浅地层剖面探测技术在水库淤泥厚度测量中的应用探讨

王超 杨柳 戴永洪

摘要：水库淤积是目前水库安全运行管理中亟需解决的一大难题，开展水库清淤工作前必须进行水库淤积测量，测算出精准的淤泥厚度。通过探讨浅地层剖面探测技术的工作原理以及在善溪冲水库淤积测量中的应用，验证了该技术具有高效、经济和准确的特点，可为在今后大面积水域淤泥厚度测量中的应用提供技术参考。

关键词：淤泥厚度;水库清淤;水库淤积测量;浅地层剖面探测;善溪冲水库;宜昌市

中图法分类号：TV697 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.004

文章编号：1006 - 0081（2021）05 - 0015 - 04

1 研究背景

我国大江大河普遍含沙量较高，水库的建成阻断了天然河道，致使河道流态发生变化，大量泥沙淤积在库底，会产生一系列问题，如库容损失，降低了水库防洪和兴利效益;水位抬高，增加水库度汛风险;坝前淤积，影响水库的安全运行;清水下泄，引起下游河道的冲刷;污染物随着泥沙淤积沉淀，污染水环境等。因此，水库淤积严重影响水库防洪安全、运行安全和生态安全，是水库运行管理中亟待解决的重要问题。如今，水库作为现代城市饮用水的重要水源之一，使用功能发生了改变，对水环境质量提出了新的要求，水库清淤治理势在必行。精准的水库淤积测量可为水库清淤提供基础数据支撑[1]。

2 淤积测量常用方法分析

当前水库淤积测量工程大多采用“事后测量”，即使用测深仪加GNSS实时定位的方式进行水下地形测绘，通过对清淤前后的水底高程差计算得到淤泥的厚度分布值，进而推算出清淤工作的土方量。这种方法适合于做结算统计，但不能达到对水库淤泥厚度及覆盖范围的实时动态监控，无助于水库清淤治理的前期工作。目前，能事先测定淤泥厚度及范围的常用方法主要有钻孔取样法、测深杆法、Silas淤泥探测系统以及浅地层剖面探测技术等[2]。

2.1 钻孔取样法

钻孔取样使用钻机采集柱状淤泥样本，用环刀法测定柱状样本中各分层淤泥的天然密度，量取各分层淤泥的厚度，可以直观分析淤泥各层的厚度和成分。

钻孔取样投入人力多，耗时长，成本高，效率低，无法连续测量并详细探明淤泥范围。

2.2 测深杆法

使用 RTK 结合测深杆，可在中小型河道中对淤泥方量进行测算。测出河道的淤泥面高程和淤泥底高程，可以较为精确地计算出河道淤泥方量。

测深杆法属点状测量，无法连续测量淤泥剖面，不能准确探明淤泥范围，测量效率低、费用高，不适用于大范围水域作业。

2.3 Silas淤泥探测系统

Silas系统是利用双频测深仪发射低频声波信号，可以对密度梯度进行量化处理。通过使用密度计进行单点密度测量，建立起反射强度和绝对密度之间的对应关系，从而确定整条断面不同深度上的密度值，并由此反推出该密度层厚度。

Silas系统采样稳定，对淤泥扰动小，密度测量准确高效，同密度层划分可靠，既能探明淤泥范围，又能满足低密度点状测量，速度快、效率高，可以满足大范围水域作业，但是测量费用较高。

2.4 浅地层剖面探测技术

浅地层剖面仪以高频测量淤泥水界面，再通过低频测量淤泥底层距水面距离，从而得到淤泥厚度。利用连续走航式测量中组合不同位置测得的反射信号形成浅地层剖面，根据剖面上同相轴的变化特征和时序，可以识别出水下地形变化和淤积层底的界面。

浅地层剖面探测属于范围作业，可以连续测量淤泥剖面。根据所用仪器和作业方式，在大范围水域作业时容易开展，费用较低，可满足工程需求，因此目前应用较为广泛。

3 浅地层剖面探测技术原理与数据分析

3.1 工作原理

浅地层剖面仪是在测深仪基础上发展起来的声学探测仪器，其发射频率更低，使用时通过换能器将控制信号转换为不同频率的声波脉冲向水底发射，声波在通过不同介质时，传播速度和介质密度存在差异，因此会产生强弱不同的回波信号。当声波向下传播时，一部分在分界处发生反射，另一部分经过透射后继续向下传播，在下一分界面处再进行反射和透射，其反射强度与地层的反射系数R有关。假设水体作为第一种介质，它的密度为ρ1，声波在其中传播的速度为ν1;下一层界面的第二种介质密度和声波速度分别是ρ2和ν2，则：

由上式可知：要得到强反射，必须是密度差和声速差較大[3]。假如相邻两层存在一定的密度差和声速差，则相邻界面就会有较强反射。当声波传播到界面上时，一部分声信号会通过，另一部分声信号则会反射回来。因此，在使用剖面仪进行探测时，终端显示器上会反映出灰度较强的剖面界面线，返回的反射信号也会携带水底地层的大量地质结构信息，通过观测分析水底沉积物，即可了解浅部地层的地质情况[4]（见图1）。

3.2 数据处理分析

浅地层剖面仪是一种利用声波向水中发射低频率声波的探测设备，它含有两个关键的参数：发射功率和发射频率。发射功率的大小决定了声波对介质的穿透深度，而发射频率决定了层组特征的分辨率。发射功率越大，穿透深度越大。低频穿透深度大，分辨率低;高频穿透深度小，分辨率高[5]。

当声波遇到水底及其下面的地层界面时产生反射回波，由于反射界面的深度不同，回波信号到达接收器的时间也不同，而地层介质的差别大小则决定了回波信号的强弱。接收到的信号经过放大、滤波等处理后送入记录器，显现出由不同灰度黑点组成的线条，从而描绘出地层剖面结构图，如图2所示。

导航软件实现了定位和剖面仪的同步定标，通过浅剖仪的定标设置，可以将导航软件传入的定标号显示在浅剖仪图像上，通过浅剖仪图像可以量取淤积层的上下表面及深度，从而编制淤积层厚度图[6]。

4 应用实例

4.1 项目概况

善溪冲水库位于湖北省宜昌市高新区白洋镇朱家冲村，大坝位于长江水系善溪大冲，是一座以城市供水为主、灌溉为辅，兼顾防洪等综合利用的中型水库枢纽工程。水库总库容2 019万m2，兴利库容1 380万m2，调洪库容389万m2，死库容250万m2。水库作为水源地，坝后建有设计规模为日供水15万t的供水管道，主要承担宜昌市猇亭区、高新区白洋镇居民生活供水任务。水库年引水量达1 200万m2以上，供水量达1 600万t以上。由于善溪冲水库重要的地理位置和巨大的综合效益，摸清其淤积形态和库容的变化情况，制定工程治理措施，对于水库的防洪度汛和正常运行意义重大。

4.2 淤积测量方案

（1） 测线布设。主测深线垂直水流方向，测线间距20 m，测点间距按照10 m设定。

（2）仪器安装。采用侧悬挂方式安装在测量船中部，拖体入水深度应超过船底吃水深度，GNSS天线安装在拖体上方，并用钢尺精确测量出GNSS天线中心与拖体中心的安装偏差，并将偏差数值输入导航软件，以实现拖体位置坐标改正。

（3）导航定位。定位设备采用Trimble R10，通过CORS差分信号模式进行导航定位。

（4）浅地层剖面探测。淺地层剖面仪采用ODOM Chirp Ⅲ型，为了获得清晰的浅剖图像，测船按照预定的测线尽量匀速行驶，避免急转弯，航速控制在 7.408  km/h（4节）左右，采用HYPACK测绘软件导航，设定定位间隔，根据设定的定位距离记录数据，同时触发浅剖仪定标，实现GNSS定位数据和浅剖仪定标数据的同步采集。根据现场实际情况调整仪器探测增益等参数，以能够获得清晰的浅剖图像为基本原则。

4.3 数据解译与计算

通过浅层剖面探测，获取了善溪冲水库大量实测数据，结合测区地形图和卫星影像等资料构建淤积三维模型，得到淤泥厚度分布（见图3）。基于解译数据，提取16个采样点的淤泥厚度数据，并与测深杆法的测量数据进行比较，见表1。

从表1可以看出，解译淤泥厚度与实际淤泥厚度相差最小为0.01 m，最大为0.05 m，并且水深值较大时差值相对较小。经计算，中误差为0.03 m，满足精度要求。获取淤泥厚度数据后，采用Arcgis软件DEM法、南方CASS软件三角网法和清华山维软件DEM法计算淤泥总量（见图4）。

5 结 论

本文探讨了浅地层剖面探测技术的工作原理以及其在善溪冲水库淤积测量中的应用，得到以下结论。

（1）浅地层剖面探测技术作为一种新型的淤积测量方法，与传统测量方法相比，获取的数据经过处理后可得到连续淤泥层厚分布，从而对淤泥层层位进行有效划分，能够准确探测淤泥厚度和覆盖区域的范围，适用于大面积水域上作业。这种技术既保证了淤积测量的精度，又大大节约了人力物力成本。

（2）浅地层剖面探测技术难以对特定点位数据进行采集，不适用于小型水域。探测时要保证探头一定的入水深度，通过反射波传递时差求得淤泥厚度，因此在水深较浅的区域不宜采用。

（3）本文通过浅地层剖面探测技术在湖北宜昌善溪冲水库的应用，证明了该技术的高效性、经济性和准确性，在今后水库清淤工作中具有较大的应用价值。

参考文献：

[1] 郭超， 金中武， 闫霞，等. 长江流域水库清淤初探[J]. 水利水电快报， 2019， 40（11）：53-55.

[2] 章思亮， 李翠， 王淼，等. 淤泥测量常用模型分析与比较[J]. 水利科技与经济， 2017， 23（3）： 42-47.

[3] 李平， 杜军. 浅地层剖面探测综述[J]. 海洋通报， 2011， 30（3）： 344-350 .

[4] 王方旗. 浅地层剖面仪的应用及资料解译研究[D]. 青岛： 国家海洋局第一海洋研究所， 2010.

[5] 朱琳. 浅剖资料高精度处理与解释方法研究[D]. 青岛： 中国海洋大学， 2010.

[6] 施凤， 张红梅， 赵建虎. 浅地层剖面数据的自动精处理方法研究[J]. 测绘地理信息， 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