探讨中小河流治理中的淤泥观测技术

杨 璐

（开原市和洋水利勘测设计有限公司，辽宁 开原 112300）

0 引言

随着经济的高速发展，中小河流沿岸非法采砂、违章建筑、拦河设障、擅自侵占河道等现象十分常见，导致河道淤积，中小河道泄洪能力降低，地区防洪压力倍增，对当地群众安全产生巨大威胁。近些年来，洪涝等自然灾害频发导致中小河流淤泥含量激增，使其治理难度不断增加。由此可知，科学运用淤泥观测技术手段准确评估中小河流淤泥含量，针对性采取除淤措施治理河道现实意义巨大。中小河道水文分析中，淤泥观测成为核心所在。本文基于中小河流治理现状，利用音叉密度仪、双频测深仪、γ射线密度仪三种种仪器对苏南某中小河流淤泥情况进行现场勘测，结合测量数据比较不同检测手段的适用条件、测量准确性，对比三种测量手段的内在关联，为相关工程应用提供参考。

1 钻探技术测量淤泥

随着科技的快速发展，水下淤泥深度勘测手段日新月异，仪器测量技术和钻探测量技术在该领域内广泛应用，尤其是钻探测量技术备快捷、便利、准确的特点，在基层小型河道淤泥深度测量领域内使用普遍。目前，钻探技术测量淤泥深度的常用方法包括钻孔取样法、静力触探法或测杆法。

1.1 钻孔取样法

利用钻机单点柱状采集目标区域淤泥样本，随后应用环刀法测定样本不同分层结构中淤泥天然密度值差异，测量各分层淤泥厚度，从而获得淤泥深度数据。钻孔取样法应用于中小河流淤泥深度测量时，无法进行浮泥、流泥样本采集，难以评估浮泥、流泥层厚度，并会扰动淤泥层，测量结果与实际数据之间会存在误差。该测量方法对测量精度要求高或区域面积大的河道测量实用性不强，测量成本高、工作量大、工作效率低，难以在实践中普遍推广。

1.2 静力触探法

该方法以专用测杆进行淤泥深度测量，测量单点淤泥层与测杆之间的比贯入阻力，基于该数据核算淤泥承载力求得淤泥厚度值。通过读取测量杆触及淤泥上下表面深度差，将其作为淤泥深度，测量时测杆接触淤泥表面时读取专用测杆示数，随后继续下压测杆，测杆触及淤泥下表面时阻力值达到特定程度，读取对应测杆示数，两个示数差即为淤泥层厚度值。上述操作方法简便且精度高，测杆形状、大小、承载力区间等会影响测量精确度与误差。

2 音叉密度仪的工作原理

音叉密度仪也被称为泥浆密度仪，利用不同密度介质间音叉的频率振动响应值差异进行淤泥深度测量。音叉密度仪传感器依据元件振动原理设计，其产生振动作用的元件与音叉类似，借助压电晶体振动作用将振动频率传输并检测出来，随后借助放大电路和移相将叉体在固有谐振频率上加以固定。检测时，叉体被置入淤泥中，随着介质变化，谐振频率出现改变，不同介质间的谐振频率差异，介质密度与振动频率关系如下所示。

上述表达式中，D为目标介质密度，T为叉体固有频率，T2为叉体置入介质频率，K0、K1、K2为常数项。

根据上述表达式1，通过音叉密度仪电子单元即可算出目标价值密度值，可于野外连续采样测量作业，通过淤泥层密度情况反映其质地情况。

3 γ射线密度仪测量原理

γ射线密度仪利用γ射线透射原理进行物质密度测量，射线透射强度与介质密度密切相关，随介质密度增加透射强度指数衰竭，通过介质密度与穿透强度之间关系计算被测量淤泥厚度。水饱和状态下γ射线透射法测量淤泥容量的公式如下：

上述表达式中，ρ、ρw、ρs分别为淤泥密度、被测量介质（海水或河水）密度和泥沙密度，g/cm3；d为γ射线密度仪射线装置与探测器中心距离，cm；μs为待测淤泥对γ射线的质量吸收系数，cm2/g；CR、C Rw为仪器的γ射线测量计数率和清水中仪器γ射线测量计数率，S-1、S。

采用室内标定法确定公式3中常数项A和常数项B，构建淤泥容量与仪器γ射线测量计数率间回归方程。

γ射线密度仪的结构为平行双管式结构，其探头如下图1所示。

图1 平行双管叉式γ射线密度仪结构示意

取两根金属管作为平行双管叉式γ射线密度仪基础结构，一根管内放入γ源Am，另一根放入NaI闪烁探测器，并配备智能定标器。使用时将平行双管叉式γ射线密度仪探头下沉入水，入水速度2～3cm/s，设备自动记录γ射线计数率并换算出淤泥层密度值，借助压力传感器获得对应水深。压力传感器距离位于放射源上0.5m处，测量中使其高于淤泥水层避免淤泥密度对测量值产生干扰，若淤泥层厚度超过0.5m，则需进行水深校正确保获取淤泥层密度值准确。可于钢丝绳安放拉力传感器以提高仪器使用稳定性，避免触及海底时出现倾斜，根据传感器触及变化判断探头是否触底。

4 双频测深仪测量原理

该项目淤泥深度测量选用320M双频回声测深仪，可同时发射或接收发射1.16～4ms脉宽声脉冲。低频信声信号与高频声信号对水的穿透力不存在差异，前者穿透能力强，同一水底位置沉积物测量所得低频回声测深值（hLF）和高频回声测深值（hHF）不同。此外，沉积物交界面之间存在声阻抗差异，导致高声阻抗与低声阻抗介质角接触出现声波反射，低频声信号于坚硬介质表面以及高频声信号于柔软介质表面易反射。

5 应用实例

测量目标区域位于某河段及相邻区域，测量仪器包括音叉密度仪测量、γ射线密度仪测量及双频测深仪，对三种不同测量仪器效果加以评估与对比。测量过程中将双频测深仪固定于测量船合适位置，使用绞车缓慢放置音叉密度仪、γ射线密度仪至槽底部，测量仪器自动进行测量并获取淤泥深度、密度等相关数值，双频测量仪获取高低频测深数据。

采集被测量区域淤泥样本评估上述三种测量仪器现场测量精度值，样本采集以蚌式抓斗器采集区域内代表性泥样，真实客观地反映出被测量区域淤泥属性及其物理特性。室内标定被采集样本，以天平称重法进行密度测定并室内标定，同时对音叉密度仪及γ射线密度仪相关参数进行标定，对不同检测仪器的检测效果进行评估与对比，详见下表1。

表1 密度仪泥样率定成果

对上述三种测量设备的泥密度仪样率定成果分析可知，设备测量精度高于仪器标定值，且三种测量仪器结果均符合规范要求。进行室内仪器标定，明确淤泥密度与仪器γ射线测量计数率之间的关系，并用γ射线密度仪现场进行水样取样和底泥取样观测，室内仪器标定采用水样和底泥进行样本制备，采用γ射线密度仪对密度不同的样本进行测量，同时记录其对应的γ射线测量计数率。不同密度泥浆样本与γ射线测量计数率之间关系如下表2所示。

表2 泥浆密度与计数率关系

对上述回归方程进行分析可知，其回归系数r为0.9972，表明该方程指标间的相关性十分显著，可利用该方程及CR值计算被测量点的密度值。通过实际测量结合密度垂线梯度分布获得音叉密度仪和γ射线密度仪的作用区间为1.05～1.25g/cm3，即上述两种测量设备可在该密度区间内进行淤泥厚度的测量。双频测深仪器的高频声波（210kHz）与低频声波（24kHz）作用区间不同，对不同密度介质的发声功率反射情况有所差异，低频声波多于密度值为1.25g/cm3左右界面出现明显反射，而高频声波多于密度值为1.05g/cm3左右界面出现明显反射，被测量区域水深对双频测深仪器的发声功率产生较大影响，在密度值1.05～1.25g/cm3的厚度即测量淤泥厚度。本次实测选定53个淤泥点样本，以音叉密度仪测试结果为基准对三种不同仪器的测量数据进行了比较，详情如表3所示。

表3 3种仪器实测的淤泥厚度（m）

6 结论

中小河流河道淤泥导致其防洪能力下降，洪涝等自然灾害增加了区域风险，同时也导致其治理难度增加。综上所述，中小河流治理中应科学运用淤泥观测技术，对中小河流淤泥含量、层厚、密度等指标准确评估，从而制定有效的处置措施提高针对性。针对中小河流不同环境，应选择差异性淤泥观测技术，比如相对静止环境下水深浅的中小河流或小规模工程，可应用钻探测量技术进行淤泥深度测量，而对水流量大、流速快或水深的区域，则可应用音叉密度仪、双频测深仪、γ射线密度仪等不同观测仪器进行测量。