1、1水下淤泥测量 Silas 新技术论述摘要：由于上游水土流失，导致下游水库、航道、海口等淤积严重，对国民经济发展和水工建筑物有效运行产生严重影响。本文就如何准确测量出水下淤泥淤积程度，提出一种新型的水下淤泥测量新方法。Silas技术是采用走航式 Silas 系统连续测定不同深度的淤泥密度，以密度划分淤泥类别；并采用 GPSRTK 无验潮技术定点采集淤泥测点的空间信息，确定其相对高差。根据在实践中的测量结果表明，它与几种传统测量方法相比，能够更准确、更省时、更有效的显著特点。可快捷应用于水库、湖泊、海口、航道等水下地形与淤泥测量。 关键词：水下淤泥测量 Silas 系统 无验潮测深 Keywor
2、ds：Underwater silt measurementSilas 系统 Silas system 无验潮测深 Non tide sounding 中图分类号： P642.13+3 文献标识码： A 前言 我国江河湖泊、水库、海口、航道等各种水域的水环境治理治理、生态疏浚，水资源优化配置和生态保护等工程的顺利进行，都必须探明区域内水下及水下淤泥的分布状态分布特点。淤泥测量技术的研究成果，将广泛运用于我国各种水域的淤泥测定。 2有必要采用和跟踪国内外先进技术，研究、开发测定各种水域水底淤泥的设备和方法，本文就这些方面进行一些论述。 几种方法介绍 国内外淤泥测量普遍采用的是钻孔取样、静力触探/
3、测杆法、声纳探测、放射线探测等。钻孔取样法使用钻机单点采集柱状淤泥样本，用环刀法测定柱状样中各分层淤泥的天然密度。钻孔取样对淤泥的扰动不能避免，浮泥和流泥无法采集到，对于面积大精度要求高的区域，工作量大，价格昂贵。 静力触探/测杆法无法测定淤泥的绝对密度，也无法查明浮泥和流泥的分布。 多普勒双频超声波测量，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，只能测定水底和某一硬底层间的厚度。 放射线探测是根据核射线（如 射线）的放射衰减比率来测定淤泥的密度。放射线探测法通过单点测量淤泥的密度，测定精度较高，但工作效率
4、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。 这些方法在测量过程中淤泥受扰动很大，也无法在水平、垂直方向连续测量，所以在精度、效率上均不令人满意的。而且传统的方法也不能够查明流泥和浮泥的分布。 3新技术介绍 近两年我国交通部门引进 Silas 系统用于港口的适航水深测量，但用 Silas 系统进行湖泊淤泥调查在国内外尚属首次。 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
5、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。 Silas 系统利用普通回声测深仪向水底发射低频声学信号，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。 在图 1 中，左边为水底声学剖面，中间部分为反射信号回波，右边为
6、密度柱状图对应关系图。 4图 1 水底声学剖面、反射信号回波以及密度柱状图对应关系图 新技术的测量原理及成果 （1）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。由系统通过换能器向湖底发射高（200kHZ）低（24KHZ）二个频率的声波，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。瀑布图见图 2。 图 2 Slias 采集的太湖水底声学瀑布图图 3 选取区域标定点进行密度计标定 （2）根据瀑布图和实际走航情况每条航线选取几个代表点（一般为23 个） ，应用 Densitune 音叉振动密度计获取密度值，作为该
7、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 1400g/l 以上)则采用钻孔资料补充标定。密度标定作业示意图见图 3，图中左边为选取适当位置进行密度测量，右边为密度测量。 （3）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。 （4）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、划分航线上剖面上其它点的密度。根据对淤泥的划分情况，共划分出 1080g/l(水底)、1200g/l、1500g/l、1800g/l 四个密5度层面。见下图 4。 图 4 Silas 密度划分结果
8、 图 5 淤泥等厚分布图示例（1.3） （5）结合平面和高程定位信息，按照上述密度层面分别绘制1：10000 淤泥厚度图，同时计算淤积量。 （6）淤泥等厚分布图 经数据处理，永定新河河口淤泥测量的不同密度值对应的深度均已获得，即可绘制等厚分布图及进行淤泥量计算。 在 AutoCADR 2000 平台上分别按技术设计大纲规定的密度值（1.1、1.2、1.25、1.3）生成淤泥等厚分布图，如上图 5。淤泥等厚距为 0.1 米，按图式规定进行了图面整饰，图层、颜色、线型的设置按规定执行。 （7）淤泥储量计算 淤泥储量计算采用基于三角网的算法。在进行库容计算时，通常是将不规则三棱柱置平，即取空间三角形
9、的三个顶点高程的平均值作为三棱柱的方法来近似计算，误差较大。本次用的算法对以上算法进行了改进，通过将不规则三棱柱拆分为一个规则三棱柱和一个三棱锥，然后分别求得其体积的方法精确计算出淤泥量。 新方法的优点 近年来，应用 Silas 系统进行河口淤积测量方法研究在“太湖湖底6淤泥测量的研究”以及“浙江象山港试挖槽水下地形及淤泥测量”工作中得到了成功的运用，开创了以密度划分淤泥的连续淤泥密度测量的新方法在浅水水域的成功运用。这种新方法的优势明显，经济效益也非常突出。综述如下： (1)SiLas 系统中，密度计的密度测量精度优于常规钻孔采样密度测定的精度，其检定精度同标称精度一致。误差小于 1%。 (
10、2)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没有变化时，测定的结果是一致的。 (3)淤泥调查的测定精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、密度计本身标定误差。实践证明，SiLas 系统划分某一密度层是稳定可靠的，如果不考虑钻孔采样的重复测定误差，则 SiLas 相对于钻孔采样值的密度划分误差在同深度上小于 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
11、，但因其采样深度较深，可以采集到密度大于 1800g/l 的样本。因此，在要求进行高密度(一般大于 1500g/l)的划分测量时，钻孔采样可以作为 SiLas系统的补充，作为 SiLas 密度划分的输入资料。 结束语 水域水底淤泥测量新方法是目前国内外比较前言的新技术，能够直观准确划分浮泥、流泥、淤泥和淤泥质土四个层次的分布。掌握水下淤7积的基本信息对制定综合治理的科学方案显得尤为重要。对新技术方法的研究和掌握将对我国江河湖泊的可持续利用发挥积极的作用。 参考文献 1靳晓莉 高俊峰 赵广举,太湖流域近 20 年社会经济发展对水环境影响及发展趋势J,长江流域资源与环境,2006.3 2王卫国 谢津平,水下地形与淤泥测量 silas 技术，地质找矿论丛，2007.9 3裴文斌 沈小明 水下淤泥密度及泥层深度的测量方法，港工勘察，2002.2 作者简介 余宣兴 中水北方勘测设计研究有限责任公司 高级工程师 赵淑屏 中水北方勘测设计研究有限责任公司 工程师 朱明新 中水北方勘测设计研究有限责任公司 工程师 宋学山 中水北方勘测设计研究有限责任公司 助理工程师
