双频测深技术在水库淤积测量中的应用

柯 勰 ，杜鹏飞 ，罗 旭

（1.浙江省水利科技推广与发展中心，浙江 杭州 310012；2.浙江钱江科技发展有限公司，浙江 杭州 310012）

水库是人类生产生活中蓄水发电、灌溉和防洪调度的重要水利设施，在人类生活中发挥着巨大作用。但经过多年运行，很多水库淤积及库容受损情况较为严重，影响水库安全运行和水资源保障。根据浙江省“五水共治”工作要求，全省将持续开展河湖库塘清淤工作，并逐步建立轮疏机制。因此，迫切需要一种测量简单高效、结果准确可靠的技术手段，实现淤泥的快速测量，推动清淤工作的顺利开展。目前，国内外常用的淤积测量方法主要有测杆法、钻探法、双频测深仪探测、浅地层剖面仪探测以及Silas淤泥探测等，原理和适用性各不相同[1-2]。采用双频测深技术进行试点应用，可为该技术的准确性、适用性提供参考。

1 技术原理

双频测深技术采用超声波反射原理，通过测出超声波从发射到接收的时间间隔，并根据超声波在水中的传播速度，就可以计算出测点的水深。由于低频超声波穿透能力强，可以穿透水底的淤泥层，在同一测点连续发射2个不同频率（高频f 1、低频f 2）的超声波（见图1），可以探测出2个不同的深度，其中高频超声波测得的是实际水深，低频超声波测得的是包含淤泥层的“水深”，两者之间的差值即为该测点的淤泥厚度。

图1 双频测深技术工作原理图

2 试点应用

本项目试点选择舟山市某水库，水库为心墙土坝，集雨面积1.94 km2，总库容85.000万m3，正常库容76.100万m3，正常水位55.00 m，最大坝高27.5 m，坝顶长230.0 m，坝顶宽5.8 m，是一座以供水兼农业灌溉为主的小（2）型水库，涉及下游上万人的饮用水水源。

本项目实施采用中海达HD - 380双频测深仪与移动基站式网络GPS - RTK联合作业的方式进行[3]。测深仪高频200 kHz，低频20 kHz，测深精度±10 mm + 0.1% h，分辨率1 cm，声速调整范围1 370 ～ 1 700 m/s。数据采集前，校正RTK参数并与双频测深仪联机调试。在静水条件下，采用比对板对双频测深仪测量水深进行比对，通过调节测深仪声速，确保测量深度在误差范围内。为获得可靠的测量成果，项目实施中设置相对较密集的测线，将整个库区划分为若干个区块，测线间距10.0 ～ 20.0 m，共布设27条测线。数据采集时，将测深仪换能器固定在船尾，采用人工手划船，避免马达对声波传播的干扰，并按照预设的测线每间隔1.0 m进行数据采集，共采集2 729个测点数据（见图2），通过测深软件实时保存水深测量图像。

图2 库区测线测点分布图

由于水下环境比较复杂，测量时声波的传播与反射过程会受到水草等生物以及杂物、悬浮物的影响，从而出现一些异常数据。因此，在水库库容和淤积量计算前，对异常数据进行校正处理。库容、淤积量计算采用局部到整体的方案，结合现场实际情况，将整个库区划分为31个网格区块。对每个区块的水深和淤泥厚度进行归一化计算，即将区块内所有测点的水深、淤泥厚度通过积分的方法求平均值，作为该区块的平均水深和平均淤泥厚度，根据计算所得的分块面积，得出该区块的水库库容和淤泥淤积量。最后由局部到整体，计算出整个水库的总库容和总淤积量，计算结果见表1。

表1 双频测深技术水库库容、淤积量计算表（水位53.67 m）

3 成果验证

为检验双频测深技术水库淤积量测量成果的准确性，在水库放空后，采用RTK系统分别在水库清淤前、清淤后进行地形测量。将整个库底划分为若干个区块，共布设25个测量断面。测点均分布于水库库底，获取各点高程数据，其中清淤前采集1 960个测点数据，清淤后采集1 752个测点数据。根据RTK系统采集的清淤前、后库底高程值，计算出每个清淤断面面积。在同一区块内，对2个测量断面的清淤面积插值，作为该区块的平均清淤断面面积，最后根据断面间距计算得出每个区块的淤积量，计算结果见表2。

表2 RTK地形测量水库淤积量计算表

在水库清淤完成后，对施工单位清淤的实际方量进行统计，实际清淤量为1.600万m3。各种测量方法所得水库库容及淤积量见表3。

表3 三种测量方法的水库淤积量对比表

（1）通过清淤前、后2次实地RTK地形测量，水库淤积量为1.590万m3，双频测深技术所测淤积量1.570万m3与其相差0.020万m3，误差-1.3%。

（2）根据施工单位实际清淤方量统计，水库淤积量为1.600万m3，双频测深技术所测淤积量1.570万m3与其相差0.030万m3，误差-1.9%。

（3）根据水库水位 — 库容曲线，当水库水位53.67 m时，水库的参考库容为66.950万m3。若将RTK地形测量的淤积量1.590万m3作为水库的实际淤积量，则该水位时水库实际库容为65.360万m3，双频测深技术所测库容65.420万m3与其相差0.060万m3，误差 + 0.1%。若将实际清淤量1.600万m3作为水库的实际淤积量，则该水位时水库实际库容为65.350万m3，双频测深技术所测库容65.420万m3与其相差0.070万m3，误差 + 0.1%。

从上述成果验证结果可以得出，双频测深技术所测水库淤积量与清淤前后实地RTK地形测量、实际清淤量的结果基本吻合，双频测深技术所测水库库容与水位 — 库容曲线较符合，水库库容及淤积量测量误差均在可接受的范围内，证明该项技术在水库淤积测量中具有较好的准确性和可靠性。

4 结 语

通过试点项目应用，双频测深技术体现了设备轻便、操作简单、数据处理简便、工作高效等特点，在水库等水利工程的淤积量测量、水底地形测量、水库库容测量等方面效果明显、成果可靠，具有较高的应用价值。但是，在应用过程中也发现了一些不足：①由于发射频率有限，对于淤泥层较厚的情况，其穿透能力较有限，测得的实际淤积量相对于真实情况偏小；②在水深较浅的区域进行测量时，回波信号密集杂乱，对淤积层判断存在一定困难，从而影响测量结果，因此不适用于浅水区域（如水深＜1.00 m）的测量。

参考文献：

[1] 章思亮，胡方涛，宋术伟，等.浅层剖面仪在河道淤泥测量中的应用分析[J].工程勘察，2017(3)：69 - 73.

[2] 张惟河，梁思明，杨仁辉.测扫声呐和浅地层剖面仪在表层淤泥探测中的应用[J].港工技术，2014，51(5)：86 - 91.

[3] 汤兴亮，崔华伟，徐同善.一种基于双频测绘无人船的淤泥厚度出图方法[J].现代测绘，2017，40(4)：46 - 48.