内河疏浚河道浮泥层测量方法应用初探

2014-04-28徐立猛

水利建设与管理 2014年5期

徐立猛

(上海泓源建筑工程技术有限公司，上海 200232)

1 前言

细颗粒泥沙与海水相互作用，会在颗粒表面形成一层吸附水膜。相邻颗粒在一定条件下结合成集合体，发生聚凝作用，形成絮凝体。由于絮凝作用，细颗粒在沉积到底部时会连结成絮团，絮团之间会连结成集合体。集合体还会搭连成网架结构，形成淤积物，通常把这种淤积物称为“浮泥”(fluid mud)［1］。

浮泥层具有粒径极小和颗粒极轻的特点，如何准确测定浮泥层厚度，受诸多因素影响，目前还没有形成一套通用的方法。但国内外已有不少这方面的研究，也不乏运用先进仪器和办法针对特定河段进行试验并成功测量出其厚度的案例。

本文通过漕河泾港河道底泥测量项目，介绍采用GPS网络RTK技术配合测深仪和塔尺测量对内河航道浮泥层厚度和河底高程进行测验的方法，供大家探讨。

2 项目概况

漕河泾港河道底泥测量项目属于“徐汇区河道底泥清除新技术研究与示范工程”的子课题项目。项目起点为虹梅路七星桥，终点为蒲汇塘、漕河泾港、龙华港三江交汇处，全长3.64km，河床底规划标高为－0.50m。

漕河泾港河道上次疏浚时间为2007年，采用非断流常规挖泥机挖泥。到2012年漕河泾港河道污染底泥淤积平均厚度为0.59cm(不同断面淤积厚度相差较大)。

3 测量方案论证与实施

3.1 测量方案选定

考虑到该河段污染底泥清除，采用泥水现场分离新工艺，浮泥层厚薄程度将直接影响工程量的大小。采用传统测量仪器定位(或测绳定位)配合塔尺或测杆测深的河道测量方法，无法(或很难)准确地测定以絮凝体形式存在的浮泥层及其厚度，因此，本项目初步选定采用 GPS网络 RTK技术进行平面定位，采用SDE-28双频全数字化测深仪和塔尺进行水深测量，并通过后期数据处理方法，对漕河泾港河道浮泥层厚度和河底高程进行测定。

3.2 基本原理

3.2.1 GPS网络RTK技术

网络RTK技术又称多基准站技术，是集通信技术、Internet技术、计算机网络管理技术和GPS技术于一体的空间实时服务技术。它的出现弥补了常规RTK的不足，使得RTK的作用距离增大，同时缩短了初始化时间，提高了点位精度，增强了可靠性［2］。

本项目采用的VRS系统2005年建成，其功能包括实时动态应用和静态数据下载后处理等，已初步形成国内首个基于VRS技术的GPS网络RTK数据发布与应用系统运行平台，且具有较高的稳定性［3］。

2005年7月，该技术通过上海市测绘产品质量监督检验站检验:其动态平面内符合误差±13mm，外符合误差±30mm(检验报告结论);其动态高程内符合精度在 ±30mm以内，外符合精度在 ±40mm以内［4］，精度均能够满足本项目测量要求。

3.2.2 全数字化测深技术

本项目采用的SDE—28一体化全数字测深仪，由工控电脑平台与微机操作系统相结合，内部集成测深控制、水深测量、软件图形导航等功能软件，能实时记录水底曲线与水深数据，并可随时回放。同时，可外接GPS接收机，使水深数据和定位数据很好地结合到一起。其测深精度为±1cm±0.1%D(D为实时水深)，测深范围为0.3～2000m，分辨率为0.01m，声波频率高频 200kHz，低频分 20kHz、24kHz、33kHz 三个档次。该仪器自动化程度高，精度可靠，各项技术指标完全能够满足本项目测量要求。

3.3 方案实施

3.3.1 浮泥层厚度检测

目前，传统测定含沙量一般采用“取样分析法”，即在现场使用采水器取得水样后，在实验室用“烘干称重法”或“光电测沙法”测定含沙量［5］。

本项目采用SDE-28一体化全数字双频测深仪验证浮泥层的存在情况。在试验中，测深仪高频选取200kHz，测定浮泥层上界面(表面)，低频选取20kHz，穿透一定厚度浮泥层测定其下界面(底面)。为保证试验的准确性和抽样的代表性，分别选取该项目河段上、中、下游3个不同试验段进行了测量。

经过测量发现，确实存在厚度不一的浮泥层。但由于水深较浅，测深仪低频波形图十分模糊，尤其上游试验段，低频波形图更不明显，浮泥层厚度无法进行准确量化。

3.3.2 浮泥层厚度测量方案可行性试验

为达到量化浮泥层厚度的效果，采用测深仪高频信号测量浮泥层上界面，塔尺测量浮泥层下界面(淤泥层表面)，然后进行数据套合计算浮泥层厚度。为保证测量数据的可靠性，笔者自制了一套浮泥层比测工具(用于测量浮泥层上界面)，其上端是一根标有刻度的测深杆，下端为一固定装置，并加装规格60cm×20cm(或30cm×30cm)的带两排透水圆孔的胶漆板(厚度0.5cm)。该工具既解决了水对材质的阻力问题，又有一定自重，且考虑到河底的坡度情况，起到了良好的比对验证效果。

本次比测试验共采集数据79组，采集部位分布于项目河道的上、中、下游，采集数据具有代表性。由此测数据可知，河道相同测验部位处，总体为:测深仪高频信号水深＜自制工具测量水深＜塔尺测量水深，符合理论和实际情况。

通过下页表数据可看出:测深仪高频信号测量水深和塔尺测量水深存在0～30cm之间的差值;浮泥层厚度与河道水深成反比。

由此判定，采用测深仪高频信号测量浮泥层上界面，塔尺测量浮泥层下界面(淤泥层表面)，然后进行数据套合计算浮泥层厚度的方案，具有可行性和可操作性。

不同水深浮泥层厚度情况统计表单位:m

3.3.3 浮泥层上界面测量

定位和测深同步进行。定位采用VRS技术，仪器选用Trimble R8型GPS，其动态水平精度为±10mm+1ppm，动态垂直精度为±20mm+1ppm;测深采用SDE-28一体化全数字测深仪。

测量时，将GPS接收机天线和测深仪换能器用一根2m长(可增减长度)的固定杆连接在一起，使两者保持在同一垂直线上。换能器安装在船体中部，安装与固定时保持垂直并紧固。然后，利用SDE-28测深系统配置的自由行水上测量软件同时采集坐标数据和水深数据，并自动记录保存。

3.3.4 浮泥层下界面测量

定位采用VRS技术和测绳固定相结合，保证浮泥层上、下界面测量位置相同(或接近一致)。GPS仍选用Trimble R8型GPS，测绳采用50m长并具有1m标记的专用绳具。测深采用具有毫米刻画的双面塔尺，长度为5m(5节可伸缩)，材质为宽面铝合金(材质较轻，减小自重影响，保证塔尺触及浮泥层下界面后不至于插入淤泥层中)。

3.3.5 浮泥层厚度计算

浮泥层上界面三维坐标，采用测深仪内置的自由行测量软件进行后处理得到。浮泥层下界面平面坐标通过GPS定位(或测绳定位)得到，水底高程则通过该处水位值和测深仪所测水深值相减得到。然后将浮泥层上界面三维坐标和下界面三维坐标叠加，两者水底高程值之差即为浮泥层厚度。

4 关键技术问题处理

4.1 测深仪与塔尺测深及数据套合问题

本河道水深较浅，最深处约3m左右，最浅处淤泥已露出水面，河道平均水深1.4m左右。当采用塔尺测深方式作业后，受外力扰动影响，浮泥层和软淤泥层使水体变浑浊，短时间内测深仪无法进行测量。

针对上述实际情况，笔者先采用测深仪进行横断面水深测量，然后采用塔尺测深方式对同一横断面进行水深测量。这样既在最大程度上保证了测验断面的一致性(防止间隔时间过长，经过涨潮落潮等情况给断面带来冲刷或淤积影响)，又充分利用淤泥回落时间差进行测绳固定工作，提高了外业工作效率。

4.2 测深仪盲区处浮泥层数据处理

由于本项目河道许多地方淤泥严重，尤其两侧水深较浅处，有些淤泥已裸露于水面之上，且部分河道两侧种植水草较多，给测深仪作业带来极大不便。受测深仪探头吃水深度限制，即使更换横断面位置也无法完全避开上述情况。为此，笔者根据上下游河道断面浮泥层情况分析得出:采用类比推算方法，推求河道两侧水深较浅处(测深仪无法测量时)浮泥层上界面高程。即采用每个断面临近岸线一侧最后两个可测厚度值的平均值作为起算值，加上待推算位置塔尺测深高程，即为该处浮泥层上界面高程。

4.3 测深仪各项参数的调试试验

4.3.1 吃水深度设置

吃水深度指换能器放入水中的深度，一般控制在0.5m左右，目的是防止由于探头在水中运动而产生气泡使测量出现假水深数据。如果船速过快，还需适当加大吃水。考虑到本项目河道较浅，采用吃水较浅的小型平底橡皮艇(船长3m左右，挂机马力2.5匹)进行作业，探头吃水选定为0.4m。

4.3.2 声速改正

本项目作业时间为3月底，笔者测定水温为10℃左右，根据参考数据选定声速值为1450m/s［6］，并采用带有毫米刻画的5m铝合金宽面塔尺进行了比测校对，精度优于±2cm，满足测量要求。

4.3.3 测量周期

测量周期是指测深仪在每秒钟内的测量次数，也就是通常说的水深数据更新率。一般GPS定位为每秒一次。

而本项目选用测深仪的测量周期最大可达20次/s，并根据量程档位的选择而同步变动，可保证和满足本次水深测量的要求。为保证测验精度，本次选用等距离采样模式，距离设定值为0.5m/s，船速也控制在0.5m/s。

4.3.4 测深仪参数设置

测深仪参数设置在一般水域做水深测量时，所有参数均由测深仪内部软件自动配置参数来进行水深测量。但若是在疏浚测量时，效果就不甚理想。本项目受水深较浅和浮泥层影响，在测量过程中采用手动方式，使记录效果达到最佳状态，对提高测量数据的准确性起到了一定作用。

5 成果精度分析

5.1 浮泥层测量精度分析

浮泥层测量精度主要采用布设检查线的方式进行检查。具体做法为:垂直于河道横断面线，布设两条检查线，交叉点处的测深仪数据进行对比，验证本次测量结果的精度情况。本试验河段布设横断面38个，河道平均宽度20m，断面点间隔1m/个，计725点次;共施测检查点76个，抽检比例大于10%。其验证结果见图1。

图1 浮泥层测量精度统计

通过图1可以看出，两条检查线同河道断面线交叉点处较差绝对值均小于20cm，中误差分别为5.4cm和5.7cm，精度满足《水电水利工程施工测量规范》要求。

5.2 淤泥层测量精度分析

淤泥层测量精度主要采用GPS直接测定河底高程的方式进行检查。具体做法为:在河道横断面线上随机抽取一定数量的断面点，采用RTK技术直接测定其河底高程，然后同塔尺测深方式求得的河底高程进行对比，验证本次测量结果的精度情况。本试验河段每个河道水下断面抽检4个点，共抽取检查点154个，抽检比例大于20%。其验证结果见图2。

图2 淤泥层测量精度统计

通过图2可知，抽检检查点较差均小于±10cm，中误差为±3.9cm，精度满足《水电水利工程施工测量规范》小于±0.1m的测量要求。

6 结语

6.1 优点

经过试验证明，采用GPS网络RTK技术配合测深仪和塔尺测量，达到对内河航道浮泥层厚度和河底高程进行有效测验的方法可行，且具有可操作性，并对同类型河道测量项目具有借鉴和指导意义;RTK数据和回声测深仪数据的同步采集和自动化记录及批量后处理技术，提高了作业效率和成果精度;浮泥层厚度的准确测定，将为建设管理单位核算河道疏浚工程量提供可靠技术数据，同时对航道适航水深的界定也有一定参考价值。