参量阵浅地层剖面技术在柴河水库淤积测量中的应用*

崔双利,于国丰,曲 磊,孔繁友,王 莉,孟 旭

(辽宁省水利水电科学研究院,辽宁 沈阳 110003)



参量阵浅地层剖面技术在柴河水库淤积测量中的应用*

崔双利,于国丰,曲 磊,孔繁友,王 莉,孟 旭

(辽宁省水利水电科学研究院,辽宁 沈阳 110003)

介绍了参量阵水下地层浅剖技术及对柴河水库进行淤积探测的应用过程。依据对采集数据的处理和分析,提出了柴河水库淤积集中分布区域、淤积厚度和淤积量的探测结果。通过与该库使用传统方法淤积测量结果比较,初步验证探测结果是可靠的。

参量阵;浅剖;水库淤积;探测

水库淤积是一个普遍存在的问题,由于泥沙大量淤积,降低了水库的防洪能力,同时水库淤积引起回水上延,会吞噬既有农田耕地,影响农业生产及社会和谐稳定。另外河道淤积会使河床抬高,影响行洪、航运及生态建设。传统的水库、河道淤积测量方法受水流、水深、水位波动等因素影响,存在效率低、精度差等弊端。因此引进一种国外先进的水库淤积探测技术设备,解决目前水库、河道淤积测量存在的问题是十分必要的。

辽宁省水科院2014年通过水利部“948”计划项目资助,引进了德国先进的水库淤积探测设备(SES-2000 light Plus浅剖仪),是一种轻便灵活、高分辨率、高精度探测水深及水底浅地层剖面的新型仪器。

1 参量阵水下地层浅剖技术

参量阵声呐在高压下同时向水底发射两个频率接近的高频声波信号(f1,f2)作为主频,当声波作用于水体时,会产生一系列二次频率如f1,f2,(f1+f2),(f1-f2),2f1,2f2等等。其中的f1高频用于探测水深,而f1,f2的频率非常接近,因此(f1-f2)即差频频率很低,具有很强的穿透性,可以用来探测水底浅地层剖面[1]。

SES-2000 light Plus浅剖仪采用两个100 kHz的频率作为主频,由于100 kHz的换能器有一定的带宽,因此利用二者之差可以获得多个低频。例如：用106-100 kHz可获得6 kHz低频,其它依此类推。SES-2000 light Plus浅剖仪的可选频率有5 kHz、6 kHz、8 kHz、10 kHz、12 kHz、15 kHz。在测量时可以根据测区的具体情况,通过软件来选择所需的频率。该仪器声呐发射(接收)装置换能器固定在测船水下,按一定时间间隔垂直向下发射声脉冲, 声脉冲穿过水体触及水底后, 部分声能反射回换能器; 另一部分声能继续向地层深层传播, 同时回波陆续返回被接收。声波传播的声能随传播深度逐渐损失, 直到声波能量损失耗尽为止。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。换能器固定在船玄上如图1所示,探测时将其下入水中一定深度便可采集声呐数据。

图1 固定在船玄上声呐发射(接收)装置换能器

2 柴河水库概况及测淤的必要性

2.1 水库概况

柴河系辽河中游左侧一条较大支流,全长为143 km,流域面积为1 501 km2。柴河水库是以防洪、灌溉为主,结合发电和养鱼等综合利用的大(Ⅱ)型水利枢纽。水库控制流域面积为1 355 km2,占柴河流域总面积的90%，最大坝高为42.3 m,最大库容为6.36亿m3。

水库自1974年竣工并投入使用已运行了40余年,其间经历了1975、1985、1994、1995和2005年较大的洪水,特别是1995和2005年两次洪水,其洪峰流量和洪水总量均是历史罕见,将大量的泥沙带入水库库区,使库区的地形发生了改变,库容与水库设计时发生了较大变化,改变了水库的蓄水能力,给水库的调度工作带来了不利影响。

2.2 测淤必要性

根据《水库水文泥沙观测规范》,水库淤积测验是水库管理运行基本观测项目之一。水库淤积测验包括库容变化测验和冲淤变化测验两类,目的是通过淤积测验资料的分析,了解水库库容的损失及泥沙淤积分布规律和在不同水、沙条件下的变化规律,以制定水库合理地调水、调沙及库区整治方案,充分发挥水库效益[2]。

柴河水库自1974年建库以来,除2009年水库自行组织了一次淤积测量外,再未进行过水库淤积测量。水库一直沿用建库时的水位～库容曲线,由于欠缺对水库库容的损失及泥沙淤积分布规律的了解,导致在水库调度运用、自身运行安全方面存在着隐患。因此,柴河水库的淤积测量工作势在必行。

3 数据采集及处理

3.1 数据采集

2015年5月6日～6月3日,辽宁省水科院“948”项目课题组利用该项设备技术,对柴河水库水下淤积状况进行全面探测。该项工作是以柴河水库2009年采用凿冰眼下探尺的测淤断面为基准,对原测量断面采用该项引进技术进行复测。测船首先定位在原测量断面坐标起点上,而后在GPS导航定位指引下沿断面测线行进,在此过程中实时对断面水下深度、水底淤积厚度进行探测。水上探测工作历时近一个月,共完成库区15 km范围内80条测线的水下剖面数据采集。

3.2 数据处理

随后对采集数据进行解释分析工作。针对采集获得的80条测线数据,通过后处理软件进行增益滤波处理和自动捕捉分层,生成各条测线水底剖面图像。以01#测线图像为例(见图2所示)作说明。图像中,水底层是仪器高频声波形成反射面,即处理图像时显示第一层；第二层是仪器低频(非线性差频)声波获得的反射面,为较软土质分层,分析可能由库底多年淤积和建库前地表含水量大的软土层构成,因此暂定名该层为软土淤积层。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。以01#测线剖面为例列出处理后得到的数据(部分),如表1所示。

图2 柴河水库声呐探测01#测线浅剖图像

表1 柴河水库声呐探测01#测线水底浅剖数据(部分)

4 淤积量计算与探测结果分析

4.1 淤积量计算

淤积量计算方法是将测区按测线分成若干块,利用已测到的淤积层剖面位置坐标及淤积层厚度数据,运用相关软件计算每块淤积量,而后将各块淤积量累加,得出柴河水库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。位置在4#～15#测线区间,淤积厚度在0.6～0.9m左右,淤积量约占统计淤积总量的39%。水库淤积集中分布情况详见图3所示(前30条测线图)。图中,分块内左侧括弧内标注号为分块淤积量排序值,右侧括弧内标注号为单位面积淤积量排序值,网格线代表淤积集中且较严重区域。

图3 柴河水库测区范围内淤积量分布图(前30条测线)

4.2 水底高程变化比较

通过对柴河水库2009年采用凿冰眼下探尺的测量断面数据进行提取整理,得到每个断面各测点坐标值和水底高程值。在本次采用声呐探测得到的数据中,对应原测量断面的各个测点坐标位置,提取相应的水底高程值进行比较,得到水底高程值变化情况,以02#测线(如图4所示)为例进行说明。图中“●”代表2009年所测02#测线水底高程6个测点值,“▲”代表本次声呐探测在同条测线上提取的对应坐标的6个测点水底高程值。从中看出两者高程差值范围在0.01～0.25 m之间,基本上是相互吻合的。差值偏离较大者经分析,除测量方法产生误差外,可能原因是2015年声呐探测时,测船沿2009年测线航行受风浪、导航等因素影响航迹有偏离,导致与2009年测点坐标的偏离,由此造成水底高程值不同程度偏差。

图4 02#测线09年与15年水底高程值对比

5 结语

1) 通过对处理数据及计算得到的分块淤积量进行分析,获得柴河水库淤积集中分布区域。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%。其他位置也均存在不同程度淤积,淤积厚度一般在0.5 m以下。

2) 将本次探测到水底高程结果与2009年同一断面同一测点水底高程测量结果进行比较,得到相互印证的高程差值平均在0.01～0.25 m左右。因此通过2009年水深测量结果验证,证明声呐探测水深结果是可靠的。而探测到浅剖淤积厚度结果的可靠性,还需经过水底钻孔取样验证。此项工作下一步通过引进国外水上声波钻机钻取芯样分析完成。

[1] 祝鸿浩,王锦柏.参量阵浅剖仪及其信号预处理方法研究[J].上海：现代电子技术,2015(9)：47．

[2] 水库水文泥沙观测规范：SL339—2006[S].2006．

(本文责任编辑 马克俊)

Application of Parameter Array Shallow Profile Technique to Sedimentation Measurement of Chaihe Reservoir

CUI Shuangli，YU Guofeng，QU Lei，KONG Fanyou，WANG Li，MENG Xu

(Liaoning Province Institute of Water Resources and Hydropower Research，shenyang 11003，China)

Parameter array shallow profile technique in underwater soil and its application to sedimentation detection of Chaihe Reservoir have been introduced. With analyzing data collection, results of sedimentation concentrated distribution areas, sedimentation thickness and sedimentation volume in Chaihe Reservoir are released. Comparing with the results by using traditional methods, the results are reliable.

parameter array, shallow profile, reservoir sedimentation, detection

2016-01-27;

2016-02-26

崔双利(1964),男,本科,教授级高级工程师,主要从事水利科研工作。

*资助项目:水利部“948”计划项目资助,项目编号:201423。

TV697.2+2

B

1008-0112(2016)02-0008-03