探討中小河流治理中的淤泥觀測技術(shù)

楊 璐

（開原市和洋水利勘測設(shè)計有限公司，遼寧 開原 112300）

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，中小河流沿岸非法采砂、違章建筑、攔河設(shè)障、擅自侵占河道等現(xiàn)象十分常見，導(dǎo)致河道淤積，中小河道泄洪能力降低，地區(qū)防洪壓力倍增，對當?shù)厝罕姲踩a(chǎn)生巨大威脅。近些年來，洪澇等自然災(zāi)害頻發(fā)導(dǎo)致中小河流淤泥含量激增，使其治理難度不斷增加。由此可知，科學(xué)運用淤泥觀測技術(shù)手段準確評估中小河流淤泥含量，針對性采取除淤措施治理河道現(xiàn)實意義巨大。中小河道水文分析中，淤泥觀測成為核心所在。本文基于中小河流治理現(xiàn)狀，利用音叉密度儀、雙頻測深儀、γ射線密度儀三種種儀器對蘇南某中小河流淤泥情況進行現(xiàn)場勘測，結(jié)合測量數(shù)據(jù)比較不同檢測手段的適用條件、測量準確性，對比三種測量手段的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 鉆探技術(shù)測量淤泥

隨著科技的快速發(fā)展，水下淤泥深度勘測手段日新月異，儀器測量技術(shù)和鉆探測量技術(shù)在該領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，尤其是鉆探測量技術(shù)備快捷、便利、準確的特點，在基層小型河道淤泥深度測量領(lǐng)域內(nèi)使用普遍。目前，鉆探技術(shù)測量淤泥深度的常用方法包括鉆孔取樣法、靜力觸探法或測桿法。

1.1 鉆孔取樣法

利用鉆機單點柱狀采集目標區(qū)域淤泥樣本，隨后應(yīng)用環(huán)刀法測定樣本不同分層結(jié)構(gòu)中淤泥天然密度值差異，測量各分層淤泥厚度，從而獲得淤泥深度數(shù)據(jù)。鉆孔取樣法應(yīng)用于中小河流淤泥深度測量時，無法進行浮泥、流泥樣本采集，難以評估浮泥、流泥層厚度，并會擾動淤泥層，測量結(jié)果與實際數(shù)據(jù)之間會存在誤差。該測量方法對測量精度要求高或區(qū)域面積大的河道測量實用性不強，測量成本高、工作量大、工作效率低，難以在實踐中普遍推廣。

1.2 靜力觸探法

該方法以專用測桿進行淤泥深度測量，測量單點淤泥層與測桿之間的比貫入阻力，基于該數(shù)據(jù)核算淤泥承載力求得淤泥厚度值。通過讀取測量桿觸及淤泥上下表面深度差，將其作為淤泥深度，測量時測桿接觸淤泥表面時讀取專用測桿示數(shù)，隨后繼續(xù)下壓測桿，測桿觸及淤泥下表面時阻力值達到特定程度，讀取對應(yīng)測桿示數(shù)，兩個示數(shù)差即為淤泥層厚度值。上述操作方法簡便且精度高，測桿形狀、大小、承載力區(qū)間等會影響測量精確度與誤差。

2 音叉密度儀的工作原理

音叉密度儀也被稱為泥漿密度儀，利用不同密度介質(zhì)間音叉的頻率振動響應(yīng)值差異進行淤泥深度測量。音叉密度儀傳感器依據(jù)元件振動原理設(shè)計，其產(chǎn)生振動作用的元件與音叉類似，借助壓電晶體振動作用將振動頻率傳輸并檢測出來，隨后借助放大電路和移相將叉體在固有諧振頻率上加以固定。檢測時，叉體被置入淤泥中，隨著介質(zhì)變化，諧振頻率出現(xiàn)改變，不同介質(zhì)間的諧振頻率差異，介質(zhì)密度與振動頻率關(guān)系如下所示。

上述表達式中，D為目標介質(zhì)密度，T為叉體固有頻率，T2為叉體置入介質(zhì)頻率，K0、K1、K2為常數(shù)項。

根據(jù)上述表達式1，通過音叉密度儀電子單元即可算出目標價值密度值，可于野外連續(xù)采樣測量作業(yè)，通過淤泥層密度情況反映其質(zhì)地情況。

3 γ射線密度儀測量原理

γ射線密度儀利用γ射線透射原理進行物質(zhì)密度測量，射線透射強度與介質(zhì)密度密切相關(guān)，隨介質(zhì)密度增加透射強度指數(shù)衰竭，通過介質(zhì)密度與穿透強度之間關(guān)系計算被測量淤泥厚度。水飽和狀態(tài)下γ射線透射法測量淤泥容量的公式如下：

上述表達式中，ρ、ρw、ρs分別為淤泥密度、被測量介質(zhì)（海水或河水）密度和泥沙密度，g/cm3；d為γ射線密度儀射線裝置與探測器中心距離，cm；μs為待測淤泥對γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，cm2/g；CR、C Rw為儀器的γ射線測量計數(shù)率和清水中儀器γ射線測量計數(shù)率，S-1、S。

采用室內(nèi)標定法確定公式3中常數(shù)項A和常數(shù)項B，構(gòu)建淤泥容量與儀器γ射線測量計數(shù)率間回歸方程。

γ射線密度儀的結(jié)構(gòu)為平行雙管式結(jié)構(gòu)，其探頭如下圖1所示。

圖1 平行雙管叉式γ射線密度儀結(jié)構(gòu)示意

取兩根金屬管作為平行雙管叉式γ射線密度儀基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，一根管內(nèi)放入γ源Am，另一根放入NaI閃爍探測器，并配備智能定標器。使用時將平行雙管叉式γ射線密度儀探頭下沉入水，入水速度2～3cm/s，設(shè)備自動記錄γ射線計數(shù)率并換算出淤泥層密度值，借助壓力傳感器獲得對應(yīng)水深。壓力傳感器距離位于放射源上0.5m處，測量中使其高于淤泥水層避免淤泥密度對測量值產(chǎn)生干擾，若淤泥層厚度超過0.5m，則需進行水深校正確保獲取淤泥層密度值準確。可于鋼絲繩安放拉力傳感器以提高儀器使用穩(wěn)定性，避免觸及海底時出現(xiàn)傾斜，根據(jù)傳感器觸及變化判斷探頭是否觸底。

4 雙頻測深儀測量原理

該項目淤泥深度測量選用320M雙頻回聲測深儀，可同時發(fā)射或接收發(fā)射1.16～4ms脈寬聲脈沖。低頻信聲信號與高頻聲信號對水的穿透力不存在差異，前者穿透能力強，同一水底位置沉積物測量所得低頻回聲測深值（hLF）和高頻回聲測深值（hHF）不同。此外，沉積物交界面之間存在聲阻抗差異，導(dǎo)致高聲阻抗與低聲阻抗介質(zhì)角接觸出現(xiàn)聲波反射，低頻聲信號于堅硬介質(zhì)表面以及高頻聲信號于柔軟介質(zhì)表面易反射。

5 應(yīng)用實例

測量目標區(qū)域位于某河段及相鄰區(qū)域，測量儀器包括音叉密度儀測量、γ射線密度儀測量及雙頻測深儀，對三種不同測量儀器效果加以評估與對比。測量過程中將雙頻測深儀固定于測量船合適位置，使用絞車緩慢放置音叉密度儀、γ射線密度儀至槽底部，測量儀器自動進行測量并獲取淤泥深度、密度等相關(guān)數(shù)值，雙頻測量儀獲取高低頻測深數(shù)據(jù)。

采集被測量區(qū)域淤泥樣本評估上述三種測量儀器現(xiàn)場測量精度值，樣本采集以蚌式抓斗器采集區(qū)域內(nèi)代表性泥樣，真實客觀地反映出被測量區(qū)域淤泥屬性及其物理特性。室內(nèi)標定被采集樣本，以天平稱重法進行密度測定并室內(nèi)標定，同時對音叉密度儀及γ射線密度儀相關(guān)參數(shù)進行標定，對不同檢測儀器的檢測效果進行評估與對比，詳見下表1。

表1 密度儀泥樣率定成果

對上述三種測量設(shè)備的泥密度儀樣率定成果分析可知，設(shè)備測量精度高于儀器標定值，且三種測量儀器結(jié)果均符合規(guī)范要求。進行室內(nèi)儀器標定，明確淤泥密度與儀器γ射線測量計數(shù)率之間的關(guān)系，并用γ射線密度儀現(xiàn)場進行水樣取樣和底泥取樣觀測，室內(nèi)儀器標定采用水樣和底泥進行樣本制備，采用γ射線密度儀對密度不同的樣本進行測量，同時記錄其對應(yīng)的γ射線測量計數(shù)率。不同密度泥漿樣本與γ射線測量計數(shù)率之間關(guān)系如下表2所示。

表2 泥漿密度與計數(shù)率關(guān)系

對上述回歸方程進行分析可知，其回歸系數(shù)r為0.9972，表明該方程指標間的相關(guān)性十分顯著，可利用該方程及CR值計算被測量點的密度值。通過實際測量結(jié)合密度垂線梯度分布獲得音叉密度儀和γ射線密度儀的作用區(qū)間為1.05～1.25g/cm3，即上述兩種測量設(shè)備可在該密度區(qū)間內(nèi)進行淤泥厚度的測量。雙頻測深儀器的高頻聲波（210kHz）與低頻聲波（24kHz）作用區(qū)間不同，對不同密度介質(zhì)的發(fā)聲功率反射情況有所差異，低頻聲波多于密度值為1.25g/cm3左右界面出現(xiàn)明顯反射，而高頻聲波多于密度值為1.05g/cm3左右界面出現(xiàn)明顯反射，被測量區(qū)域水深對雙頻測深儀器的發(fā)聲功率產(chǎn)生較大影響，在密度值1.05～1.25g/cm3的厚度即測量淤泥厚度。本次實測選定53個淤泥點樣本，以音叉密度儀測試結(jié)果為基準對三種不同儀器的測量數(shù)據(jù)進行了比較，詳情如表3所示。

表3 3種儀器實測的淤泥厚度（m）

6 結(jié)論

中小河流河道淤泥導(dǎo)致其防洪能力下降，洪澇等自然災(zāi)害增加了區(qū)域風(fēng)險，同時也導(dǎo)致其治理難度增加。綜上所述，中小河流治理中應(yīng)科學(xué)運用淤泥觀測技術(shù)，對中小河流淤泥含量、層厚、密度等指標準確評估，從而制定有效的處置措施提高針對性。針對中小河流不同環(huán)境，應(yīng)選擇差異性淤泥觀測技術(shù)，比如相對靜止環(huán)境下水深淺的中小河流或小規(guī)模工程，可應(yīng)用鉆探測量技術(shù)進行淤泥深度測量，而對水流量大、流速快或水深的區(qū)域，則可應(yīng)用音叉密度儀、雙頻測深儀、γ射線密度儀等不同觀測儀器進行測量。