柯 勰 ，杜鵬飛 ，羅 旭

（1.浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心，浙江 杭州 310012；2.浙江錢(qián)江科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 310012）

水庫(kù)是人類生產(chǎn)生活中蓄水發(fā)電、灌溉和防洪調(diào)度的重要水利設(shè)施，在人類生活中發(fā)揮著巨大作用。但經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，很多水庫(kù)淤積及庫(kù)容受損情況較為嚴(yán)重，影響水庫(kù)安全運(yùn)行和水資源保障。根據(jù)浙江省“五水共治”工作要求，全省將持續(xù)開(kāi)展河湖庫(kù)塘清淤工作，并逐步建立輪疏機(jī)制。因此，迫切需要一種測(cè)量簡(jiǎn)單高效、結(jié)果準(zhǔn)確可靠的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)淤泥的快速測(cè)量，推動(dòng)清淤工作的順利開(kāi)展。目前，國(guó)內(nèi)外常用的淤積測(cè)量方法主要有測(cè)桿法、鉆探法、雙頻測(cè)深儀探測(cè)、淺地層剖面儀探測(cè)以及Silas淤泥探測(cè)等，原理和適用性各不相同[1-2]。采用雙頻測(cè)深技術(shù)進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，可為該技術(shù)的準(zhǔn)確性、適用性提供參考。

1 技術(shù)原理

雙頻測(cè)深技術(shù)采用超聲波反射原理，通過(guò)測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，并根據(jù)超聲波在水中的傳播速度，就可以計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的水深。由于低頻超聲波穿透能力強(qiáng)，可以穿透水底的淤泥層，在同一測(cè)點(diǎn)連續(xù)發(fā)射2個(gè)不同頻率（高頻f 1、低頻f 2）的超聲波（見(jiàn)圖1），可以探測(cè)出2個(gè)不同的深度，其中高頻超聲波測(cè)得的是實(shí)際水深，低頻超聲波測(cè)得的是包含淤泥層的“水深”，兩者之間的差值即為該測(cè)點(diǎn)的淤泥厚度。

圖1 雙頻測(cè)深技術(shù)工作原理圖

2 試點(diǎn)應(yīng)用

本項(xiàng)目試點(diǎn)選擇舟山市某水庫(kù)，水庫(kù)為心墻土壩，集雨面積1.94 km2，總庫(kù)容85.000萬(wàn)m3，正常庫(kù)容76.100萬(wàn)m3，正常水位55.00 m，最大壩高27.5 m，壩頂長(zhǎng)230.0 m，壩頂寬5.8 m，是一座以供水兼農(nóng)業(yè)灌溉為主的?。?）型水庫(kù)，涉及下游上萬(wàn)人的飲用水水源。

本項(xiàng)目實(shí)施采用中海達(dá)HD - 380雙頻測(cè)深儀與移動(dòng)基站式網(wǎng)絡(luò)GPS - RTK聯(lián)合作業(yè)的方式進(jìn)行[3]。測(cè)深儀高頻200 kHz，低頻20 kHz，測(cè)深精度±10 mm + 0.1% h，分辨率1 cm，聲速調(diào)整范圍1 370 ～ 1 700 m/s。數(shù)據(jù)采集前，校正RTK參數(shù)并與雙頻測(cè)深儀聯(lián)機(jī)調(diào)試。在靜水條件下，采用比對(duì)板對(duì)雙頻測(cè)深儀測(cè)量水深進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)深儀聲速，確保測(cè)量深度在誤差范圍內(nèi)。為獲得可靠的測(cè)量成果，項(xiàng)目實(shí)施中設(shè)置相對(duì)較密集的測(cè)線，將整個(gè)庫(kù)區(qū)劃分為若干個(gè)區(qū)塊，測(cè)線間距10.0 ～ 20.0 m，共布設(shè)27條測(cè)線。數(shù)據(jù)采集時(shí)，將測(cè)深儀換能器固定在船尾，采用人工手劃船，避免馬達(dá)對(duì)聲波傳播的干擾，并按照預(yù)設(shè)的測(cè)線每間隔1.0 m進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共采集2 729個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2），通過(guò)測(cè)深軟件實(shí)時(shí)保存水深測(cè)量圖像。

圖2 庫(kù)區(qū)測(cè)線測(cè)點(diǎn)分布圖

由于水下環(huán)境比較復(fù)雜，測(cè)量時(shí)聲波的傳播與反射過(guò)程會(huì)受到水草等生物以及雜物、懸浮物的影響，從而出現(xiàn)一些異常數(shù)據(jù)。因此，在水庫(kù)庫(kù)容和淤積量計(jì)算前，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。庫(kù)容、淤積量計(jì)算采用局部到整體的方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將整個(gè)庫(kù)區(qū)劃分為31個(gè)網(wǎng)格區(qū)塊。對(duì)每個(gè)區(qū)塊的水深和淤泥厚度進(jìn)行歸一化計(jì)算，即將區(qū)塊內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的水深、淤泥厚度通過(guò)積分的方法求平均值，作為該區(qū)塊的平均水深和平均淤泥厚度，根據(jù)計(jì)算所得的分塊面積，得出該區(qū)塊的水庫(kù)庫(kù)容和淤泥淤積量。最后由局部到整體，計(jì)算出整個(gè)水庫(kù)的總庫(kù)容和總淤積量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 雙頻測(cè)深技術(shù)水庫(kù)庫(kù)容、淤積量計(jì)算表（水位53.67 m）

3 成果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)雙頻測(cè)深技術(shù)水庫(kù)淤積量測(cè)量成果的準(zhǔn)確性，在水庫(kù)放空后，采用RTK系統(tǒng)分別在水庫(kù)清淤前、清淤后進(jìn)行地形測(cè)量。將整個(gè)庫(kù)底劃分為若干個(gè)區(qū)塊，共布設(shè)25個(gè)測(cè)量斷面。測(cè)點(diǎn)均分布于水庫(kù)庫(kù)底，獲取各點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，其中清淤前采集1 960個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，清淤后采集1 752個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)RTK系統(tǒng)采集的清淤前、后庫(kù)底高程值，計(jì)算出每個(gè)清淤斷面面積。在同一區(qū)塊內(nèi)，對(duì)2個(gè)測(cè)量斷面的清淤面積插值，作為該區(qū)塊的平均清淤斷面面積，最后根據(jù)斷面間距計(jì)算得出每個(gè)區(qū)塊的淤積量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 RTK地形測(cè)量水庫(kù)淤積量計(jì)算表

在水庫(kù)清淤完成后，對(duì)施工單位清淤的實(shí)際方量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)際清淤量為1.600萬(wàn)m3。各種測(cè)量方法所得水庫(kù)庫(kù)容及淤積量見(jiàn)表3。

表3 三種測(cè)量方法的水庫(kù)淤積量對(duì)比表

（1）通過(guò)清淤前、后2次實(shí)地RTK地形測(cè)量，水庫(kù)淤積量為1.590萬(wàn)m3，雙頻測(cè)深技術(shù)所測(cè)淤積量1.570萬(wàn)m3與其相差0.020萬(wàn)m3，誤差-1.3%。

（2）根據(jù)施工單位實(shí)際清淤方量統(tǒng)計(jì)，水庫(kù)淤積量為1.600萬(wàn)m3，雙頻測(cè)深技術(shù)所測(cè)淤積量1.570萬(wàn)m3與其相差0.030萬(wàn)m3，誤差-1.9%。

（3）根據(jù)水庫(kù)水位 — 庫(kù)容曲線，當(dāng)水庫(kù)水位53.67 m時(shí)，水庫(kù)的參考庫(kù)容為66.950萬(wàn)m3。若將RTK地形測(cè)量的淤積量1.590萬(wàn)m3作為水庫(kù)的實(shí)際淤積量，則該水位時(shí)水庫(kù)實(shí)際庫(kù)容為65.360萬(wàn)m3，雙頻測(cè)深技術(shù)所測(cè)庫(kù)容65.420萬(wàn)m3與其相差0.060萬(wàn)m3，誤差 + 0.1%。若將實(shí)際清淤量1.600萬(wàn)m3作為水庫(kù)的實(shí)際淤積量，則該水位時(shí)水庫(kù)實(shí)際庫(kù)容為65.350萬(wàn)m3，雙頻測(cè)深技術(shù)所測(cè)庫(kù)容65.420萬(wàn)m3與其相差0.070萬(wàn)m3，誤差 + 0.1%。

從上述成果驗(yàn)證結(jié)果可以得出，雙頻測(cè)深技術(shù)所測(cè)水庫(kù)淤積量與清淤前后實(shí)地RTK地形測(cè)量、實(shí)際清淤量的結(jié)果基本吻合，雙頻測(cè)深技術(shù)所測(cè)水庫(kù)庫(kù)容與水位 — 庫(kù)容曲線較符合，水庫(kù)庫(kù)容及淤積量測(cè)量誤差均在可接受的范圍內(nèi)，證明該項(xiàng)技術(shù)在水庫(kù)淤積測(cè)量中具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)用，雙頻測(cè)深技術(shù)體現(xiàn)了設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便、工作高效等特點(diǎn)，在水庫(kù)等水利工程的淤積量測(cè)量、水底地形測(cè)量、水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量等方面效果明顯、成果可靠，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。但是，在應(yīng)用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足：①由于發(fā)射頻率有限，對(duì)于淤泥層較厚的情況，其穿透能力較有限，測(cè)得的實(shí)際淤積量相對(duì)于真實(shí)情況偏小；②在水深較淺的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，回波信號(hào)密集雜亂，對(duì)淤積層判斷存在一定困難，從而影響測(cè)量結(jié)果，因此不適用于淺水區(qū)域（如水深＜1.00 m）的測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

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