四川省水庫庫底淤泥分布探測技術(shù)研究與分析

肖翔羅思敏江尚輝趙川

(1.四川省水利科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.廣安市生林建筑有限公司，四川 廣安 638099)

1 研究背景

我國已建成的水庫大部分的建設(shè)年代在20世紀(jì)70年代中后期，建成距今已50a以上。隨著庫區(qū)周邊所在市縣經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)程，庫內(nèi)綜合用水及其旅游開發(fā)、采砂等，使庫區(qū)周邊及其水下地形均起了較大變化。在20世紀(jì)80至90年代，有些水庫長年開展多種經(jīng)營活動，水庫周邊餐館林立，水面養(yǎng)魚網(wǎng)箱密布。由于沒有配套的雨污分流設(shè)施，致使這些分布在庫周邊的餐飲業(yè)廢物水直接入庫，污染了庫內(nèi)水體；網(wǎng)箱養(yǎng)魚投放飼料、藥劑時(shí)，會產(chǎn)生糞便溶出沉積、分泌物溶出沉積、餌料溶出沉積，在給水體造成污染的同時(shí)，這些溶出沉積落淤庫底，使水質(zhì)逐年下降[1-3]。

由于入庫污染的長期積累，湖庫底部淤泥成分復(fù)雜，含有有機(jī)污染物、重金屬以及營養(yǎng)物質(zhì)，不僅影響湖庫水質(zhì)狀況，還會對湖庫周邊環(huán)境造成不良影響，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。除此之外，水庫淤積會產(chǎn)生一系列的問題：會導(dǎo)致庫容損失、水庫設(shè)計(jì)功能削弱，影響工程正常效益發(fā)揮；水庫淤積的維護(hù)成本負(fù)擔(dān)和危害不斷加重，加速了工程報(bào)廢；增加安全隱患，危及工程安全[4-6]。

2012年，水利部、國家發(fā)改委組織有關(guān)專家召開水庫清淤座談會，建議將水庫清淤作為水庫日常運(yùn)行管理工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。2015年12月，水利部大壩安全管理中心在調(diào)研的基礎(chǔ)上，研究編制了《全國水庫清淤專項(xiàng)規(guī)劃前期研究報(bào)告》，提出應(yīng)遵循“輕重緩急”原則，呼吁將水庫清淤納入財(cái)政專項(xiàng)補(bǔ)助。四川省水利廳積極申報(bào)，將“四川省水庫淤積治理及水源保護(hù)試點(diǎn)”納入了“省委全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組2016年改革工作臺賬”。2018年6月中共中央國務(wù)院在《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》中強(qiáng)調(diào)“著力打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)”，要深入實(shí)施水污染防治行動計(jì)劃，扎實(shí)推進(jìn)河長制、湖長制，堅(jiān)持污染減排和生態(tài)擴(kuò)容兩手發(fā)力，加快工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染源和水生態(tài)系統(tǒng)整治，保障飲用水安全，消除城市黑臭水體，減少污染嚴(yán)重水體和不達(dá)標(biāo)水體。

2 研究方法

2.1 水庫現(xiàn)狀及需求調(diào)研分析

充分調(diào)研四川省大中小型水庫的淤積現(xiàn)狀，收集并分析資料，選擇試驗(yàn)區(qū)。收集試點(diǎn)水庫的基本資料、歷史資料，分析其污染源，并形成治理方案與對策。

2.1.1 網(wǎng)箱養(yǎng)魚污染源

四川省水庫自發(fā)展網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)至取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖，歷經(jīng)了多年的集約化規(guī)模養(yǎng)殖，養(yǎng)殖期間每年向水庫投放魚飼料，魚糞和飼料直接進(jìn)入水庫水體。

魚糞飼料排放量計(jì)算公式：

T=∑ki

(1)

式中，K=a×0.75+a×0.05=0.8a，i=1,2,...,T；a為每年投放魚飼料總量；T為自發(fā)展網(wǎng)箱養(yǎng)殖至取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖總年份。

2.1.2 庫區(qū)居民生產(chǎn)生活污染源

水庫周邊居民的生活垃圾、生活污水往水庫排放，嚴(yán)重污染水庫水源。

生活污水排放量計(jì)算公式：

Qs=Kq1V1/1000

(2)

式中，Qs為生活區(qū)污水排放量，t·d-1；q1為每人每天生活污水量定額；V1為生活區(qū)人數(shù)，人；K為污水排放系數(shù)，一般為0.6～0.9，北方取小值，南方取大值。

生活垃圾排放量計(jì)算公式，參照CJ/T 106-2016生活垃圾產(chǎn)生量計(jì)算及預(yù)測方案。

2.1.3 水庫漂浮物污染源

引水渠道經(jīng)過沿途城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)帶來漂浮物，水庫消落區(qū)農(nóng)作物秸稈、景區(qū)內(nèi)農(nóng)家樂、游客、庫區(qū)百姓和釣魚人員帶來的漂浮物等垃圾，給水庫水質(zhì)帶來嚴(yán)重污染。

2.2 水庫淤泥探測技術(shù)路線

本次庫區(qū)測量建議采用GPS的RTK技術(shù)加超聲測深儀技術(shù)測量；在庫區(qū)測量基礎(chǔ)上，以不同高程控制基準(zhǔn)面為基礎(chǔ)進(jìn)行庫區(qū)相應(yīng)面積S和庫容V的積分，從而得到當(dāng)前的H-S-V曲線和相關(guān)庫區(qū)水下地形圖。可以采用單波束回聲測深技術(shù)，測得庫底地面高程，并將之與原庫區(qū)地下地形進(jìn)行疊加和對比分析，從而得出庫底泥沙淤積分布狀況?；蛘卟捎肦TK加雙波束或多波束回聲測深技術(shù)，通過寬、窄波束不同的穿透能力和回聲速度，在進(jìn)行噪音消除和數(shù)據(jù)校正基礎(chǔ)上，判讀庫底泥沙的淤積狀況，從而確定庫區(qū)水下地形[7-11]。

在測線布設(shè)時(shí)，要符合國家相關(guān)水利工程測量規(guī)范，并與當(dāng)?shù)匮貛彀秴^(qū)布設(shè)的GPS控制站網(wǎng)相銜接，使測量結(jié)果不疏不密，科學(xué)合理。同時(shí)應(yīng)該考慮水下地形的變化趨勢，若地形變化相對比較平坦，則測線間距可以適當(dāng)放寬，否則，需要加密測線。這有利于使測點(diǎn)均勻分布于整個(gè)測區(qū)，同時(shí)在測區(qū)水下地形變化復(fù)雜的地區(qū)加密測點(diǎn)，使測點(diǎn)深度能更好地反映水下地形的變化趨勢。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 水庫庫底淤泥分布探測技術(shù)路線圖

3 研究過程及成果分析

3.1 庫底淤泥測量過程

本次擬定在四川省內(nèi)江市河壩沖水庫、石花水庫開展庫底淤泥分布的精準(zhǔn)測量工作。河壩沖水庫和石花水庫皆屬于小一型水庫，水庫面積均在0.2km2左右。根據(jù)前期初步測量成果，河壩沖水庫壩前測量水深在4m左右，壩中10m左右；石花水庫壩前測量水深6m左右，壩中9m左右，無水流影響，無水草干擾。綜合考慮現(xiàn)場的交通便利性，無人船下水的便捷性、現(xiàn)場的信號好壞、水庫的大小、水深等因素，結(jié)合可視范圍受限的問題，將每個(gè)水庫分為4～5次作業(yè)，測量過程如圖2、圖3所示。

圖2 無人船在水中自主航行并測量

圖3 船控軟件與測深軟件界面

測量時(shí)，人員在岸上要注意觀察水面是否有障礙物，如果發(fā)現(xiàn)障礙物，即可將遙控器切換為手動模式，減緩船速，繞開障礙物。當(dāng)船體離操作人員較遠(yuǎn)時(shí)，可通過船體上的攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)判斷前方水域情況。

無人船會按照航線跑完測區(qū)，然后在航線終點(diǎn)停下來，可以通過船控軟件，點(diǎn)擊返航，船體就會自動返回Home點(diǎn)；如果未點(diǎn)擊返航，船在5～10s接收不到任何指令后就會按照之前導(dǎo)入的Home點(diǎn)自動返航。返航之后即可找到合適的地點(diǎn)將船回收。航線規(guī)劃方式采用繪制多邊形后依據(jù)測線規(guī)劃要求自動規(guī)劃航線，優(yōu)勢在于能精確地定位整個(gè)水庫測區(qū)范圍，數(shù)據(jù)更為完善，斷面間距更加精確。

3.2 庫底淤泥測量結(jié)果分析

在完成上述測量工作后，將測量完的數(shù)據(jù)按照成果要求，進(jìn)行采樣。做中值濾波處理，將有些假的水深數(shù)據(jù)點(diǎn)過濾掉，進(jìn)行采樣。本次測區(qū)按照5m的間距進(jìn)行采樣，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，圖4為水庫水深點(diǎn)采樣界面。

圖4 水深點(diǎn)采樣界面

對采樣完的數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，主要有轉(zhuǎn)換參數(shù)改正、延遲改正、水面高程改正、吃水改正以及聲速改正5個(gè)方面，該水域水面相對平靜，水下聲速變化不大，所以只需要進(jìn)行簡單的水面高程改正以及吃水改正即可。最終得到的河壩沖水庫和石花水庫等深線成果圖如圖5和圖6所示。

圖5 河壩沖水庫等深線圖 圖6 石花水庫等深線圖

4 結(jié)論

本文分析了我國當(dāng)前水庫的淤泥堆積現(xiàn)狀，調(diào)查收集并分析資料，最后選擇了四川省內(nèi)江市河壩沖水庫和石花水庫作為試驗(yàn)區(qū)，開展庫底淤泥分布的精準(zhǔn)測量工作作為典型示范。本次庫區(qū)測量采用GPS的RTK技術(shù)加超聲測深儀技術(shù)測量，在分析傳統(tǒng)水庫庫容及淤積量測量所存在問題的基礎(chǔ)上，依靠GPS定位和回聲測深技術(shù)，系統(tǒng)講述了測量方案和測量過程，最終得到了河壩沖水庫和石花水庫的等深線圖，以便于相關(guān)部門計(jì)算淤積量，從而為庫區(qū)安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，也為后期的清淤工作提供前期技術(shù)性支撐。