浅地层剖面技术在水库淤积探测中的应用

崔双利，马丽丽，刘元锋，李 冲，刘 慧，王一地

(1.辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003；2.辽宁江河水利水电设计院有限公司，辽宁 沈阳 110003)

1 浅地层剖面技术原理

浅地层剖面技术是基于水声学原理，通过探测器连续发射声波在水下及水底沉积层传播，对接收到反射信号进行处理，获得水底浅部地层介质声学特性，从中分析得到关于水底地质结构信息。以往使用的探测器主要采用线性调频脉冲Chirp浅剖声呐[1]，其换能器大而笨重，对地层的分辨率低。目前普遍采用的是经过线性调频发展起来的非线性参量阵SBP剖面声呐[2]，能在小换能器尺寸下得到高指向性的低频声波(即差频波)[3]，大大地提高了浅剖设备的性能。

声波在水中及水底沉积层传播过程中，遇到声阻抗变化界面发生反射。关于声波在各层面反射强弱，张金成等[4]利用不同海湾多次试验证实，声波对于含水量比较大而稀软的黏土层具有很强的穿透力和微弱的反射作用。声波遇到海底面为砂层或基岩、风化壳类硬质地层时难以穿透，反射十分强烈。通过测量声波到达水底的时间和穿过水底两界面地层之间的时间差，与水中声速和地层的声速乘积，算出水深和地层厚度。

2 水库淤积探测应用

建于1974年的辽宁省柴河水库是以防洪为主兼顾灌溉、发电、城市供水及养鱼等综合利用的大(2)型水库。水库建在辽河一级支流柴河上，流域面积1355 km2，最大坝高42.3 m，兴利库容为3.36亿m3。自投入使用以来已运行40余年，其间经历了多次较大的洪水，流域内的山体、河床遭到不同程度冲刷，大量的泥沙带入库区，降低了水库的蓄水能力，改变了水库的库容曲线，给水库的调度工作带来了不利影响。按照《水库水文泥沙观测规范》(SL 339—2006)[5]对水库淤积测量的要求，本次采用SES-2000 light plus参量阵浅地层剖面仪对水库淤积进行测量。以获取发生变化的水库泥沙淤积总量及分布状态等数据，为制定水库合理地运行、调沙及清淤方案奠定基础。水上探测工作历时10 d，共完成库区15 km范围内76条测线的水下剖面数据采集。

2.1 数据处理及解释

对得到的浅剖声呐数据进行地质解释首先需要数据处理，然后进行地质解释和分析。数据处理包括增强有效信息，抑制随机噪音，压制非目标体的杂乱回波，提高图像的信噪比和分辨率。此项工作通过处理软件完成。浅地层剖面的图像解释是根据地层岩性变化反映在声波阻抗变化上。凡声波阻抗存在差异的界面上都能发生声波反射[6]。对于砂层或基岩层等硬质地层，声波反射强烈甚至难以向下穿透，反映在图像上为明显线状图形；对于软泥沉积层声波穿透力强反射较弱，反映在图像上为点或线状的图形特征，将这些具有相同特征的点和线连续在一起构成软泥沉积层的岩性界面。因此浅地层剖面探测所获得剖面图像是地层剖面的真实反映。

针对采集获得的76条测线数据，处理后生成了各条测线水底剖面图像和三维坐标数据。以某测线图像为例作说明，如图1所示。图像中，水底层是高频声波形成反射面，即图像显示第一层；第二层是低频(非线性差频)声波获得的反射面，为水底淤积分层，厚度0.4～0.6 m。同时获得的水底剖面各层的大地坐标、水底层深度、软土淤积层深度及厚度等数据。这些数据为进一步计算软土淤积层体积，即库区测量范围内淤积量提供数据支持。

图1 柴河水库浅剖探测某测线剖面图像

2.2 淤积量计算

淤积计算方法采用断面法。根据浅剖声呐测线断面数据，计算两断面间相应水库水位条件下，两层至水面分别围成的立体方量，而后通过两层间方量的对比，获得两断面间淤积量。如式(1)所示[7]，通过相关软件完成淤积量计算。

(1)

式中：V为总淤积量，万m3；Vi为第i个断面到第i+1个断面间淤积量，万m3；Vyi为第i个断面到第i+1个断面间淤积层至水面体积，m3；Vdi为第i个断面到第i+1个断面间水底层至水面体积，m3。

由于淤积总量是探测剖面间各块淤积量累加，其精度取决于探测时测线布置密度。通过对76条淤积剖面计算得出柴河水库在100 m水位时，测区范围内淤积总量为704万m3，约占水库最大库容的1.1%。同时将测区内单块淤积量及每块平均面积淤积量进行排序，得到水库淤积量较大和集中区域。淤积较严重位置在4～15#测线区间，淤积厚度在0.6～0.9 m左右，淤积量约占统计淤积总量的39%。

2.3 声波钻机取样

库底钻孔取样目的是针对浅剖探测结果，通过抽取库底淤积地层原状样，验证浅剖探测的准确性。水底取样采用声波钻机完成。常规水底取样设备适合在较坚硬和成岩较好的地层中，钻取水底表层底泥极易扰动，声波钻进采用了超声波能量耦合原理，将高频振动力、回转扭曲力和钻进压力三者和为一体，实现钻进成孔工艺过程[8]，具有钻进速度快、样品连续、完整、低扰动等特点。

根据76条有效测线测於剖面分析结果，在整条测线淤积均较严重，淤积剖面起伏较大，或淤积剖面显示河床底部分层效果不明显的测线上进行钻进取样。共在浅剖7条测线上，布置10个水底取样孔。通过浅剖测得剖面数据提取每个取样孔点坐标，声波钻机水上取样作业首先依靠GPS定位系统找到取样点位置，再抛锚定位水上作业平台进行取样作业(如照片1所示)。

取得样品装在透明的硬质塑料取样管内，取样管长3.0 m，直径0.56 m。底泥样品从取样管提取是在实验室进行的。样品提取过程中进行深入细致的地质描述。提取样品分三段，第一段(取样管最上层)为黑色稀泥(有机物)水状物质，第二段(中间层)为污染成黑色的粉细砂，该两段进行化学性能指标试验，第三段(底层)为未被污染原状细砂。

2.4 取样结果与浅剖结果对比分析

(1)同一位置水底高程比较。通过比对浅剖探测和钻孔取样在同一位置两者的水底高程值，从而以钻具下到水底位置水深验证浅剖声呐测得水底深度的准确性。两者比对及差值结果见表1。差值为正表明钻具下到水底位置位于浅剖测值下方，负值表明钻具下到水底位置位于浅剖测值上方。通过比对两者差值最小值为-0.08 m，最大值为0.21 m，多数在0.1～0.2 m区间且为正值，表明钻具测值要比浅剖测值深些，这跟钻具靠自重下到水底时，惯性作用使钻具贯入底泥一定距离有关。从比较结果分析，试验阶段库水位在100 m高程，各位置水深测值介于3～20 m之间，两者测深误差率在5.8%～0.7%之间，多数误差率<2%，说明以钻具取样过程中测得水底高程，来验证浅剖声呐探测得到水底高程结果较为接近，证明浅地层剖面声呐高频探测水深结果是准确可靠的。

表1 浅剖与钻孔取样水底高程及淤积厚度对比 m

(2)同一位置淤积厚度比较。同样将取样管量测的水底淤积厚度值与浅剖声呐测得淤积厚度值比较，可以验证浅剖探测淤积厚度结果的准确性。通过对同一位置两种方法获得淤积厚度值比较(详见表1)，从中看出两者厚度差值范围在0.02～0.27 m之间，基本上同一处淤积厚度值是接近的。差值偏离较大者如2#孔的0.27 m，经分析除取样管样品分层产生误差外，还有2#孔实际取样位置与浅剖测点位置坐标有偏差，导致位置不同水底淤积厚度值不同。但整体验证得到浅剖声呐低频探测水底淤积层厚度结果是较准确的。

3 结 论

(1)通过浅剖声呐探测，该库水底淤积层测线剖面分层清晰，界面处有较强呈不连续点或线状反射，形成各剖面厚度不等的淤积层，严重区域厚度达0.6～0.9 m。通过声波钻机取样查明该层岩性为呈黑色泥状粉细砂(取样管一、二层)，以下为原地层细砂。

(2)探测精度比较：水底取样进一步验证了浅剖声呐高频波探测水深、差频波探测淤积层厚度误差均较小，证明浅地层剖面技术探测水库淤积是准确可靠的。

(3)探测效率比较：柴河水库2009年由于受到技术水平和设备能力限制，采用凿冰眼下探尺的测量方法，冬季测量整个库面76条测线耗时近3个月，20余人参与。而使用浅地层剖面仪探测同样多测线，仅用5～6人10 d内完成。测量费用仅是原来的1/3。因此应用浅地层剖面仪探测只需较短的时间和较少的费用便获得水库现状淤积数据，达到了快速准确探测水库淤积的目的。为水库淤积测量提供一种技术先进且数据可靠的新方法。