水下机器人与双频浅地层剖面仪结合在水利清淤工作中的应用

霍文龙

华北水利水电大学

水下机器人与双频浅地层剖面仪结合在水利清淤工作中的应用

霍文龙

华北水利水电大学

淤泥淤积是影响水库库容的重要原因之一，大量泥沙沉积在库底，降低了水库防洪蓄 水能力和兴利功能。本文将水下机器人(ROV)与双频浅地层剖面仪结合，采用淤泥密度探测法，对尖岗水库部分水域的淤泥厚度进行了实际应用，并对该测量系统的原理、测量水深范围、操作及图像判读方法进行详细阐述，其工作效率高、经济、测量结果准确度高的特点，为水库淤泥探测提供另一种参考方法。

双频浅地层剖面仪；水下机器人；表层淤泥探测；淤泥土方量

1 研究背景

水库淤泥淤积主要是暴雨携带山体泥沙流入河水中，河水挟带的泥沙在水库回水末端至拦河建筑物之间库区的堆积，经年累月，导致库底高程逐渐增高，死库容增大，兴利库容减少，严重削弱了水库防洪、发电、供水等功能[1]。人工测量为点式作业，工作效率极低，成本高，当需要大面积调查时，人工测量工作量非常大。浅地层剖面仪根据回声探测原理构成的一种连续走航式进行水下浅地层探测的仪器。常规的淤泥测量方法船载测量法，测量船行驶路线即为浅层剖面仪所测量的断面，当测量船遇到狭窄复杂且水深很深的工况，不能对其测量致使测量结果存在较大误差。水下机器人与浅地层剖面仪结合，可克服上述的局限，作为一种新技术、新方法，在我国水利工程水下淤泥探测工作已得到初步应用，并在郑州市尖岗水库水下淤泥测试工作中得到应用。

2 浅地层剖面仪基本原理

浅地层剖面仪利用声波在不同介质中传播速度和反折射的特性不同，对水底地表以下一定深度的地层进行连续探测。从声波的反射理论来看，换能器以等时间间隔垂直发出脉冲射到水底，如果两介质的声阻抗不一样， 则一部分声波会在介质交界面上发生反射， 声波携带测量的信息返回至换能器，另部分声波则继续在地层发生折射和反射，传播过程中能量减少。地层厚度的测量， 即声波穿透地层传播时间的反映， 设ΔT为上下两地层时间差，C为该地层声速，则地层厚度ω可表示为ω=1/2CΔT；声波水底反射能量的大小反射由系数(R) 决定，表示为：，ρν和ρν分别

2211表示一、二层介质的密度和声速，由反射系数R的表达式可以得出，当相邻两地层密度差和速度差较大时，即|R|趋近于1时，两层相邻界面会产生较强的声强，反之，|R|趋近于0时，两层的相邻界面就会几乎无声强反射，通过剖面仪终端显示器以不同颜色显示剖面界面线，达到地层判别的效果。

3 双频浅地层剖面仪在淤泥厚度探测中的应用

本次测量使用的仪器为加拿大水下机器人厂商 Shark Marine 生产的第三代产品Stealth 3 ROV和英国Tritech公司生产的双频浅地层剖面仪(Dual-frequency Sub-Bottom Profiler)，该浅层剖面仪主频率200kHz，低频率20kHz，最大工作深度4000米。其特点是结构紧凑，可网络化，功率低，节能。采用新型多单元复合传感器，可使回声探测器发射频率为20KHz的低频声波穿透海床，通过这种低频声波求得所有单元中的最小值，将海床下隐藏的地层结构的差异显示出来。

水下机器人与双频浅地层剖面仪的结合，将船载分开架设的设备GPS天线、测深仪探头和浅地层剖面仪集为一体，控制台通过脐带缆控制搭载的设备将其测量数据通过脐带缆返回云台存储，避免了船只尾流给拖鱼带来的影响以及船只行驶路线偏离产生的误差。

4 数据采集

以尖岗水库浅水域淤泥测量为例，采用断面线法实施测图。仪器测试无误后，将GPS矢量地图输入控制台作为测量地点的原始资料，设置ROV推进器动力参数和双频浅地层剖面仪测量参数，开启自动调查模式获取测量数据。

5 测量影像判读记录分析及淤泥量计算

淤泥测量利用声波淤泥密度探测法进行探测。记录图像由高频和低频两部分图像构成，高频发射器发射探测波的波长短，图像界面细致，光滑，清楚，低发射器发射探测波的波长长，可绕过粒径小于波长的粒子探测更深地层；测深标尺和声波能量显示谱，地层吸收声波能量较多，能量显示谱较宽，则地层的疏松程度高，浮泥含量较高；反之，地层吸收声波能量较少，能量显示谱较窄，浮泥含量较低；换能器接收自身所发出的ping值，每个返回ping都含有GPS及地层测量信息，提高数据记录的准确性和工作效率。

不同的颜色表示泥质密度不同的地层，浮泥一般位于水底表面，声反射极弱；透射强，其界面在记录上色调极淡。在测量过程中， 遇到ROV受波浪影响产生摇晃， 要及时加注说明，计算时，取波浪状的地层线的幅度的平均值。根据《疏浚工程施工技术规范》，按照密度变化变化范围可分为浮泥、流泥、淤泥和淤泥质土4种淤泥层，浮泥层具有很强的流动性，且密度为1.0～1.2g/cm3，流泥是浮泥进一步固结形成的，密度1.2～1.5g/cm3，淤泥的孔隙水减少，在水流作用下不会直接悬扬，密度1.5～1.8g/cm3，淤泥质土指密度大于1.8g/cm3[2]。

结合钻孔资料，处理淤泥测量数据。测量淤泥的厚度主要目是计算淤泥土方量，并且在划分淤泥层面时，要注意与测量地区的实际情况相结合，不同的地区泥质不同，划分标准也有所不同，将测量所得数据整理为规范性文件，以此为水利清淤工程施工提供参考依据[2]。

6 结语

双频浅层剖面仪和ROV组合对淤泥测量具有快速与高效探测功能，大大减少淤泥测量中的工作量，提高工作效率。本文仅讨论水下机器人与双频浅地层剖面仪结合在水库淤泥层探测中的应用，该设备适用于厚度和密度较大的淤泥探测，能够更准确地找到淤泥底界高程位置及淤泥在水下的分布形式，对淤泥淤积严重地段的治理具有重大意义。

[1] 陈飞. 浅地层剖面仪在水库清淤测量中的应用[J]. 科技创业家，2012，13：171.

[2]黄光. 浅地层剖面仪在水利清淤工程中应用[J]. 农业与技术，2015，09：58-60.

[4]余江，周兴华，李京兵. 浅地层剖面仪在淤泥厚度探测中的应用[J].浙江水利科技，2009，06：52-54.