摘要：本文分析了浅地层剖面仪探测水深及淤泥层分布的原理，从探测区域研究、现场探测方法、实测数据处理、水库库容和淤积量计算、信息查询和再现等方面分析了技术实施过程中的关键点，形成了一套完整的工作方法。最后给出的应用实例表明了该技术具有连续、快速、高精度的探测特点。
关键词：浅地层剖面仪；库容；淤积量；工作方法
Method of Survey of Storage and Silt Distribution in Reservoir Basing on Sub-bottom Profiler System
WANG Miao，JIA Lianjie，HUANG Xu，ZHAO Zhengguo，SUN Zhenwei
（Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy，Jinan，Shandong 250013）
Abstract：This paper analyses the theory of sub-bottom profiler system in the survery of water depth and distribution of silt，construes the pivotal technology points in aspects of investigation of survey area，spot survey method，survey data processing，calculation of reservoir cubage and silt volume，information query and exhibit.Besides，it forms an integrated working method.Finally the present applying example indicates the continuous，fast，accurate characteristic of this technology.
Keywords：sub-bottom profiler system；reservoir storage；silt volume；working method
1 前言
水库库容是水库调度运行的基础数据，一般通过水深测量，结合水面高程计算所得。目前常用的水下地形测量方法为回声测深仪测深结合测杆、测锤等辅助工具。回声测深是通过接收器接收水底反射回的声波，根据传播时间和传播速度计算水深的方法，这种方法可实现对水深的连续测量。
水库淤积量则通常利用水下地形高程数据，按照设定的基底高程通过计算所得，这需要探测到淤积层的分布底界面。回声测深仪信号进入淤泥后信号迅速衰减，无法进一步穿透泥层形成界面反射[1]，采用人工测杆点测的方法又存在效率低下的问题，因此目前尚缺乏有效的淤积量探测方法。
本文以山东省临沂市某水底淤泥重金属处理处置示范工程为背景，针对目前淤泥分布探测技术的局限性，将具有快速、连续、高精度探测特点的浅地层剖面仪技术引入该领域。项目研究主要解决了水中声波波速误差校正、信号能量频率补偿、多次干扰信号消除、水底界面及淤泥层底界面图像识别等技术问题，探测实施中的连续定位、现场工作开展方法、探测数据处理及库容和淤积量计算等实际问题，形成了一套完整的工作方法。探测实例表明，浅地层剖面仪是一种连续快速有效探测水下地形及淤泥层分布的技术。
2 探测原理
浅地层剖面探测是基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构的地球物理方法[2-4]。浅地层剖面仪（Sub-bottom Profiler System）由测深仪基础上发展而来，利用声波探测浅地层剖面结构和构造的仪器设备，发射频率更低，声波信号通过水体穿透床底后继续向更深层穿透，形成声学剖面图形以反映浅地层结构，分辨率很高，结合地质解释，可以反映水底以下浅部地层的结构和构造情况[5]。浅地层剖面探测技术起源于20世纪60年代初期，最早被用于海底浅地层勘探[6]，后广泛应用于港口建设、航道疏浚、海底管线布设等方面。
浅地层剖面仪系统利用声波反射的原理来探测。声波在水底传播，遇到反射界面（介质性质存在差异）时发生反射，产生反射波的条件是两边介质的波阻抗不相等。换言之，决定声波反射条件的因素为波阻抗差（反射系数Rp）。波阻抗为声波在介质中传播的速度V和介质密度ρ的乘积。
在浅地层剖面调查中，近似认为声波是垂直入射的，此时
由上式可知：如相邻两层有一定的密度和声速差，当声波传播到界面上时，部分声信号会通过，另一部分则会反射回来，且在每个界面上都会发生此现象。
不同的沉积物存在着密度和速度差异，这种差异在声学反射剖面上表现为波阻抗界面，差异越大，波阻抗界面就越明显（振幅越强）[6]。对于淤泥层来说，具有含水率极高、容重小的特点，多数情况下，与下部硬质岩土层存在着较大的物理特征差异，声学反射特征也有明显差异，因而依据声学反射剖面划分的淤泥底层反射界面一
般与实际地层界面是吻合的。
浅剖仪进行工作时，布设在水面的换能器向水底发射不同频率（100 Hz～10kHz）的声波脉冲，声波在水体和沉积层传播过程中遇到声阻抗界面，经反射返回换能器转换为模拟信号后记录，连续走航式测量中组合不同位置测得的反射信号，形成反映地层声学特征的浅地层声学记录剖面。根据探测剖面上同相轴的变化特征和时序，可识别出水下地形变化和淤泥层底界面。
◆┫CZ
（a） （b）
图1浅地层剖面仪工作原理
Fig.1 Principle of sub-bottom profiler
探测剖面是X-T时域剖面，水深和淤泥层厚度分别由从探测剖面上拾取的反射走时和波速经公式（1）计算确定。
（1）
式中，H分别为计算所得出的水深或淤泥层厚度，v分别为水中或淤泥层中的声波波速，Δt为声波在水中或淤泥层中的走时。波速可根据经验值给出，也可通过现场标定试验给出。
3 浅地层剖面仪工作方法
按照工作流程，利用浅地层剖面仪技术进行水库库容和淤积量测定需要开展下列工作（如图2所示）。
3.1探测区研究
探测区研究主要包括探测库区水深、淤积状况初步调查，探测库区边界测量及开展现场探测的可行性分析。现场探测的可行性通过分析探测期间库区风浪大小、水面漂浮物状况，探测用船只的走航能力（特别在浅水区域），平面定位的精度需求及声波信号能穿透的最大水深和淤泥层厚是否满足探测需求等信息综合确定。
3.2现场试验研究
探测区研究确定探测技术可行后，需开展现场试验工作以确定实际探测时的工作参数。试验工作沿探测库区预设试验航线，通过走航探测来完成。试验中要解决GPS采点定位速度、船速、采集仪数据采集存储速度的最佳匹配，最佳采集时窗长度及水和淤泥层声波波速的确定等问题。
图2浅地层剖面仪探测工作流程
Fig.2 Flow chart of sub-bottom profiler
测量船行驶速度、浅剖仪系统的信号发射频率、数据采集和存储速度共同决定了沿测线走向对目标体横向分布的探测能力。在采集仪扫描速度不变的情况下，船速越慢，横向测量间隔越小，对水下地形的探测分辨能力越高，但工作效率会降低。
扫描速度是指水平方向上每秒记录的道数。扫描速度的选择除了要考虑水平分辨率（一般要求至少有10～20 个数据点经过探测目标）和记录数据量两个因素外，还要受到采样点数选择的影响。实测时，要考虑模数转换速度和数据量大小对取样存储速度的影响。以我们工作中采用的SES-2000浅剖仪为例，在满足水平分辨率要求的前提下，通常采取1024点/道，64道/s的道数据采样频率进行采集。这种情况下船速和横向采样间隔的关系如表1所示。
表1 船速和横向采样间隔的关系
Table 1 Relation between boat velocity and transverse sampling interval
这些高密度的采集数据能确保沿测线精确反映水下地形起伏和淤积变化。浅剖仪脉冲信号的发射频率为128kHz，保证了与采集速度相匹配。由于现场探测航线是由GPS系统在行进中确定的，工作中GPS的定位速度要和船速匹配，且定位误差要控制在一定范围内。
浅地层剖面仪的垂直分辨率由公式（2）确定：
（2）
式中Δdmin为浅剖仪的最小垂直分辨地层厚度，一般为最小波长λm的一半，而声波波长与仪器的最大发射频率fm有关，以SES-2000仪器为例，其最小垂向分辨率可达5cm。
浅地层剖面仪采样时窗是指从第一个数据开始到采集最后一个数据期间的时间长度。时窗长度的选择主要取决于所要求浅剖仪的最大探测深度d（m）和浅剖仪发射的声波在地下媒质中的传播速度v（m/ms）。已知所要求的探测深度和声波在媒质中的波速，则浅剖仪的采样时窗长度W（ms）由式（3）估算。
（3）
上式中时窗的选用值增加50%，是考虑地层速度与水深、淤泥厚度的变化所留出的余量。
初步确定上述参数后，沿设定试验线开展试验，试验中可调节时窗大小和信号位置，使反射有效信号全部显示在测量时窗内，保证采集数据的有效性。
淡水中声波波速与水温有关，一般在1200～1400m/s范围内，可在一些位置点通过现场测定水深和对应点实测波速走时联合标定。淤泥层性状差异较大，根据经验值，其声波波速一般在1500～2000m/s范围内，可通过钻孔取样测试或现场标定。
3.3现场探测
试验确定现场探测采集参数后，可开展实地工作探测。探测前，首先将采集系统和GPS定位系统连接并装载在机动船上，换能器通过固定装置悬挂在水面以下。在岸边架设基站，利用GPS 定位当前位置，使船只与设定测线起点重合。定位完成后同时启动探测船和采集仪沿设定测线进行走航式连续观测，探测过程中船速保持一致，GPS系统连续采点，定位船的位置，保证其不偏离测线。如果没有预设测线，可以利用GPS的定位信息绘出实际航线。
3.4实测数据数据处理
实测数据处理包括探测剖面的预处理、剖面解译和水深、淤积层厚换算三个部分。其中数据预处理主要包括水中多次波消除和信号的能量、频率补偿，目的是得到清晰反映水底地形和淤积层的探测剖面，这部分的详细情况另作论述。
浅剖仪采集剖面上从浅到深依次分布有水面直达波、水底反射波及淤泥层底界面反射波信号。剖面解译主要是从剖面中识别出水面、水底界面和淤积层底界面对应的时轴。由于水面直达波为直接从发射端传播到接收端的信号，因此水面直达波表现为最早出现的同相轴。水底反射同相轴可在根据大致水深初步估算的时轴位置附近拾取，水下地形起伏会使对应时轴出现摆动现象。由于淤泥层厚度一般较小，水底反射面下的反射最强的同相轴可判定为淤泥层底界面（如图3所示）。
图3 实测浅剖仪剖面时轴分布
Fig.3 Distribution of in-phase axis in sub-bottom profile
水深、淤积层厚换算是从探测剖面上拾取道信号，根据确定的水面、水底、淤泥反射底界面对应时轴，确定声波在水中和淤泥层中的反射走时，基于公式（1）计算所得。每一道采集信息都可分析出对应测线上该位置点的水深和淤积层厚度，其对应的平面位置可根据GPS定位信息来确定。为提高工作效率，实际工作中并不要求对每一道数据进行分析，在水下地形起伏较大的位置点可增加分析道数，在地形平缓区段只需选择代表性位置进行分析即可。
实测数据处理的最终结果形成由位置坐标、水深和淤积层厚度组成的数据文件，该文件可整体反应探测库区的水深及淤积状况。
3.5水库库容和淤积量的计算
水库库容和淤积量是采用三角网法（Method of Triangle Constructing Net）计算的。三角网法是一种较为常用的容积计算方法，实际计算时首先根据测点坐标，将测区划分为三角网，然后根据对应三角柱的平均水深和淤积层厚度计算每个三角柱的水体体积和淤泥体积，并对所有三角柱水体体积和淤泥体积进行叠加，得出精确的水库库容和淤积量[7]。
淤积量的计算可以用淤泥层上下界面的深度差计算，也可用淤泥底界面到水面的体积减去水体体积计算。
3.6库容和淤积量信息存储、查询及淤积状况的三维再现
这部分工作是针对探测结果信息化管理和决策开展的。在本次研究中信息存储和查询以数据库的形式实现，淤积状况的三维再现通过VC开发的程序实现。
4 应用实例
探测实例为位于山东省临沂市的某小（1）型水库，工作时水库处于枯水期，平均水深约3m，淤积层厚度小于1m，下伏沉积层以中粗砂为主。测量水库边界后，计算得到测区面积为30.8万m2，测线布置见图4。探测工作选用德国Innomar公司的SES-2000浅地层剖面仪，采集电脑、换能器和GPS定位系统都安置在机动船上（图4）。探测开始后，匀速开动船只沿线完成各条测线探测。整个探测工作在2小时内完成。
图4 库区测线布置及现场探测
Fig.4 The disposal of survey routes and spot work
图5 典型探测剖面
Fig.5 Typical sub-bottom profile
图5为沿某条测线得到的典型剖面，从探测剖面识别水面、水底和淤泥层底界面对应的反射轴后，根据确定的声波走时和波速，可求出不同位置点的水深。将解译点位置和对应水深及淤积层底界深度绘在库区图上，然后将其网格剖分利用三角网法进行计算。
计算所得库容和淤积量分别为114.1万m3和16.2万m3。水深和淤泥层分布可通过等深线形象描绘出来（如图6）。整个数据处理工作在10h内完成。
（a）水深等值线 （b）淤积层厚度等值线
（a）Isoline of water depth （b）Isoline of silt thickness
图6 水深及淤积层厚度分布图
Fig.6 The depth distribution of water and silt
5 研究结论
本文从理论上分析了浅地层剖面仪用于水库库容及淤积量探测的可行性，通过在工程实例中的试验，证明了该方法的有效性，并总结出了浅地层剖面仪探测的技术关键，形成的工作方法可为类似工程提供参考。
参考文献：
[1]王宝成，左训青，车兵.不同频率回声测深仪测量水库淤泥的初步研究[J].人民长江，2006，37（12）：84-88.
[2]张金城，蔡爱智，郭一飞，等.浅地层剖面仪在海岸工程上的应用[J].海洋工程，1995，13（2）：71-74.
[3]张兆富.SES–96 参量阵测深/浅地层剖面仪的特点及其应用[J].中国港湾建设，2001，6（3）：41-44.
[4]李一保，张玉芬，刘玉兰，等.浅地层剖面仪在海洋工程中的应用[J].工程地球物理学报，2007，4（1）：87-93.
[5]李平，杜军.浅地层剖面探测综述[J].海洋通报，2011，30（3）：344-350.
[6]丁维凤，冯霞，来向华，等.Chirp 技术及其在海底浅层勘探中的应用[J].海洋技术，2006，25（2）：10-14.
[7]张红梅，赵建虎.水库库容和淤积量精密测量及计算方法研究[J].武汉大学学报（工学版），2003，36（5）：26-29.
论文作者:王淼,贾连杰,章思亮
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/27
标签：剖面论文; 地层论文; 淤泥论文; 声波论文; 水深论文; 反射论文; 库容论文; 《基层建设》2019年第1期论文;