霍文龍

華北水利水電大學

水下機器人與雙頻淺地層剖面儀結(jié)合在水利清淤工作中的應(yīng)用

霍文龍

華北水利水電大學

淤泥淤積是影響水庫庫容的重要原因之一，大量泥沙沉積在庫底，降低了水庫防洪蓄 水能力和興利功能。本文將水下機器人(ROV)與雙頻淺地層剖面儀結(jié)合，采用淤泥密度探測法，對尖崗水庫部分水域的淤泥厚度進行了實際應(yīng)用，并對該測量系統(tǒng)的原理、測量水深范圍、操作及圖像判讀方法進行詳細闡述，其工作效率高、經(jīng)濟、測量結(jié)果準確度高的特點，為水庫淤泥探測提供另一種參考方法。

雙頻淺地層剖面儀；水下機器人；表層淤泥探測；淤泥土方量

1 研究背景

水庫淤泥淤積主要是暴雨攜帶山體泥沙流入河水中，河水挾帶的泥沙在水庫回水末端至攔河建筑物之間庫區(qū)的堆積，經(jīng)年累月，導致庫底高程逐漸增高，死庫容增大，興利庫容減少，嚴重削弱了水庫防洪、發(fā)電、供水等功能[1]。人工測量為點式作業(yè)，工作效率極低，成本高，當需要大面積調(diào)查時，人工測量工作量非常大。淺地層剖面儀根據(jù)回聲探測原理構(gòu)成的一種連續(xù)走航式進行水下淺地層探測的儀器。常規(guī)的淤泥測量方法船載測量法，測量船行駛路線即為淺層剖面儀所測量的斷面，當測量船遇到狹窄復雜且水深很深的工況，不能對其測量致使測量結(jié)果存在較大誤差。水下機器人與淺地層剖面儀結(jié)合，可克服上述的局限，作為一種新技術(shù)、新方法，在我國水利工程水下淤泥探測工作已得到初步應(yīng)用，并在鄭州市尖崗水庫水下淤泥測試工作中得到應(yīng)用。

2 淺地層剖面儀基本原理

淺地層剖面儀利用聲波在不同介質(zhì)中傳播速度和反折射的特性不同，對水底地表以下一定深度的地層進行連續(xù)探測。從聲波的反射理論來看，換能器以等時間間隔垂直發(fā)出脈沖射到水底，如果兩介質(zhì)的聲阻抗不一樣， 則一部分聲波會在介質(zhì)交界面上發(fā)生反射， 聲波攜帶測量的信息返回至換能器，另部分聲波則繼續(xù)在地層發(fā)生折射和反射，傳播過程中能量減少。地層厚度的測量， 即聲波穿透地層傳播時間的反映， 設(shè)ΔT為上下兩地層時間差，C為該地層聲速，則地層厚度ω可表示為ω=1/2CΔT；聲波水底反射能量的大小反射由系數(shù)(R) 決定，表示為：，ρν和ρν分別

2211表示一、二層介質(zhì)的密度和聲速，由反射系數(shù)R的表達式可以得出，當相鄰兩地層密度差和速度差較大時，即|R|趨近于1時，兩層相鄰界面會產(chǎn)生較強的聲強，反之，|R|趨近于0時，兩層的相鄰界面就會幾乎無聲強反射，通過剖面儀終端顯示器以不同顏色顯示剖面界面線，達到地層判別的效果。

3 雙頻淺地層剖面儀在淤泥厚度探測中的應(yīng)用

本次測量使用的儀器為加拿大水下機器人廠商 Shark Marine 生產(chǎn)的第三代產(chǎn)品Stealth 3 ROV和英國Tritech公司生產(chǎn)的雙頻淺地層剖面儀(Dual-frequency Sub-Bottom Profiler)，該淺層剖面儀主頻率200kHz，低頻率20kHz，最大工作深度4000米。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，可網(wǎng)絡(luò)化，功率低，節(jié)能。采用新型多單元復合傳感器，可使回聲探測器發(fā)射頻率為20KHz的低頻聲波穿透海床，通過這種低頻聲波求得所有單元中的最小值，將海床下隱藏的地層結(jié)構(gòu)的差異顯示出來。

水下機器人與雙頻淺地層剖面儀的結(jié)合，將船載分開架設(shè)的設(shè)備GPS天線、測深儀探頭和淺地層剖面儀集為一體，控制臺通過臍帶纜控制搭載的設(shè)備將其測量數(shù)據(jù)通過臍帶纜返回云臺存儲，避免了船只尾流給拖魚帶來的影響以及船只行駛路線偏離產(chǎn)生的誤差。

4 數(shù)據(jù)采集

以尖崗水庫淺水域淤泥測量為例，采用斷面線法實施測圖。儀器測試無誤后，將GPS矢量地圖輸入控制臺作為測量地點的原始資料，設(shè)置ROV推進器動力參數(shù)和雙頻淺地層剖面儀測量參數(shù)，開啟自動調(diào)查模式獲取測量數(shù)據(jù)。

5 測量影像判讀記錄分析及淤泥量計算

淤泥測量利用聲波淤泥密度探測法進行探測。記錄圖像由高頻和低頻兩部分圖像構(gòu)成，高頻發(fā)射器發(fā)射探測波的波長短，圖像界面細致，光滑，清楚，低發(fā)射器發(fā)射探測波的波長長，可繞過粒徑小于波長的粒子探測更深地層；測深標尺和聲波能量顯示譜，地層吸收聲波能量較多，能量顯示譜較寬，則地層的疏松程度高，浮泥含量較高；反之，地層吸收聲波能量較少，能量顯示譜較窄，浮泥含量較低；換能器接收自身所發(fā)出的ping值，每個返回ping都含有GPS及地層測量信息，提高數(shù)據(jù)記錄的準確性和工作效率。

不同的顏色表示泥質(zhì)密度不同的地層，浮泥一般位于水底表面，聲反射極弱；透射強，其界面在記錄上色調(diào)極淡。在測量過程中， 遇到ROV受波浪影響產(chǎn)生搖晃， 要及時加注說明，計算時，取波浪狀的地層線的幅度的平均值。根據(jù)《疏浚工程施工技術(shù)規(guī)范》，按照密度變化變化范圍可分為浮泥、流泥、淤泥和淤泥質(zhì)土4種淤泥層，浮泥層具有很強的流動性，且密度為1.0～1.2g/cm3，流泥是浮泥進一步固結(jié)形成的，密度1.2～1.5g/cm3，淤泥的孔隙水減少，在水流作用下不會直接懸揚，密度1.5～1.8g/cm3，淤泥質(zhì)土指密度大于1.8g/cm3[2]。

結(jié)合鉆孔資料，處理淤泥測量數(shù)據(jù)。測量淤泥的厚度主要目是計算淤泥土方量，并且在劃分淤泥層面時，要注意與測量地區(qū)的實際情況相結(jié)合，不同的地區(qū)泥質(zhì)不同，劃分標準也有所不同，將測量所得數(shù)據(jù)整理為規(guī)范性文件，以此為水利清淤工程施工提供參考依據(jù)[2]。

6 結(jié)語

雙頻淺層剖面儀和ROV組合對淤泥測量具有快速與高效探測功能，大大減少淤泥測量中的工作量，提高工作效率。本文僅討論水下機器人與雙頻淺地層剖面儀結(jié)合在水庫淤泥層探測中的應(yīng)用，該設(shè)備適用于厚度和密度較大的淤泥探測，能夠更準確地找到淤泥底界高程位置及淤泥在水下的分布形式，對淤泥淤積嚴重地段的治理具有重大意義。

[1] 陳飛. 淺地層剖面儀在水庫清淤測量中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家，2012，13：171.

[2]黃光. 淺地層剖面儀在水利清淤工程中應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2015，09：58-60.

[4]余江，周興華，李京兵. 淺地層剖面儀在淤泥厚度探測中的應(yīng)用[J].浙江水利科技，2009，06：52-54.