郭海峰

(無錫河湖科技咨詢有限公司,江蘇 無錫 214031)

1 太湖清淤的主要目的和淤泥分類的定義

1.1 太湖清淤的主要目的

太湖是我國五大淡水湖泊之一,水域面積為2 338 km2,它是一座天然的流域性調(diào)蓄水庫,是無錫和蘇州及其他周邊地區(qū)的生活和工業(yè)水源地,對江浙地區(qū)的人民生活和經(jīng)濟社會發(fā)展的作用極為重大。

2007年太湖藍藻暴發(fā)影響了無錫城市飲用水水質(zhì),之后無錫市委、市政府頒布了“6699”行動的決定,并將其作為治理太湖的行動綱要。

太湖清淤作為治理太湖行動的一項重要措施。清楚了解太湖底泥的分布及密度,是太湖清淤有效進行的關(guān)鍵。湖泊底泥是陸源性入湖污染物 (營養(yǎng)物、重金屬、有機毒物等)的主要蓄積場所。在不同的環(huán)境影響(溫度、風浪和溶氧等)條件下,底泥既可以凈化湖泊水體,也可以因富含污染物而成為潛在的內(nèi)源性污染源污染水體,增加上層水體營養(yǎng)負荷。由于近年來工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,造成了太湖底泥表層富含污染物。因此,太湖清淤的主要目的是清除太湖底泥表層的有害污泥。這就需要弄清太湖底泥的分布情況,這里以密度劃分淤泥。

1.2 淤泥分類的定義

通常意義上的淤泥,根據(jù)《港口工程地質(zhì)勘察規(guī)范》里的表述,準確名稱應(yīng)為淤泥性土,它是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積,天然含水率大于液限、天然孔隙比大于1.0的黏性土,可細分為淤泥質(zhì)土、淤泥、流泥和浮泥,具體分類見表1。

表1 淤泥分類表

含水率、密度和孔隙比是反映淤泥再懸浮潛力的重要參數(shù)。淤泥的含水率越高,密度越小,在風浪擾動下再懸浮也就越容易。根據(jù)相關(guān)文獻中的分析太湖表層的4～15 cm沉積物的含水率隨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。因此有理由認為這一層位可以稱為太湖淤泥含水率的 “躍變層”,在“躍變層”下面沉積物的含水率和密度變化都不大。由于淤泥的躍變層在淺水湖泊的沉積物—上覆水交換過程中以及營養(yǎng)鹽循環(huán)過程中具有重要意義,因此采用1.23 g/cm3和1.53 g/cm3對太湖淤泥進行劃分是必要的和科學的。此次研究將以表2中的密度范圍對太湖淤泥分類。

表2 太湖淤泥分類表

1.3 本文涉及的主要內(nèi)容

(1)SILAS與傳統(tǒng)方法的比較。本文將同時介紹幾種淤泥測量的方法,并與SILAS技術(shù)進行比較,總結(jié)出它們各自的特點。

(2)SILAS系統(tǒng)在太湖底泥測量中的應(yīng)用。本文將重點介紹SILAS系統(tǒng)的原理、測量方法、及在太湖底泥測量中的應(yīng)用。

2 常見的淤泥測量方法

當前淤泥測定方法較多,有水底地層剖面儀、鉆孔采樣法、靜力觸探法 (有時可簡化成人工壓力測桿法)、聲納探測法、放射線探測法、SILAS系統(tǒng)測量等。

2.1 水底地層剖面儀

水底地層剖面儀利用聲波的反射效應(yīng),獲取水底地層剖面信息,但是該儀器不能自動、要靠作業(yè)員經(jīng)驗來判斷各地層的分劃,而且作業(yè)效率很低,運行成本高,僅適用于小區(qū)域(如港口工程)的地層探測。

2.2 鉆孔取樣法

勘探鉆孔取樣使用鉆機采集柱狀淤泥樣本,用環(huán)刀法測定柱狀樣中各分層淤泥的天然密度。鉆孔取樣雖是“眼見為實”,但對淤泥的擾動不能避免,即原狀樣不易采到。另外對太湖這樣廣漠的水域,按200 m×150 m密度用鉆探法測定各個測點的淤泥分布,其工作量非常大。這樣耗時費力,不適用于太湖的大規(guī)模淤泥測量。

2.3 靜力觸探法

靜力觸探法一般采用專用測桿進行,其原理是測定淤泥的承載力,即通過測定淤泥層對測桿的比貫入阻力來確定淤泥厚度。如果淤泥承載力與該層淤泥密度之間的關(guān)系是確定的,那么在水深較淺、淤泥較薄的地方,特別是水草生長茂密的區(qū)域,用專用測深桿測定淤泥的厚度是可靠的。但是,隨著水深和淤泥厚度值的增大,測桿的傾斜、附著力等對測定精度的影響也隨之增大。

2.4 聲納探測法

聲納探測法,即用雙頻超聲波測量淤泥深度,近年來得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的雙頻超聲波測量,以高頻測量泥水界面,再通過低頻測量淤泥底層距水面距離,從而得到淤泥厚度。這種方法較之其他方法高效快速,但淤泥的絕對密度值無法測定。

2.5 放射線探測法

放射線探測是根據(jù)核射線 (如γ射線)的放射衰減比率來測定淤泥的密度。國外比較典型的有Navitracker密度測量系統(tǒng)(放射源為銫137 Cs)和VDP泥沙濃度儀(放射源為鋇133 Ba),國內(nèi)以南京水利科學研究院的NKY-94型γ射線測沙儀 (放射源為镅241 Am)。放射線探測法測定密度的精度較高,但工作效率低,對人員和被測區(qū)域環(huán)境有潛在的放射性危害,安全性較差。

2.6 SILAS系統(tǒng)

SILAS系統(tǒng)是一個聲學數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng),主要應(yīng)用于水底淤泥及沉積層厚度探測及物性分析。它利用雙頻測深儀獲取水底淤泥層的聲學反射信息 (反射信號強度、信號增益、時變增益等),利用密度計獲得代表點 (標定點)斷面的密度柱狀圖,通過SILAS專用軟件自動推定剖面上各點的密度值,根據(jù)標定點的數(shù)值結(jié)合聲學反射信息來推斷、劃分剖面上其它點的密度。當確定的密度值被輸入后,此密度層面即可連續(xù)劃分出來。

另外,由于根據(jù)測量點位及測區(qū)情況布設(shè)航線,每條航線上由SILAS系統(tǒng)走航,連續(xù)測定各點,因此水下地形起伏較大處不會遺漏,并能測定地籠、湖底水草的位置及范圍,在數(shù)據(jù)處理時通過SILAS系統(tǒng)水底跟蹤功能,可排除水生植物、地籠對施測成果的影響。

2.7 幾種淤泥測量方法能力比較

經(jīng)過總結(jié)歸納,幾種淤泥測量方法能力比較見表3,幾種淤泥測量方法綜合比較見表4。

表3 幾種淤泥測量方法能力比較表

表4 幾種淤泥測量方法綜合比較表

3 SILAS系統(tǒng)

3.1 SILAS系統(tǒng)簡介

SILAS系統(tǒng)由荷蘭STEMA公司開發(fā),該系統(tǒng)利用聲學反射測量方法來獲得淤泥層的連續(xù)密度剖面,很好地解決適航水深問題。實踐表明SILAS系統(tǒng)在太湖底泥測量中也能發(fā)揮很好的作用。

SILAS系統(tǒng)是一個聲學數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng),主要應(yīng)用于水底淤泥及沉積層厚度探測及物性分析。它利用雙頻測深儀獲取水底淤泥層的聲學反射信息(反射信號強度、信號增益、時變增益等),利用密度計獲得代表點(標定點)斷面的密度柱狀圖,通過SILAS專用軟件自動推定剖面上各點的密度值,根據(jù)標定點的數(shù)值結(jié)合聲學反射信息來推斷、劃分剖面上其他點的密度。當確定的密度值被輸入后,此密度層面即可連續(xù)劃分出來。

3.2 SILAS系統(tǒng)原理

SILAS系統(tǒng)利用普通回聲測深儀向水底發(fā)射低頻聲波信號,聲波到達水底后,部分聲波被反射而另一部分聲波將穿透水底。反射回波的信號強度取決于水底沉積層的密度變化。這種密度變化被定義為“密度梯度”。反射信號的幅度大小是由反射層的密度梯度確定的。密度梯度越大,反射信號越強。由于聲波的反射和密度梯度之間的關(guān)系是已知的,即每一次反射都是因為密度的梯度變化引起的,這樣就可以對密度的梯度進行定量化處理。當然,其前提條件是密度的梯度變化必須達到一定的數(shù)值,否則是不會有反射的。

SILAS系統(tǒng)利用標定過的聲源信號來記錄反射信號的強度,經(jīng)處理形成瀑布圖及剖面上各層的信號反射強度值,高精度地測定密度的梯度值。根據(jù)信號的增益(放大倍數(shù))及時變增益(TVG),獲得正確的密度梯度,再根據(jù)密度梯度的增減變化來確定每個特定深度上的相對密度值。然后通過單點數(shù)據(jù)測量來獲得絕對密度,即利用系統(tǒng)中的Densitune音叉振動密度計通過測量單點密度,建立起絕對密度和反射強度之間的對應(yīng)關(guān)系,提取航線上任意密度值曲線,從而確定整條剖面不同深度上的密度值,繼而可確定底泥厚度。圖1展示了水底聲學剖面、反射信號回波以及密度柱狀圖的對應(yīng)關(guān)系。圖2為在太湖測量時SILAS系統(tǒng)劃分某一條航線的密度層面。

圖1 水底聲學剖面、反射信號回波以及密度柱狀圖的對應(yīng)關(guān)系圖

圖2 SILAS系統(tǒng)劃分密度層面圖

3.3 系統(tǒng)構(gòu)成

SILAS系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成。

(1)硬件組成。系統(tǒng)的硬件(見圖3),主要由高精度雙頻測深儀 (ODOM MARKIII),雙頻換能器 (200 kHz和24 kHz)Densitune音叉振動密度計,帶A/D轉(zhuǎn)換卡的便攜式測量計算機和導航計算機組成。

(2)軟件組成。SILAS系統(tǒng)軟件主要由SILAS軟件(數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等模塊),密度計數(shù)據(jù)采集、標定、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)編輯軟件包和導航軟件(Hypack,或用戶自編軟件)組成。

圖3 SILAS走航式適航水深測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 SILAS系統(tǒng)在太湖淤泥測量中的實施

4.1 GPS-RTK無驗潮測深法

太湖淤泥測量的研究不僅要研究淤泥的密度劃分問題,淤泥測量點的空間信息采集問題也是重點的研究對象。空間信息采集中,最為關(guān)鍵的是淤泥測量點的高程信息采集,水上高程信息的采集方法主要有傳統(tǒng)的驗潮法和利用GPS-RTK技術(shù)的無驗潮測深方法。因為太湖水域面積廣闊,驗潮站需要設(shè)立很多,人力物力資源占用較多,實施起來也比較麻煩。而在很多時候,驗潮站的驗潮數(shù)據(jù)往往不能代表測量區(qū)域的潮位。GPS-RTK無驗潮測深方法則消除了這些缺點,它不需要傳統(tǒng)的驗潮資料,實施起來簡單方便,且測量精度優(yōu)于傳統(tǒng)測量模式。GPS-RTK(Real Time Kinematic)可以精確地測定兩點之間的相對高差,小區(qū)域范圍內(nèi) (一般不超過30 km)通過該高差便可反算出流動站GPS天線相位中心的高程,該高程同基準站具有相同的高程基準面。無驗潮水下地形測量是利用高精度實時相位差分GPS測出天線相位中心的大地高Hphase,在此同一瞬間由SILAS系統(tǒng)測出淤泥點的深度h,則淤泥點的高程Hsilt為:

式中:ξ為高程異常;L為GPS天線相位中心至換能器底部的高度;h為淤泥深度;Δ h為因風浪引起的綜合改正數(shù),其數(shù)值受大地水準面、風浪及船的姿態(tài)等各方面影響。

4.2 工作流程

(1)根據(jù)工作內(nèi)容和工作區(qū)域編制技術(shù)設(shè)計書,指導外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)處理工作。

(2)布設(shè)和建立覆蓋測量區(qū)域的基本控制網(wǎng),包括平面控制和高程控制,通過GPS觀測和水準測量得到高精度(mm級)的平面坐標和高程,用來作為進行水下地形與淤泥測量GPS-RTK作業(yè)時的基準點及輸入數(shù)據(jù)。

(3)應(yīng)用水下地形與淤泥測量SILAS技術(shù)進行水下地形與淤泥測量點空間信息的同步外業(yè)采集:基準點設(shè)置GPS接收機,基準點與測船流動站同時接收衛(wèi)星信號,基準站將接收到的衛(wèi)星信號通過專用電臺發(fā)送給測船流動站,流動站將接收到的衛(wèi)星信號及基準站發(fā)送來的信號傳輸至測船流動站接收機控制單元,通過專用軟件進行實時差分及平差處理,實時得出測點的平面坐標和高程。獲得的平面和高程坐標與SILAS系統(tǒng)的高頻水底深度數(shù)據(jù)/低頻淤泥深度數(shù)據(jù)實時疊加而獲得cm級精度的水下地形與淤泥測量點空間信息。

(4)外業(yè)采集結(jié)束后,采用專用軟件進行數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理,輸出淤泥測量的各種成果,分析成果數(shù)據(jù),形成研究報告。

上述工作流程見圖4。

圖4 工作流程圖

4.3 淤泥測量的具體過程

(1)以湖邊 (或島嶼上)四等GPS點為參考站,利用GPS實時動態(tài)載波相位差分(RTK)無驗潮技術(shù)進行測點的平面高程定位(見圖5)。載有SILAS系統(tǒng)的作業(yè)船為流動站,沿著設(shè)計航線行進。

圖5 利用Hypack軟件進行測點平面和高程定位圖

(2)在行進中啟動GPS-RTK系統(tǒng)和SILAS系統(tǒng),連續(xù)獲取測量點的平面位置和高程并記錄航線上水下地層的柱面信息(連續(xù)測量圖見圖6)。由系統(tǒng)通過換能器向湖底發(fā)射高(200 kHz)低(24 kHz)2個頻率的聲波,再由換能器接收反射聲波傳入系統(tǒng),進行分析處理,生成瀑布圖(見圖7)。

圖6 連續(xù)測量圖

圖7 聲學瀑布圖

(3)根據(jù)瀑布圖和實際走航情況每條航線選取幾個代表點,應(yīng)用Densitune音叉振動密度計獲取密度值,作為該航線或該區(qū)域的標定點。對于密度計不能達到的密度深度(約1.5 g/cm3以上)則采用鉆孔資料補充標定。選取區(qū)SILAS行密度計算見圖8。

圖8 選取區(qū)SILAS行密度計算圖

(4)按照SILAS的程序要求對密度計本身密度測定的準確度進行標定。

(5)利用密度計獲得代表SILAS)斷面的密度柱狀圖,通過SILAS專用軟件自動推定剖面上各點的密度值,根據(jù)標定點的數(shù)值結(jié)合聲學反射信息來推斷、劃分航線上剖面上其它點的密度。根據(jù)2.1節(jié)對淤泥的劃分情況,共劃分出1.08(水底),1.2,1.5,1.8 g/cm34個密度層面。

(6)結(jié)合平面和高程定位信息,按照上述密度層面分別繪制淤泥厚度圖,同時計算淤積量。

(7)水草茂密地區(qū)的淤泥測量方法:水草分布茂密的區(qū)域主要在貢湖。凡密度計能施測的地方,用密度計和鉆孔資料對密度值進行聯(lián)合率定,密度計無法施測的地方,用鉆孔資料進行密度值率定,密度計無法施測,也無鉆孔資料的個別區(qū)域,則用測桿法測量淤泥的厚度。

(8)外業(yè)采集結(jié)束后,采用專用軟件進行數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理,輸出淤泥測量的各種成果,分析成果數(shù)據(jù),形成SILAS測量最終成果。

4.4 精度評價

(1)SILAS系統(tǒng)的測量性能較穩(wěn)定,成果具有復現(xiàn)性,即當某一地區(qū)淤泥組成經(jīng)SILAS多次測定的結(jié)果是一致的。

(2)SILAS系統(tǒng)測量淤泥厚度與常規(guī)鉆孔測量的淤泥厚度基本一致。

(3)淤泥調(diào)SILAS度取決于密度劃分的精度,SILAS密度劃分誤差的主要來源是測深儀的測深誤差、密度計的密度測定誤差、SILAS身標定誤差。實踐證明,SILAS系統(tǒng)劃分某 一密度層是穩(wěn)定可靠的,如采用鉆孔采樣重復測定,則SILAS相對于鉆孔采樣值的密度劃分誤差在同深SILAS的1/10。

(4)SILAS系統(tǒng)采樣穩(wěn)定,在走航時對淤泥無擾動,密度測量準確高效,同密度層劃分可靠,是一種較好的走航式水底連續(xù)密度劃分系統(tǒng)。

(5)盡管鉆孔采樣受采樣方法局限,不能準確劃分某一密度層,但因其采樣深度較深,可以采集到密度大于1 800 g/L的樣本。因此,在要求進行高密度(一般大于1 500 g/L)測量時,鉆孔采樣可作SILAS系統(tǒng)的補充,作為SILAS密度劃分的輸入資料。

5 結(jié) 語

經(jīng)過以上分析,得出了如下結(jié)論:

在進行淤泥測量時,應(yīng)根據(jù)測區(qū)的特點和具體要求進行測量方法上的選擇。例如,對于小面積且精度要求不高的測量,可采用靜力觸探法;對于港口、航道等精度要求高,面積不大的區(qū)域,可以采用單點音叉振動密度計或放射線密度儀;對于面積大、精度要求高的測量,可以采用SILAS方法。同時可以根據(jù)測區(qū)的不同狀況,制定不同區(qū)域的測量方法,并且可以使用各種測量方法協(xié)同作業(yè)。

根據(jù)上述分析,對于太湖這樣大面積的SILAS的淤泥測量精度較高,應(yīng)用SILAS系統(tǒng)進行太湖淤泥測量的密度劃分是非常適合的。同時應(yīng)結(jié)合鉆孔取樣法,靜力觸探和單點密度計測量等方法作為補充,完成特殊區(qū)域的淤泥測量。