后對同一地點(diǎn)利用定深采樣鉆采集底泥柱狀樣，并在實(shí)驗(yàn)室按5～10 cm間隔分層對采集的底泥柱狀樣進(jìn)行含水率檢測。

表1 淤泥土類的分類

表2 試驗(yàn)參數(shù)及設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 底泥柱狀采樣檢測結(jié)果

表3為舟山市金塘島灰鱉洋附近底泥柱狀樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)所取的底泥樣品目力鑒別，底泥整體呈灰黃色，表部10 cm左右含水率極高，明顯沁水呈油脂光澤，12 cm以下局部含條帶狀黑色有機(jī)物，厚度0.2～0.5 cm左右，其中50～55 cm處有機(jī)質(zhì)含量高，底泥顆粒細(xì)膩、手感粘糊，隨著深度增加，硬度明顯有所增加。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，0.5 m以上主要以流泥為主，0.5 m以下主要以淤泥為主，且均為超軟土（ω＞70%以上）。

表3 濱海淤泥室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

表4為杭州市區(qū)中河附近底泥柱狀樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)目力鑒別，底泥整體為灰色夾黑色有機(jī)物，沉積粒徑較細(xì)，有氣孔，比較松軟。土層0～0.25 m為污染底泥層，以灰黑色為主，土質(zhì)非常松軟，土性以浮泥為主，含較多腐殖質(zhì)，有腐臭味；0.25～0.60 m為污染過渡層，灰色夾條帶狀黑色有機(jī)物，具明顯層理，有氣孔，比較松軟，土性以流泥為主；0.60～0.95 m為無污染層，主要以灰黃色為主，具層理，局部有孔洞，土性以流淤泥為主?？傮w上土層為超軟土。

表4 河道泥室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

表5為新昌縣長詔水庫底泥柱狀樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)目力鑒別，底泥整體為灰色夾黑色有機(jī)物，沉積粒徑較細(xì)，有氣孔，比較松軟。土層0～0.30 m為污染底泥層，以灰黑色為主，土質(zhì)非常松軟，土性以浮泥為主，含較多腐殖質(zhì)，有腐臭味，表層含絮狀懸浮物質(zhì)；0.30～1.00 m為污染過渡層，灰色夾條帶狀黑色有機(jī)物，具明顯層理，有氣孔，比較松軟，土性以流泥為主。

表5 水庫底泥室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 測深數(shù)據(jù)結(jié)果

選取 12 kHz，24 kHz，33 kHz 3 組頻率聲波的部分測深數(shù)據(jù)樣本，以200 kHz測深數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分別計(jì)算各低頻測深數(shù)據(jù)與它的差值，進(jìn)行樣本統(tǒng)計(jì)，即得到12 kHz，24 kHz，33 kHz聲波相對于200 kHz聲波的穿透深度（見表6）。

表6 各試驗(yàn)區(qū)域底泥穿透深度

在濱海水域，33 kHz聲波穿透底泥深度約0.09～0.17 m，平均值為0.14 m；24 kHz聲波穿透底泥深度約0.14～0.29 m，平均值為0.21 m；12 kHz聲波穿透底泥深度約0.59～0.69 m，平均值為0.64 m。

在河道區(qū)域，33 kHz聲波穿透底泥深度約0.04～0.06 m，平均值為0.05 m；24 kHz聲波穿透底泥深度約0.11～0.17 m，平均值為0.14 m；12 kHz聲波穿透底泥深度約0.56～0.57 m，平均值為0.57 m。

在水庫區(qū)域，33 kHz聲波穿透底泥深度約0.13～0.24 m，平均值為0.18 m；24 kHz聲波穿透底泥深度約0.32～0.48 m，平均值為0.42 m；12 kHz聲波穿透底泥深度約0.55～0.96 m，平均值為0.70 m。

各試驗(yàn)區(qū)底泥穿透深度與柱狀樣檢測結(jié)果對比見圖2～圖4。圖中3處垂向黑色虛線分別對應(yīng)含水率數(shù)值55、85和150，分別為文獻(xiàn)[1]中淤泥質(zhì)土、淤泥、流泥、浮泥之間的分類界限，紅色曲線為底泥柱狀樣分層檢測得出的底泥含水率與底泥穿透深度關(guān)系曲線。

圖2 濱海底泥穿透深度與柱狀樣檢測結(jié)果對比

圖3 河道底泥穿透深度與柱狀樣檢測結(jié)果比對

圖4 水庫底泥穿透深度與柱狀樣檢測結(jié)果比對

3 分析與討論

分析圖2～圖4可知，濱海區(qū)域底泥含水率位于70%～120%之間，總體變化幅度較小，但分層之間含水率波動較大。河道區(qū)域底泥含水率位于70%～270%之間，總體變化幅度較大，但分層之間含水率波動相對較小。水庫區(qū)域底泥含水率位于90%～360%之間，總體變化幅度較大，但曲線較平滑，表明分層之間含水率幾乎無波動。而含水率又與界面聲阻率相關(guān)，進(jìn)而直接影響不同分層間的反射系數(shù)，對聲學(xué)設(shè)備在不同水域底泥探測的結(jié)果產(chǎn)生影響。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不同區(qū)域，同一頻率聲波的反射區(qū)間所對應(yīng)的底泥含水率差異較大，在濱海區(qū)域?qū)?yīng)的底泥含水率最低，水庫區(qū)域次之，河道區(qū)域最高。在同一區(qū)域，隨著聲波頻率的降低，聲波反射區(qū)間對應(yīng)的底泥含水率也相應(yīng)減小，說明聲波頻率越低，其穿透能力越強(qiáng)。

4 總結(jié)

本文利用不同頻率的聲波在3種典型水域進(jìn)行底泥穿透試驗(yàn)，以實(shí)例數(shù)據(jù)對比分析了在不同區(qū)域不同頻率聲波的穿透能力，可以看到，隨著聲波頻率的降低，其底泥穿透能力隨之增強(qiáng)，符合聲波物理原理。12～33 kHz頻段聲波可穿透河床到達(dá)浮泥、流泥層，在濱海水域中可穿透部分淤泥層。

濱海水域垂直方向上底泥含水率在分層之間波動最大，水庫中底泥含水率在分層之間波動最小，因此聲學(xué)設(shè)備更容易在濱海水域中獲得清晰的反射層理，河道次之，在水庫中則不明顯。對于水下底泥探測作業(yè)，12 kHz頻率的雙頻換能器相比24 kHz和33 kHz具有更強(qiáng)的穿透能力，可滿足浮泥、流泥及部分淤泥層的探測。