徐立猛

(上海泓源建筑工程技術(shù)有限公司，上海 200232)

1 前言

細(xì)顆粒泥沙與海水相互作用，會(huì)在顆粒表面形成一層吸附水膜。相鄰顆粒在一定條件下結(jié)合成集合體，發(fā)生聚凝作用，形成絮凝體。由于絮凝作用，細(xì)顆粒在沉積到底部時(shí)會(huì)連結(jié)成絮團(tuán)，絮團(tuán)之間會(huì)連結(jié)成集合體。集合體還會(huì)搭連成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，形成淤積物，通常把這種淤積物稱為“浮泥”(fluid mud)［1］。

浮泥層具有粒徑極小和顆粒極輕的特點(diǎn)，如何準(zhǔn)確測(cè)定浮泥層厚度，受諸多因素影響，目前還沒有形成一套通用的方法。但國內(nèi)外已有不少這方面的研究，也不乏運(yùn)用先進(jìn)儀器和辦法針對(duì)特定河段進(jìn)行試驗(yàn)并成功測(cè)量出其厚度的案例。

本文通過漕河涇港河道底泥測(cè)量項(xiàng)目，介紹采用GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)配合測(cè)深儀和塔尺測(cè)量對(duì)內(nèi)河航道浮泥層厚度和河底高程進(jìn)行測(cè)驗(yàn)的方法，供大家探討。

2 項(xiàng)目概況

漕河涇港河道底泥測(cè)量項(xiàng)目屬于“徐匯區(qū)河道底泥清除新技術(shù)研究與示范工程”的子課題項(xiàng)目。項(xiàng)目起點(diǎn)為虹梅路七星橋，終點(diǎn)為蒲匯塘、漕河涇港、龍華港三江交匯處，全長3.64km，河床底規(guī)劃標(biāo)高為－0.50m。

漕河涇港河道上次疏浚時(shí)間為2007年，采用非斷流常規(guī)挖泥機(jī)挖泥。到2012年漕河涇港河道污染底泥淤積平均厚度為0.59cm(不同斷面淤積厚度相差較大)。

3 測(cè)量方案論證與實(shí)施

3.1 測(cè)量方案選定

考慮到該河段污染底泥清除，采用泥水現(xiàn)場(chǎng)分離新工藝，浮泥層厚薄程度將直接影響工程量的大小。采用傳統(tǒng)測(cè)量儀器定位(或測(cè)繩定位)配合塔尺或測(cè)桿測(cè)深的河道測(cè)量方法，無法(或很難)準(zhǔn)確地測(cè)定以絮凝體形式存在的浮泥層及其厚度，因此，本項(xiàng)目初步選定采用 GPS網(wǎng)絡(luò) RTK技術(shù)進(jìn)行平面定位，采用SDE-28雙頻全數(shù)字化測(cè)深儀和塔尺進(jìn)行水深測(cè)量，并通過后期數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)漕河涇港河道浮泥層厚度和河底高程進(jìn)行測(cè)定。

3.2 基本原理

3.2.1 GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)又稱多基準(zhǔn)站技術(shù)，是集通信技術(shù)、Internet技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)和GPS技術(shù)于一體的空間實(shí)時(shí)服務(wù)技術(shù)。它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了常規(guī)RTK的不足，使得RTK的作用距離增大，同時(shí)縮短了初始化時(shí)間，提高了點(diǎn)位精度，增強(qiáng)了可靠性［2］。

本項(xiàng)目采用的VRS系統(tǒng)2005年建成，其功能包括實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)用和靜態(tài)數(shù)據(jù)下載后處理等，已初步形成國內(nèi)首個(gè)基于VRS技術(shù)的GPS網(wǎng)絡(luò)RTK數(shù)據(jù)發(fā)布與應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)，且具有較高的穩(wěn)定性［3］。

2005年7月，該技術(shù)通過上海市測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢驗(yàn):其動(dòng)態(tài)平面內(nèi)符合誤差±13mm，外符合誤差±30mm(檢驗(yàn)報(bào)告結(jié)論);其動(dòng)態(tài)高程內(nèi)符合精度在 ±30mm以內(nèi)，外符合精度在 ±40mm以內(nèi)［4］，精度均能夠滿足本項(xiàng)目測(cè)量要求。

3.2.2 全數(shù)字化測(cè)深技術(shù)

本項(xiàng)目采用的SDE—28一體化全數(shù)字測(cè)深儀，由工控電腦平臺(tái)與微機(jī)操作系統(tǒng)相結(jié)合，內(nèi)部集成測(cè)深控制、水深測(cè)量、軟件圖形導(dǎo)航等功能軟件，能實(shí)時(shí)記錄水底曲線與水深數(shù)據(jù)，并可隨時(shí)回放。同時(shí)，可外接GPS接收機(jī)，使水深數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)很好地結(jié)合到一起。其測(cè)深精度為±1cm±0.1%D(D為實(shí)時(shí)水深)，測(cè)深范圍為0.3～2000m，分辨率為0.01m，聲波頻率高頻 200kHz，低頻分 20kHz、24kHz、33kHz 三個(gè)檔次。該儀器自動(dòng)化程度高，精度可靠，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全能夠滿足本項(xiàng)目測(cè)量要求。

3.3 方案實(shí)施

3.3.1 浮泥層厚度檢測(cè)

目前，傳統(tǒng)測(cè)定含沙量一般采用“取樣分析法”，即在現(xiàn)場(chǎng)使用采水器取得水樣后，在實(shí)驗(yàn)室用“烘干稱重法”或“光電測(cè)沙法”測(cè)定含沙量［5］。

本項(xiàng)目采用SDE-28一體化全數(shù)字雙頻測(cè)深儀驗(yàn)證浮泥層的存在情況。在試驗(yàn)中，測(cè)深儀高頻選取200kHz，測(cè)定浮泥層上界面(表面)，低頻選取20kHz，穿透一定厚度浮泥層測(cè)定其下界面(底面)。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和抽樣的代表性，分別選取該項(xiàng)目河段上、中、下游3個(gè)不同試驗(yàn)段進(jìn)行了測(cè)量。

經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，確實(shí)存在厚度不一的浮泥層。但由于水深較淺，測(cè)深儀低頻波形圖十分模糊，尤其上游試驗(yàn)段，低頻波形圖更不明顯，浮泥層厚度無法進(jìn)行準(zhǔn)確量化。

3.3.2 浮泥層厚度測(cè)量方案可行性試驗(yàn)

為達(dá)到量化浮泥層厚度的效果，采用測(cè)深儀高頻信號(hào)測(cè)量浮泥層上界面，塔尺測(cè)量浮泥層下界面(淤泥層表面)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)套合計(jì)算浮泥層厚度。為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，筆者自制了一套浮泥層比測(cè)工具(用于測(cè)量浮泥層上界面)，其上端是一根標(biāo)有刻度的測(cè)深桿，下端為一固定裝置，并加裝規(guī)格60cm×20cm(或30cm×30cm)的帶兩排透水圓孔的膠漆板(厚度0.5cm)。該工具既解決了水對(duì)材質(zhì)的阻力問題，又有一定自重，且考慮到河底的坡度情況，起到了良好的比對(duì)驗(yàn)證效果。

本次比測(cè)試驗(yàn)共采集數(shù)據(jù)79組，采集部位分布于項(xiàng)目河道的上、中、下游，采集數(shù)據(jù)具有代表性。由此測(cè)數(shù)據(jù)可知，河道相同測(cè)驗(yàn)部位處，總體為:測(cè)深儀高頻信號(hào)水深＜自制工具測(cè)量水深＜塔尺測(cè)量水深，符合理論和實(shí)際情況。

通過下頁表數(shù)據(jù)可看出:測(cè)深儀高頻信號(hào)測(cè)量水深和塔尺測(cè)量水深存在0～30cm之間的差值;浮泥層厚度與河道水深成反比。

由此判定，采用測(cè)深儀高頻信號(hào)測(cè)量浮泥層上界面，塔尺測(cè)量浮泥層下界面(淤泥層表面)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)套合計(jì)算浮泥層厚度的方案，具有可行性和可操作性。

不同水深浮泥層厚度情況統(tǒng)計(jì)表單位:m

3.3.3 浮泥層上界面測(cè)量

定位和測(cè)深同步進(jìn)行。定位采用VRS技術(shù)，儀器選用Trimble R8型GPS，其動(dòng)態(tài)水平精度為±10mm+1ppm，動(dòng)態(tài)垂直精度為±20mm+1ppm;測(cè)深采用SDE-28一體化全數(shù)字測(cè)深儀。

測(cè)量時(shí)，將GPS接收機(jī)天線和測(cè)深儀換能器用一根2m長(可增減長度)的固定桿連接在一起，使兩者保持在同一垂直線上。換能器安裝在船體中部，安裝與固定時(shí)保持垂直并緊固。然后，利用SDE-28測(cè)深系統(tǒng)配置的自由行水上測(cè)量軟件同時(shí)采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)，并自動(dòng)記錄保存。

3.3.4 浮泥層下界面測(cè)量

定位采用VRS技術(shù)和測(cè)繩固定相結(jié)合，保證浮泥層上、下界面測(cè)量位置相同(或接近一致)。GPS仍選用Trimble R8型GPS，測(cè)繩采用50m長并具有1m標(biāo)記的專用繩具。測(cè)深采用具有毫米刻畫的雙面塔尺，長度為5m(5節(jié)可伸縮)，材質(zhì)為寬面鋁合金(材質(zhì)較輕，減小自重影響，保證塔尺觸及浮泥層下界面后不至于插入淤泥層中)。

3.3.5 浮泥層厚度計(jì)算

浮泥層上界面三維坐標(biāo)，采用測(cè)深儀內(nèi)置的自由行測(cè)量軟件進(jìn)行后處理得到。浮泥層下界面平面坐標(biāo)通過GPS定位(或測(cè)繩定位)得到，水底高程則通過該處水位值和測(cè)深儀所測(cè)水深值相減得到。然后將浮泥層上界面三維坐標(biāo)和下界面三維坐標(biāo)疊加，兩者水底高程值之差即為浮泥層厚度。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題處理

4.1 測(cè)深儀與塔尺測(cè)深及數(shù)據(jù)套合問題

本河道水深較淺，最深處約3m左右，最淺處淤泥已露出水面，河道平均水深1.4m左右。當(dāng)采用塔尺測(cè)深方式作業(yè)后，受外力擾動(dòng)影響，浮泥層和軟淤泥層使水體變渾濁，短時(shí)間內(nèi)測(cè)深儀無法進(jìn)行測(cè)量。

針對(duì)上述實(shí)際情況，筆者先采用測(cè)深儀進(jìn)行橫斷面水深測(cè)量，然后采用塔尺測(cè)深方式對(duì)同一橫斷面進(jìn)行水深測(cè)量。這樣既在最大程度上保證了測(cè)驗(yàn)斷面的一致性(防止間隔時(shí)間過長，經(jīng)過漲潮落潮等情況給斷面帶來沖刷或淤積影響)，又充分利用淤泥回落時(shí)間差進(jìn)行測(cè)繩固定工作，提高了外業(yè)工作效率。

4.2 測(cè)深儀盲區(qū)處浮泥層數(shù)據(jù)處理

由于本項(xiàng)目河道許多地方淤泥嚴(yán)重，尤其兩側(cè)水深較淺處，有些淤泥已裸露于水面之上，且部分河道兩側(cè)種植水草較多，給測(cè)深儀作業(yè)帶來極大不便。受測(cè)深儀探頭吃水深度限制，即使更換橫斷面位置也無法完全避開上述情況。為此，筆者根據(jù)上下游河道斷面浮泥層情況分析得出:采用類比推算方法，推求河道兩側(cè)水深較淺處(測(cè)深儀無法測(cè)量時(shí))浮泥層上界面高程。即采用每個(gè)斷面臨近岸線一側(cè)最后兩個(gè)可測(cè)厚度值的平均值作為起算值，加上待推算位置塔尺測(cè)深高程，即為該處浮泥層上界面高程。

4.3 測(cè)深儀各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)試試驗(yàn)

4.3.1 吃水深度設(shè)置

吃水深度指換能器放入水中的深度，一般控制在0.5m左右，目的是防止由于探頭在水中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生氣泡使測(cè)量出現(xiàn)假水深數(shù)據(jù)。如果船速過快，還需適當(dāng)加大吃水?？紤]到本項(xiàng)目河道較淺，采用吃水較淺的小型平底橡皮艇(船長3m左右，掛機(jī)馬力2.5匹)進(jìn)行作業(yè)，探頭吃水選定為0.4m。

4.3.2 聲速改正

本項(xiàng)目作業(yè)時(shí)間為3月底，筆者測(cè)定水溫為10℃左右，根據(jù)參考數(shù)據(jù)選定聲速值為1450m/s［6］，并采用帶有毫米刻畫的5m鋁合金寬面塔尺進(jìn)行了比測(cè)校對(duì)，精度優(yōu)于±2cm，滿足測(cè)量要求。

4.3.3 測(cè)量周期

測(cè)量周期是指測(cè)深儀在每秒鐘內(nèi)的測(cè)量次數(shù)，也就是通常說的水深數(shù)據(jù)更新率。一般GPS定位為每秒一次。

而本項(xiàng)目選用測(cè)深儀的測(cè)量周期最大可達(dá)20次/s，并根據(jù)量程檔位的選擇而同步變動(dòng)，可保證和滿足本次水深測(cè)量的要求。為保證測(cè)驗(yàn)精度，本次選用等距離采樣模式，距離設(shè)定值為0.5m/s，船速也控制在0.5m/s。

4.3.4 測(cè)深儀參數(shù)設(shè)置

測(cè)深儀參數(shù)設(shè)置在一般水域做水深測(cè)量時(shí)，所有參數(shù)均由測(cè)深儀內(nèi)部軟件自動(dòng)配置參數(shù)來進(jìn)行水深測(cè)量。但若是在疏浚測(cè)量時(shí)，效果就不甚理想。本項(xiàng)目受水深較淺和浮泥層影響，在測(cè)量過程中采用手動(dòng)方式，使記錄效果達(dá)到最佳狀態(tài)，對(duì)提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性起到了一定作用。

5 成果精度分析

5.1 浮泥層測(cè)量精度分析

浮泥層測(cè)量精度主要采用布設(shè)檢查線的方式進(jìn)行檢查。具體做法為:垂直于河道橫斷面線，布設(shè)兩條檢查線，交叉點(diǎn)處的測(cè)深儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本次測(cè)量結(jié)果的精度情況。本試驗(yàn)河段布設(shè)橫斷面38個(gè)，河道平均寬度20m，斷面點(diǎn)間隔1m/個(gè)，計(jì)725點(diǎn)次;共施測(cè)檢查點(diǎn)76個(gè)，抽檢比例大于10%。其驗(yàn)證結(jié)果見圖1。

圖1 浮泥層測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)

通過圖1可以看出，兩條檢查線同河道斷面線交叉點(diǎn)處較差絕對(duì)值均小于20cm，中誤差分別為5.4cm和5.7cm，精度滿足《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》要求。

5.2 淤泥層測(cè)量精度分析

淤泥層測(cè)量精度主要采用GPS直接測(cè)定河底高程的方式進(jìn)行檢查。具體做法為:在河道橫斷面線上隨機(jī)抽取一定數(shù)量的斷面點(diǎn)，采用RTK技術(shù)直接測(cè)定其河底高程，然后同塔尺測(cè)深方式求得的河底高程進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本次測(cè)量結(jié)果的精度情況。本試驗(yàn)河段每個(gè)河道水下斷面抽檢4個(gè)點(diǎn)，共抽取檢查點(diǎn)154個(gè)，抽檢比例大于20%。其驗(yàn)證結(jié)果見圖2。

圖2 淤泥層測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)

通過圖2可知，抽檢檢查點(diǎn)較差均小于±10cm，中誤差為±3.9cm，精度滿足《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》小于±0.1m的測(cè)量要求。

6 結(jié)語

6.1 優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)過試驗(yàn)證明，采用GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)配合測(cè)深儀和塔尺測(cè)量，達(dá)到對(duì)內(nèi)河航道浮泥層厚度和河底高程進(jìn)行有效測(cè)驗(yàn)的方法可行，且具有可操作性，并對(duì)同類型河道測(cè)量項(xiàng)目具有借鑒和指導(dǎo)意義;RTK數(shù)據(jù)和回聲測(cè)深儀數(shù)據(jù)的同步采集和自動(dòng)化記錄及批量后處理技術(shù)，提高了作業(yè)效率和成果精度;浮泥層厚度的準(zhǔn)確測(cè)定，將為建設(shè)管理單位核算河道疏浚工程量提供可靠技術(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)航道適航水深的界定也有一定參考價(jià)值。

6.2 缺點(diǎn)

測(cè)深儀和塔尺測(cè)量未達(dá)到同步進(jìn)行，具有一定套合誤差;浮泥層厚度測(cè)量工作時(shí)間段大都處于河道低水位，而該河道每天存在水位漲落情況，故未考慮水流沖刷情況和水位漲落帶給其的影響;河道兩岸淺水區(qū)域(測(cè)深儀無法測(cè)量)浮泥層厚度的推算方法簡單粗放，其他河道采用該方法時(shí)應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。■

1 王閏成，于桂菊.黃驊港內(nèi)航道浮泥層淺析［J］.海洋測(cè)繪，2003，23(4):22-23.

2 朱超.GPS網(wǎng)絡(luò)差分定位關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究［D］.南京:東南大學(xué)，2009.

3 鄒俊平，季善標(biāo)，余美義.上海市VRS系統(tǒng)框架穩(wěn)定性分析［J］.城市勘測(cè)，2010，8(4):80-82.

4 鄧斌，季善標(biāo)，等.上海市大地水準(zhǔn)面精化及其應(yīng)用［C］∥數(shù)字測(cè)繪與GIS技術(shù)應(yīng)用研討交流會(huì)論文集，2008.

5 奚民偉.浮泥層測(cè)量及其應(yīng)用［J］.海洋測(cè)繪，2001，(3):55-57.