淺地層剖面探測技術(shù)在水庫淤泥厚度測量中的應(yīng)用探討

王超 楊柳 戴永洪

摘要：水庫淤積是目前水庫安全運(yùn)行管理中亟需解決的一大難題，開展水庫清淤工作前必須進(jìn)行水庫淤積測量，測算出精準(zhǔn)的淤泥厚度。通過探討淺地層剖面探測技術(shù)的工作原理以及在善溪沖水庫淤積測量中的應(yīng)用，驗(yàn)證了該技術(shù)具有高效、經(jīng)濟(jì)和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可為在今后大面積水域淤泥厚度測量中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：淤泥厚度;水庫清淤;水庫淤積測量;淺地層剖面探測;善溪沖水庫;宜昌市

中圖法分類號：TV697 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.004

文章編號：1006 - 0081（2021）05 - 0015 - 04

1 研究背景

我國大江大河普遍含沙量較高，水庫的建成阻斷了天然河道，致使河道流態(tài)發(fā)生變化，大量泥沙淤積在庫底，會產(chǎn)生一系列問題，如庫容損失，降低了水庫防洪和興利效益;水位抬高，增加水庫度汛風(fēng)險(xiǎn);壩前淤積，影響水庫的安全運(yùn)行;清水下泄，引起下游河道的沖刷;污染物隨著泥沙淤積沉淀，污染水環(huán)境等。因此，水庫淤積嚴(yán)重影響水庫防洪安全、運(yùn)行安全和生態(tài)安全，是水庫運(yùn)行管理中亟待解決的重要問題。如今，水庫作為現(xiàn)代城市飲用水的重要水源之一，使用功能發(fā)生了改變，對水環(huán)境質(zhì)量提出了新的要求，水庫清淤治理勢在必行。精準(zhǔn)的水庫淤積測量可為水庫清淤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[1]。

2 淤積測量常用方法分析

當(dāng)前水庫淤積測量工程大多采用“事后測量”，即使用測深儀加GNSS實(shí)時(shí)定位的方式進(jìn)行水下地形測繪，通過對清淤前后的水底高程差計(jì)算得到淤泥的厚度分布值，進(jìn)而推算出清淤工作的土方量。這種方法適合于做結(jié)算統(tǒng)計(jì)，但不能達(dá)到對水庫淤泥厚度及覆蓋范圍的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，無助于水庫清淤治理的前期工作。目前，能事先測定淤泥厚度及范圍的常用方法主要有鉆孔取樣法、測深桿法、Silas淤泥探測系統(tǒng)以及淺地層剖面探測技術(shù)等[2]。

2.1 鉆孔取樣法

鉆孔取樣使用鉆機(jī)采集柱狀淤泥樣本，用環(huán)刀法測定柱狀樣本中各分層淤泥的天然密度，量取各分層淤泥的厚度，可以直觀分析淤泥各層的厚度和成分。

鉆孔取樣投入人力多，耗時(shí)長，成本高，效率低，無法連續(xù)測量并詳細(xì)探明淤泥范圍。

2.2 測深桿法

使用 RTK 結(jié)合測深桿，可在中小型河道中對淤泥方量進(jìn)行測算。測出河道的淤泥面高程和淤泥底高程，可以較為精確地計(jì)算出河道淤泥方量。

測深桿法屬點(diǎn)狀測量，無法連續(xù)測量淤泥剖面，不能準(zhǔn)確探明淤泥范圍，測量效率低、費(fèi)用高，不適用于大范圍水域作業(yè)。

2.3 Silas淤泥探測系統(tǒng)

Silas系統(tǒng)是利用雙頻測深儀發(fā)射低頻聲波信號，可以對密度梯度進(jìn)行量化處理。通過使用密度計(jì)進(jìn)行單點(diǎn)密度測量，建立起反射強(qiáng)度和絕對密度之間的對應(yīng)關(guān)系，從而確定整條斷面不同深度上的密度值，并由此反推出該密度層厚度。

Silas系統(tǒng)采樣穩(wěn)定，對淤泥擾動(dòng)小，密度測量準(zhǔn)確高效，同密度層劃分可靠，既能探明淤泥范圍，又能滿足低密度點(diǎn)狀測量，速度快、效率高，可以滿足大范圍水域作業(yè)，但是測量費(fèi)用較高。

2.4 淺地層剖面探測技術(shù)

淺地層剖面儀以高頻測量淤泥水界面，再通過低頻測量淤泥底層距水面距離，從而得到淤泥厚度。利用連續(xù)走航式測量中組合不同位置測得的反射信號形成淺地層剖面，根據(jù)剖面上同相軸的變化特征和時(shí)序，可以識別出水下地形變化和淤積層底的界面。

淺地層剖面探測屬于范圍作業(yè)，可以連續(xù)測量淤泥剖面。根據(jù)所用儀器和作業(yè)方式，在大范圍水域作業(yè)時(shí)容易開展，費(fèi)用較低，可滿足工程需求，因此目前應(yīng)用較為廣泛。

3 淺地層剖面探測技術(shù)原理與數(shù)據(jù)分析

3.1 工作原理

淺地層剖面儀是在測深儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的聲學(xué)探測儀器，其發(fā)射頻率更低，使用時(shí)通過換能器將控制信號轉(zhuǎn)換為不同頻率的聲波脈沖向水底發(fā)射，聲波在通過不同介質(zhì)時(shí)，傳播速度和介質(zhì)密度存在差異，因此會產(chǎn)生強(qiáng)弱不同的回波信號。當(dāng)聲波向下傳播時(shí)，一部分在分界處發(fā)生反射，另一部分經(jīng)過透射后繼續(xù)向下傳播，在下一分界面處再進(jìn)行反射和透射，其反射強(qiáng)度與地層的反射系數(shù)R有關(guān)。假設(shè)水體作為第一種介質(zhì)，它的密度為ρ1，聲波在其中傳播的速度為ν1;下一層界面的第二種介質(zhì)密度和聲波速度分別是ρ2和ν2，則：

由上式可知：要得到強(qiáng)反射，必須是密度差和聲速差較大[3]。假如相鄰兩層存在一定的密度差和聲速差，則相鄰界面就會有較強(qiáng)反射。當(dāng)聲波傳播到界面上時(shí)，一部分聲信號會通過，另一部分聲信號則會反射回來。因此，在使用剖面儀進(jìn)行探測時(shí)，終端顯示器上會反映出灰度較強(qiáng)的剖面界面線，返回的反射信號也會攜帶水底地層的大量地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，通過觀測分析水底沉積物，即可了解淺部地層的地質(zhì)情況[4]（見圖1）。

3.2 數(shù)據(jù)處理分析

淺地層剖面儀是一種利用聲波向水中發(fā)射低頻率聲波的探測設(shè)備，它含有兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)：發(fā)射功率和發(fā)射頻率。發(fā)射功率的大小決定了聲波對介質(zhì)的穿透深度，而發(fā)射頻率決定了層組特征的分辨率。發(fā)射功率越大，穿透深度越大。低頻穿透深度大，分辨率低;高頻穿透深度小，分辨率高[5]。

當(dāng)聲波遇到水底及其下面的地層界面時(shí)產(chǎn)生反射回波，由于反射界面的深度不同，回波信號到達(dá)接收器的時(shí)間也不同，而地層介質(zhì)的差別大小則決定了回波信號的強(qiáng)弱。接收到的信號經(jīng)過放大、濾波等處理后送入記錄器，顯現(xiàn)出由不同灰度黑點(diǎn)組成的線條，從而描繪出地層剖面結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

導(dǎo)航軟件實(shí)現(xiàn)了定位和剖面儀的同步定標(biāo)，通過淺剖儀的定標(biāo)設(shè)置，可以將導(dǎo)航軟件傳入的定標(biāo)號顯示在淺剖儀圖像上，通過淺剖儀圖像可以量取淤積層的上下表面及深度，從而編制淤積層厚度圖[6]。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

善溪沖水庫位于湖北省宜昌市高新區(qū)白洋鎮(zhèn)朱家沖村，大壩位于長江水系善溪大沖，是一座以城市供水為主、灌溉為輔，兼顧防洪等綜合利用的中型水庫樞紐工程。水庫總庫容2 019萬m2，興利庫容1 380萬m2，調(diào)洪庫容389萬m2，死庫容250萬m2。水庫作為水源地，壩后建有設(shè)計(jì)規(guī)模為日供水15萬t的供水管道，主要承擔(dān)宜昌市猇亭區(qū)、高新區(qū)白洋鎮(zhèn)居民生活供水任務(wù)。水庫年引水量達(dá)1 200萬m2以上，供水量達(dá)1 600萬t以上。由于善溪沖水庫重要的地理位置和巨大的綜合效益，摸清其淤積形態(tài)和庫容的變化情況，制定工程治理措施，對于水庫的防洪度汛和正常運(yùn)行意義重大。

4.2 淤積測量方案

（1） 測線布設(shè)。主測深線垂直水流方向，測線間距20 m，測點(diǎn)間距按照10 m設(shè)定。

（2）儀器安裝。采用側(cè)懸掛方式安裝在測量船中部，拖體入水深度應(yīng)超過船底吃水深度，GNSS天線安裝在拖體上方，并用鋼尺精確測量出GNSS天線中心與拖體中心的安裝偏差，并將偏差數(shù)值輸入導(dǎo)航軟件，以實(shí)現(xiàn)拖體位置坐標(biāo)改正。

（3）導(dǎo)航定位。定位設(shè)備采用Trimble R10，通過CORS差分信號模式進(jìn)行導(dǎo)航定位。

（4）淺地層剖面探測。淺地層剖面儀采用ODOM Chirp Ⅲ型，為了獲得清晰的淺剖圖像，測船按照預(yù)定的測線盡量勻速行駛，避免急轉(zhuǎn)彎，航速控制在 7.408? km/h（4節(jié)）左右，采用HYPACK測繪軟件導(dǎo)航，設(shè)定定位間隔，根據(jù)設(shè)定的定位距離記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)觸發(fā)淺剖儀定標(biāo)，實(shí)現(xiàn)GNSS定位數(shù)據(jù)和淺剖儀定標(biāo)數(shù)據(jù)的同步采集。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整儀器探測增益等參數(shù)，以能夠獲得清晰的淺剖圖像為基本原則。

4.3 數(shù)據(jù)解譯與計(jì)算

通過淺層剖面探測，獲取了善溪沖水庫大量實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合測區(qū)地形圖和衛(wèi)星影像等資料構(gòu)建淤積三維模型，得到淤泥厚度分布（見圖3）?；诮庾g數(shù)據(jù)，提取16個(gè)采樣點(diǎn)的淤泥厚度數(shù)據(jù)，并與測深桿法的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見表1。

從表1可以看出，解譯淤泥厚度與實(shí)際淤泥厚度相差最小為0.01 m，最大為0.05 m，并且水深值較大時(shí)差值相對較小。經(jīng)計(jì)算，中誤差為0.03 m，滿足精度要求。獲取淤泥厚度數(shù)據(jù)后，采用Arcgis軟件DEM法、南方CASS軟件三角網(wǎng)法和清華山維軟件DEM法計(jì)算淤泥總量（見圖4）。

5 結(jié) 論

本文探討了淺地層剖面探測技術(shù)的工作原理以及其在善溪沖水庫淤積測量中的應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

（1）淺地層剖面探測技術(shù)作為一種新型的淤積測量方法，與傳統(tǒng)測量方法相比，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可得到連續(xù)淤泥層厚分布，從而對淤泥層層位進(jìn)行有效劃分，能夠準(zhǔn)確探測淤泥厚度和覆蓋區(qū)域的范圍，適用于大面積水域上作業(yè)。這種技術(shù)既保證了淤積測量的精度，又大大節(jié)約了人力物力成本。

（2）淺地層剖面探測技術(shù)難以對特定點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，不適用于小型水域。探測時(shí)要保證探頭一定的入水深度，通過反射波傳遞時(shí)差求得淤泥厚度，因此在水深較淺的區(qū)域不宜采用。

（3）本文通過淺地層剖面探測技術(shù)在湖北宜昌善溪沖水庫的應(yīng)用，證明了該技術(shù)的高效性、經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性，在今后水庫清淤工作中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭超， 金中武， 閆霞，等. 長江流域水庫清淤初探[J]. 水利水電快報(bào)， 2019， 40（11）：53-55.

[2] 章思亮， 李翠， 王淼，等. 淤泥測量常用模型分析與比較[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì)， 2017， 23（3）： 42-47.

[3] 李平， 杜軍. 淺地層剖面探測綜述[J]. 海洋通報(bào)， 2011， 30（3）： 344-350 .

[4] 王方旗. 淺地層剖面儀的應(yīng)用及資料解譯研究[D]. 青島： 國家海洋局第一海洋研究所， 2010.

[5] 朱琳. 淺剖資料高精度處理與解釋方法研究[D]. 青島： 中國海洋大學(xué)， 2010.

[6] 施鳳， 張紅梅， 趙建虎. 淺地層剖面數(shù)據(jù)的自動(dòng)精處理方法研究[J]. 測繪地理信息， 2017， 42（2）：49-52.

Abstract： At present， reservoir siltation is a major problem to be solved in the safe operation and management of reservoir. Before reservoir desilting， it is necessary to measure reservoir siltation and calculate accurate silt thickness. This paper introduces the working principle of the shallow profile detection technology and its application in the sedimentation measurement of Shanxichong Reservoir， in which， and the high efficiency， economy and accuracy of the technology were verified ， which can provide technical reference for the application of the technology in the silt thickness measurement of large water area in the future.

Key words： silt thickness; reservoir dredging; reservoir siltation measurement; shallow formation profile detection;Shanxichong Reservoir;Yichang City