SILAS系統(tǒng)在福建東張水庫(kù)淤泥監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

王露　靳麗萍　李濤

摘要：為了解福建福清市東張水庫(kù)淤泥的密度及分布情況，利用基于SILAS系統(tǒng)的淤泥密度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析。Densitune密度計(jì)在3條SILAS測(cè)線(xiàn)上均勻采集密度點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過(guò)選擇不同數(shù)量和位置的密度點(diǎn)數(shù)據(jù)參與SILAS走航數(shù)據(jù)的密度分層計(jì)算，來(lái)分析最優(yōu)的密度點(diǎn)采集位置和點(diǎn)位數(shù)量。利用SILAS系統(tǒng)和密度計(jì)開(kāi)展淤泥密度的測(cè)量和分析工作，可高效獲取測(cè)區(qū)的淤泥厚度和分布情況。分析數(shù)據(jù)表明：納入密度分層計(jì)算的密度點(diǎn)位淤泥越厚，點(diǎn)位分布越均勻，點(diǎn)位數(shù)量越多，淤泥的密度分層精度越高。研究成果可為水庫(kù)及河湖等水域的淤泥研究提供數(shù)據(jù)采集和分析方法。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)淤泥監(jiān)測(cè);淤泥密度測(cè)量;SILAS系統(tǒng);采集與匹配;東張水庫(kù);福建

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019. 10.009

1 研究背景

福建省福清市東張水庫(kù)于1958年12月建成蓄水。壩址位于石竹山下的龍江中游，是一座以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、源水供應(yīng)為主，結(jié)合發(fā)電、旅游等綜合開(kāi)發(fā)利用的大型水庫(kù)。水庫(kù)東側(cè)主要為斜陡坡，有大量大孤石;水庫(kù)北側(cè)、西側(cè)及南側(cè)西半部分地勢(shì)較平緩，植被較茂盛，多以雜草為主，靠近水源部分有沼澤;水庫(kù)南側(cè)東半部主要為斜陡坡，由大量小碎石組成。鑒于東張水庫(kù)復(fù)雜的自然地理?xiàng)l件，對(duì)其淤泥密度和厚度的研究成果可推廣應(yīng)用至同類(lèi)型水庫(kù)中。

為了解水庫(kù)多年淤積情況，認(rèn)識(shí)底泥及底質(zhì)的現(xiàn)狀，并將傳統(tǒng)的淤泥厚度量測(cè)轉(zhuǎn)化為對(duì)淤泥密度的空間分析，加之密度是地形法和輸沙量法計(jì)算水庫(kù)淤積的重要轉(zhuǎn)換參數(shù)，因此開(kāi)展庫(kù)區(qū)淤泥密度觀(guān)測(cè)工作非常必要。而淤泥密度觀(guān)測(cè)對(duì)水庫(kù)及河湖的淤泥研究及生態(tài)清淤的標(biāo)準(zhǔn)確定也有著重要的意義，水庫(kù)底泥是水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是入庫(kù)物質(zhì)如有機(jī)質(zhì)、污染物等的蓄積庫(kù)，也是水土界面物質(zhì)進(jìn)行物理、化學(xué)、生物性交換的地帶，因此開(kāi)展水庫(kù)底泥密度的研究，對(duì)提升庫(kù)區(qū)的有效保護(hù)、科學(xué)管理起著積極作用[l-3]。S的管子內(nèi)介質(zhì)密度為r）相當(dāng)于電路中的電感;聲容類(lèi)似于電容;聲壓類(lèi)似于電壓;體積速度類(lèi)似于電流等。基于聲學(xué)和電學(xué)存在的基本對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可用電路的物理量，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，量化和量測(cè)聲波的各個(gè)物理量[4-5]。SILAS系統(tǒng)利用普通回聲測(cè)深儀向水底發(fā)射低頻聲學(xué)信號(hào)，聲波到達(dá)水底后，部分聲波被反射而另一部分聲波將穿透水底。反射強(qiáng)度和透射強(qiáng)度取決于水底沉積層不同介質(zhì)的密度變化。密度變化對(duì)應(yīng)的是介質(zhì)的特性阻抗變化，根據(jù)上面的內(nèi)容可知，反射強(qiáng)度R、入射角和傳播速度都可以通過(guò)電路直接或間接量測(cè)得到。因此，可獲得聲波反射強(qiáng)度的比值，即與密度梯度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可對(duì)密度梯度進(jìn)行定量化處理[6-7]。經(jīng)過(guò)量化的密度梯度結(jié)合Densitune密度計(jì)獲得的代表點(diǎn)（標(biāo)定點(diǎn)）絕對(duì)密度，建立起絕對(duì)密度與密度梯度的之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[8-9]，即獲得了絕對(duì)密度與聲波反射強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而提取航線(xiàn)上相應(yīng)密度值曲線(xiàn)。根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范或規(guī)定，確定底泥厚度。SILAS系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 密度儀的標(biāo)定

現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)直接調(diào)用廠(chǎng)方校正好的密度校正文件是Densitune密度計(jì)使用過(guò)程中常出現(xiàn)的誤區(qū)，然而因?yàn)椴煌瑓^(qū)域底質(zhì)成分構(gòu)成及流變特性存在差異，調(diào)入不適用的校正文件會(huì)導(dǎo)致采集的密度特征點(diǎn)數(shù)值產(chǎn)生誤差。因此，密度儀的標(biāo)定是SI-LAS系統(tǒng)按密度劃分淤泥的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在測(cè)量區(qū)域內(nèi)挖取底泥，使用稱(chēng)重法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)淤泥密度標(biāo)定。標(biāo)定完成后，采用同樣的方法測(cè)量稱(chēng)重法調(diào)制的固定密度的泥漿，統(tǒng)計(jì)精度如表1所示。

由表1可知，Densitune泥漿密度儀的測(cè)量中誤差為+5.32 g/L，其相對(duì)誤差不大于0.5%的樣本有15個(gè)，占比75%，0.5% - 1%的樣本有5個(gè)，占比25%，沒(méi)有大于1%的樣本。最大誤差百分比為-0.85%，證明儀器具有良好的精度和穩(wěn)定性。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

區(qū)域淤泥密度數(shù)據(jù)的獲取分為兩個(gè)步驟，第一步是SILAS系統(tǒng)采集淺地層的簡(jiǎn)諧縱波的反射信號(hào)，并形成瀑布圖，第二步是采集特征點(diǎn)的密度數(shù)據(jù)[10-13]。

3.2.1 SILAS系統(tǒng)采集淺地層數(shù)據(jù)

以固定架設(shè)的GNSS基站為參考站，載有SILAS系統(tǒng)的測(cè)量船為流動(dòng)站，沿著計(jì)劃線(xiàn)行進(jìn)，行進(jìn)中利用差分定位系統(tǒng)和SILAS系統(tǒng)，連續(xù)獲取測(cè)量點(diǎn)的平面位置和高程，并記錄航線(xiàn)上水下地層信息[14]。

3.2.2 Densitune密度計(jì)采集特征點(diǎn)密度值

（1）由于可直接影響到淤泥表層及分層數(shù)據(jù)的相對(duì)基面深度數(shù)值，密度計(jì)采集數(shù)據(jù)前需要進(jìn)行深度和溫度校正。

（2）密度計(jì)特征點(diǎn)位的選擇原則是在SILAS數(shù)據(jù)采集以后，根據(jù)SILAS采集的瀑布圖選擇合適的點(diǎn)位。

（3）密度點(diǎn)位的數(shù)量原則是越多越好，數(shù)量越多，SILAS劃分的密度層越準(zhǔn)確。

（4）在具有代表性的庫(kù)區(qū)中選擇中間3條線(xiàn)，每條線(xiàn)均勻采集10個(gè)點(diǎn)，采用分類(lèi)對(duì)比的方法進(jìn)行密度值誤差統(tǒng)計(jì)分析。

（5）庫(kù)區(qū)密度采樣點(diǎn)點(diǎn)位示意圖詳見(jiàn)圖2。

4 成果分析

4.1 庫(kù)區(qū)淤泥分布特點(diǎn)

從表2中可以看出，東張水庫(kù)淤泥厚度呈現(xiàn)區(qū)域性分布。庫(kù)區(qū)北部沼澤及南部地勢(shì)平緩區(qū)域淤泥層較厚，最大厚度為0.85 m，平均厚度為0.36 m，總體呈現(xiàn)出南、北區(qū)域比中間淤泥量大的趨勢(shì)，也正好符合庫(kù)區(qū)南北地勢(shì)平緩、沼澤多的特點(diǎn)。

4.2 密度采樣點(diǎn)選擇對(duì)密度分層精度的影響

選擇庫(kù)區(qū)中間3條SILAS走航測(cè)線(xiàn)，每條測(cè)線(xiàn)均勻采集10個(gè)密度采樣點(diǎn)，選取不同位置和數(shù)量的密度采樣點(diǎn)參與SILAS走航數(shù)據(jù)密度分層計(jì)算，未參與分層的密度點(diǎn)作為分層數(shù)據(jù)的外符合精度比對(duì)點(diǎn)。SILAS走航數(shù)據(jù)密度分層計(jì)算是將采集的密度點(diǎn)的各特征密度（1050，1250 g/cm和1 300 g/cm）分別標(biāo)定出來(lái)，然后將各個(gè)密度點(diǎn)的特征密度導(dǎo)人SILAS淺地層數(shù)據(jù)中參與整條測(cè)線(xiàn)的淤泥密度分層計(jì)算，并獲取測(cè)線(xiàn)特征密度（1 050，1 250 g/cm和1 300 g/cm）的相應(yīng)分層數(shù)據(jù)。本文以國(guó)內(nèi)普遍適用的適航水深密度1 300 g/cm3的數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)[15]，1 050 g/cm為淤泥表層密度，得到各點(diǎn)1 300 g/cm和1 050 g/cm密度對(duì)應(yīng)的深度差值所代表的淤泥厚度，即為該點(diǎn)的1 300 g/cm密度分層厚度。

以未參與分層密度點(diǎn)為真值的各點(diǎn)誤差曲線(xiàn)見(jiàn)圖3-5。

通過(guò)表3的淤泥采樣點(diǎn)中誤差統(tǒng)計(jì)表和3條斷面的誤差分布圖可以看出：

（1）參與分層計(jì)算的密度點(diǎn)數(shù)量越多，分層計(jì)算的密度值越接近于真值（密度儀實(shí)測(cè)數(shù)值）。

（2）參與分層計(jì)算的密度點(diǎn)淤泥厚度越大，分層計(jì)算的密度值精度越高。

（3）參與計(jì)算的密度點(diǎn)數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)（本項(xiàng)目以4個(gè)為例），增加參與分層計(jì)算的密度點(diǎn)數(shù)量對(duì)整體測(cè)線(xiàn)密度分層的精度提高效果不明顯。

（4）參與分層計(jì)算的密度點(diǎn)分布越均勻，分層計(jì)算的密度值精度越高。

由上述的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出3種提高密度分層精度的方法：①增加參與分層計(jì)算密度點(diǎn)的數(shù)量;②選擇淤泥厚度大的參與分層的密度點(diǎn);③選擇均勻分布的參與分層的密度點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)SILAS走航式淤泥測(cè)量系統(tǒng)在東張水庫(kù)的實(shí)際應(yīng)用研究，得出以下結(jié)論。

（1）利用SILAS淤泥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)展庫(kù)區(qū)的淤泥觀(guān)測(cè)工作，可以高效地獲取測(cè)區(qū)的淤泥厚度和分布情況。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，東張水庫(kù)平均淤泥厚度為0.36 m。

（2）庫(kù)區(qū)、河湖等靜態(tài)水域的淤泥分布與地形地勢(shì)關(guān)系密切，沼澤、平坦地區(qū)較陡峭地勢(shì)區(qū)域淤泥厚度大。

（3）在準(zhǔn)確確定淤泥分布的情況下，分析了密度采樣點(diǎn)的選擇對(duì)分層精度的影響，提出了一種提高分層精度的可靠的密度采樣點(diǎn)選擇方法，有助于提高走航式SILAS密度數(shù)據(jù)的分層精度。

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（編輯：李曉瀠）