SILAS走航式适航水深测量系统在太湖底泥测量中的应用

郭海峰

(无锡河湖科技咨询有限公司,江苏 无锡 214031)

1 太湖清淤的主要目的和淤泥分类的定义

1.1 太湖清淤的主要目的

太湖是我国五大淡水湖泊之一,水域面积为2 338 km2,它是一座天然的流域性调蓄水库,是无锡和苏州及其他周边地区的生活和工业水源地,对江浙地区的人民生活和经济社会发展的作用极为重大。

2007年太湖蓝藻暴发影响了无锡城市饮用水水质,之后无锡市委、市政府颁布了“6699”行动的决定,并将其作为治理太湖的行动纲要。

太湖清淤作为治理太湖行动的一项重要措施。清楚了解太湖底泥的分布及密度,是太湖清淤有效进行的关键。湖泊底泥是陆源性入湖污染物 (营养物、重金属、有机毒物等)的主要蓄积场所。在不同的环境影响(温度、风浪和溶氧等)条件下,底泥既可以净化湖泊水体,也可以因富含污染物而成为潜在的内源性污染源污染水体,增加上层水体营养负荷。由于近年来工农业的快速发展,造成了太湖底泥表层富含污染物。因此,太湖清淤的主要目的是清除太湖底泥表层的有害污泥。这就需要弄清太湖底泥的分布情况,这里以密度划分淤泥。

1.2 淤泥分类的定义

通常意义上的淤泥,根据《港口工程地质勘察规范》里的表述,准确名称应为淤泥性土,它是指在静水或缓慢的流水环境中沉积,天然含水率大于液限、天然孔隙比大于1.0的黏性土,可细分为淤泥质土、淤泥、流泥和浮泥,具体分类见表1。

表1 淤泥分类表

含水率、密度和孔隙比是反映淤泥再悬浮潜力的重要参数。淤泥的含水率越高,密度越小,在风浪扰动下再悬浮也就越容易。根据相关文献中的分析太湖表层的4～15 cm沉积物的含水率随深度的增大而快速的下降,而密度也由1.23 g/cm3迅速地增加到1.53 g/cm3以上。因此有理由认为这一层位可以称为太湖淤泥含水率的 “跃变层”,在“跃变层”下面沉积物的含水率和密度变化都不大。由于淤泥的跃变层在浅水湖泊的沉积物—上覆水交换过程中以及营养盐循环过程中具有重要意义,因此采用1.23 g/cm3和1.53 g/cm3对太湖淤泥进行划分是必要的和科学的。此次研究将以表2中的密度范围对太湖淤泥分类。

表2 太湖淤泥分类表

1.3 本文涉及的主要内容

(1)SILAS与传统方法的比较。本文将同时介绍几种淤泥测量的方法,并与SILAS技术进行比较,总结出它们各自的特点。

(2)SILAS系统在太湖底泥测量中的应用。本文将重点介绍SILAS系统的原理、测量方法、及在太湖底泥测量中的应用。

2 常见的淤泥测量方法

当前淤泥测定方法较多,有水底地层剖面仪、钻孔采样法、静力触探法 (有时可简化成人工压力测杆法)、声纳探测法、放射线探测法、SILAS系统测量等。

2.1 水底地层剖面仪

水底地层剖面仪利用声波的反射效应,获取水底地层剖面信息,但是该仪器不能自动、要靠作业员经验来判断各地层的分划,而且作业效率很低,运行成本高,仅适用于小区域(如港口工程)的地层探测。

2.2 钻孔取样法

勘探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中各分层淤泥的天然密度。钻孔取样虽是“眼见为实”,但对淤泥的扰动不能避免,即原状样不易采到。另外对太湖这样广漠的水域,按200 m×150 m密度用钻探法测定各个测点的淤泥分布,其工作量非常大。这样耗时费力,不适用于太湖的大规模淤泥测量。

2.3 静力触探法

静力触探法一般采用专用测杆进行,其原理是测定淤泥的承载力,即通过测定淤泥层对测杆的比贯入阻力来确定淤泥厚度。如果淤泥承载力与该层淤泥密度之间的关系是确定的,那么在水深较浅、淤泥较薄的地方,特别是水草生长茂密的区域,用专用测深杆测定淤泥的厚度是可靠的。但是,随着水深和淤泥厚度值的增大,测杆的倾斜、附着力等对测定精度的影响也随之增大。

2.4 声纳探测法

声纳探测法,即用双频超声波测量淤泥深度,近年来得到广泛的应用。传统的双频超声波测量,以高频测量泥水界面,再通过低频测量淤泥底层距水面距离,从而得到淤泥厚度。这种方法较之其他方法高效快速,但淤泥的绝对密度值无法测定。

2.5 放射线探测法

放射线探测是根据核射线 (如γ射线)的放射衰减比率来测定淤泥的密度。国外比较典型的有Navitracker密度测量系统(放射源为铯137 Cs)和VDP泥沙浓度仪(放射源为钡133 Ba),国内以南京水利科学研究院的NKY-94型γ射线测沙仪 (放射源为镅241 Am)。放射线探测法测定密度的精度较高,但工作效率低,对人员和被测区域环境有潜在的放射性危害,安全性较差。

2.6 SILAS系统

SILAS系统是一个声学数据采集及处理系统,主要应用于水底淤泥及沉积层厚度探测及物性分析。它利用双频测深仪获取水底淤泥层的声学反射信息 (反射信号强度、信号增益、时变增益等),利用密度计获得代表点 (标定点)断面的密度柱状图,通过SILAS专用软件自动推定剖面上各点的密度值,根据标定点的数值结合声学反射信息来推断、划分剖面上其它点的密度。当确定的密度值被输入后,此密度层面即可连续划分出来。

另外,由于根据测量点位及测区情况布设航线,每条航线上由SILAS系统走航,连续测定各点,因此水下地形起伏较大处不会遗漏,并能测定地笼、湖底水草的位置及范围,在数据处理时通过SILAS系统水底跟踪功能,可排除水生植物、地笼对施测成果的影响。

2.7 几种淤泥测量方法能力比较

经过总结归纳,几种淤泥测量方法能力比较见表3,几种淤泥测量方法综合比较见表4。

表3 几种淤泥测量方法能力比较表

表4 几种淤泥测量方法综合比较表

3 SILAS系统

3.1 SILAS系统简介

SILAS系统由荷兰STEMA公司开发,该系统利用声学反射测量方法来获得淤泥层的连续密度剖面,很好地解决适航水深问题。实践表明SILAS系统在太湖底泥测量中也能发挥很好的作用。

SILAS系统是一个声学数据采集及处理系统,主要应用于水底淤泥及沉积层厚度探测及物性分析。它利用双频测深仪获取水底淤泥层的声学反射信息(反射信号强度、信号增益、时变增益等),利用密度计获得代表点(标定点)断面的密度柱状图,通过SILAS专用软件自动推定剖面上各点的密度值,根据标定点的数值结合声学反射信息来推断、划分剖面上其他点的密度。当确定的密度值被输入后,此密度层面即可连续划分出来。

3.2 SILAS系统原理

SILAS系统利用普通回声测深仪向水底发射低频声波信号,声波到达水底后,部分声波被反射而另一部分声波将穿透水底。反射回波的信号强度取决于水底沉积层的密度变化。这种密度变化被定义为“密度梯度”。反射信号的幅度大小是由反射层的密度梯度确定的。密度梯度越大,反射信号越强。由于声波的反射和密度梯度之间的关系是已知的,即每一次反射都是因为密度的梯度变化引起的,这样就可以对密度的梯度进行定量化处理。当然,其前提条件是密度的梯度变化必须达到一定的数值,否则是不会有反射的。

SILAS系统利用标定过的声源信号来记录反射信号的强度,经处理形成瀑布图及剖面上各层的信号反射强度值,高精度地测定密度的梯度值。根据信号的增益(放大倍数)及时变增益(TVG),获得正确的密度梯度,再根据密度梯度的增减变化来确定每个特定深度上的相对密度值。然后通过单点数据测量来获得绝对密度,即利用系统中的Densitune音叉振动密度计通过测量单点密度,建立起绝对密度和反射强度之间的对应关系,提取航线上任意密度值曲线,从而确定整条剖面不同深度上的密度值,继而可确定底泥厚度。图1展示了水底声学剖面、反射信号回波以及密度柱状图的对应关系。图2为在太湖测量时SILAS系统划分某一条航线的密度层面。

图1 水底声学剖面、反射信号回波以及密度柱状图的对应关系图

图2 SILAS系统划分密度层面图

3.3 系统构成

SILAS系统由硬件和软件2部分组成。

(1)硬件组成。系统的硬件(见图3),主要由高精度双频测深仪 (ODOM MARKIII),双频换能器 (200 kHz和24 kHz)Densitune音叉振动密度计,带A/D转换卡的便携式测量计算机和导航计算机组成。

(2)软件组成。SILAS系统软件主要由SILAS软件(数据采集、数据处理、数据编辑、数据转换等模块),密度计数据采集、标定、数据处理、数据编辑软件包和导航软件(Hypack,或用户自编软件)组成。

图3 SILAS走航式适航水深测量系统结构图

4 SILAS系统在太湖淤泥测量中的实施

4.1 GPS-RTK无验潮测深法

太湖淤泥测量的研究不仅要研究淤泥的密度划分问题,淤泥测量点的空间信息采集问题也是重点的研究对象。空间信息采集中,最为关键的是淤泥测量点的高程信息采集,水上高程信息的采集方法主要有传统的验潮法和利用GPS-RTK技术的无验潮测深方法。因为太湖水域面积广阔,验潮站需要设立很多,人力物力资源占用较多,实施起来也比较麻烦。而在很多时候,验潮站的验潮数据往往不能代表测量区域的潮位。GPS-RTK无验潮测深方法则消除了这些缺点,它不需要传统的验潮资料,实施起来简单方便,且测量精度优于传统测量模式。GPS-RTK(Real Time Kinematic)可以精确地测定两点之间的相对高差,小区域范围内 (一般不超过30 km)通过该高差便可反算出流动站GPS天线相位中心的高程,该高程同基准站具有相同的高程基准面。无验潮水下地形测量是利用高精度实时相位差分GPS测出天线相位中心的大地高Hphase,在此同一瞬间由SILAS系统测出淤泥点的深度h,则淤泥点的高程Hsilt为:

式中:ξ为高程异常;L为GPS天线相位中心至换能器底部的高度;h为淤泥深度;Δ h为因风浪引起的综合改正数,其数值受大地水准面、风浪及船的姿态等各方面影响。

4.2 工作流程

(1)根据工作内容和工作区域编制技术设计书,指导外业采集和内业处理工作。

(2)布设和建立覆盖测量区域的基本控制网,包括平面控制和高程控制,通过GPS观测和水准测量得到高精度(mm级)的平面坐标和高程,用来作为进行水下地形与淤泥测量GPS-RTK作业时的基准点及输入数据。

(3)应用水下地形与淤泥测量SILAS技术进行水下地形与淤泥测量点空间信息的同步外业采集:基准点设置GPS接收机,基准点与测船流动站同时接收卫星信号,基准站将接收到的卫星信号通过专用电台发送给测船流动站,流动站将接收到的卫星信号及基准站发送来的信号传输至测船流动站接收机控制单元,通过专用软件进行实时差分及平差处理,实时得出测点的平面坐标和高程。获得的平面和高程坐标与SILAS系统的高频水底深度数据/低频淤泥深度数据实时叠加而获得cm级精度的水下地形与淤泥测量点空间信息。

(4)外业采集结束后,采用专用软件进行数据内业处理,输出淤泥测量的各种成果,分析成果数据,形成研究报告。

上述工作流程见图4。

图4 工作流程图

4.3 淤泥测量的具体过程

(1)以湖边 (或岛屿上)四等GPS点为参考站,利用GPS实时动态载波相位差分(RTK)无验潮技术进行测点的平面高程定位(见图5)。载有SILAS系统的作业船为流动站,沿着设计航线行进。

图5 利用Hypack软件进行测点平面和高程定位图

(2)在行进中启动GPS-RTK系统和SILAS系统,连续获取测量点的平面位置和高程并记录航线上水下地层的柱面信息(连续测量图见图6)。由系统通过换能器向湖底发射高(200 kHz)低(24 kHz)2个频率的声波,再由换能器接收反射声波传入系统,进行分析处理,生成瀑布图(见图7)。

图6 连续测量图

图7 声学瀑布图

(3)根据瀑布图和实际走航情况每条航线选取几个代表点,应用Densitune音叉振动密度计获取密度值,作为该航线或该区域的标定点。对于密度计不能达到的密度深度(约1.5 g/cm3以上)则采用钻孔资料补充标定。选取区SILAS行密度计算见图8。

图8 选取区SILAS行密度计算图

(4)按照SILAS的程序要求对密度计本身密度测定的准确度进行标定。

(5)利用密度计获得代表SILAS)断面的密度柱状图,通过SILAS专用软件自动推定剖面上各点的密度值,根据标定点的数值结合声学反射信息来推断、划分航线上剖面上其它点的密度。根据2.1节对淤泥的划分情况,共划分出1.08(水底),1.2,1.5,1.8 g/cm34个密度层面。

(6)结合平面和高程定位信息,按照上述密度层面分别绘制淤泥厚度图,同时计算淤积量。

(7)水草茂密地区的淤泥测量方法:水草分布茂密的区域主要在贡湖。凡密度计能施测的地方,用密度计和钻孔资料对密度值进行联合率定,密度计无法施测的地方,用钻孔资料进行密度值率定,密度计无法施测,也无钻孔资料的个别区域,则用测杆法测量淤泥的厚度。

(8)外业采集结束后,采用专用软件进行数据内业处理,输出淤泥测量的各种成果,分析成果数据,形成SILAS测量最终成果。

4.4 精度评价

(1)SILAS系统的测量性能较稳定,成果具有复现性,即当某一地区淤泥组成经SILAS多次测定的结果是一致的。

(2)SILAS系统测量淤泥厚度与常规钻孔测量的淤泥厚度基本一致。

(3)淤泥调SILAS度取决于密度划分的精度,SILAS密度划分误差的主要来源是测深仪的测深误差、密度计的密度测定误差、SILAS身标定误差。实践证明,SILAS系统划分某 一密度层是稳定可靠的,如采用钻孔采样重复测定,则SILAS相对于钻孔采样值的密度划分误差在同深SILAS的1/10。

(4)SILAS系统采样稳定,在走航时对淤泥无扰动,密度测量准确高效,同密度层划分可靠,是一种较好的走航式水底连续密度划分系统。

(5)尽管钻孔采样受采样方法局限,不能准确划分某一密度层,但因其采样深度较深,可以采集到密度大于1 800 g/L的样本。因此,在要求进行高密度(一般大于1 500 g/L)测量时,钻孔采样可作SILAS系统的补充,作为SILAS密度划分的输入资料。

5 结 语

经过以上分析,得出了如下结论:

在进行淤泥测量时,应根据测区的特点和具体要求进行测量方法上的选择。例如,对于小面积且精度要求不高的测量,可采用静力触探法;对于港口、航道等精度要求高,面积不大的区域,可以采用单点音叉振动密度计或放射线密度仪;对于面积大、精度要求高的测量,可以采用SILAS方法。同时可以根据测区的不同状况,制定不同区域的测量方法,并且可以使用各种测量方法协同作业。

根据上述分析,对于太湖这样大面积的SILAS的淤泥测量精度较高,应用SILAS系统进行太湖淤泥测量的密度划分是非常适合的。同时应结合钻孔取样法,静力触探和单点密度计测量等方法作为补充,完成特殊区域的淤泥测量。