李斌 郝曉偉 柯勰 章繼元 吳靜 陸小蕾

【摘要】為了探討不同探測方法在水庫淤積測量中的實(shí)際效果，分別采用了三種不同設(shè)備進(jìn)行水下地形測量，通過不同設(shè)備測量數(shù)據(jù)對比，分析三種設(shè)備在水庫淤積測量中的適用性和效果。

【關(guān)鍵詞】水庫；淤積；水下地形；庫容曲線。

1、緒言

水庫庫容和淤積量是水庫調(diào)度的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確與否直接影響到水庫的防洪安全與蓄水興利。大多數(shù)水庫經(jīng)過多年蓄水運(yùn)用后，入庫泥沙大部分甚至全部淤積在庫內(nèi)，建庫時(shí)繪制的庫容曲線在一定時(shí)間后會(huì)發(fā)生明顯的變化，久而久之會(huì)對水庫產(chǎn)生諸多影響，主要表現(xiàn)為：（1）水庫防洪能力下降、發(fā)電和灌溉等綜合效益降低，甚至導(dǎo)致水庫不能正常運(yùn)行；（2）淤積向上游擴(kuò)展，造成上游地區(qū)淹沒，帶來生態(tài)環(huán)境問題；（3）壩前淤積會(huì)影響大壩等建筑物的安全運(yùn)行；（4）水庫下泄清水對下游河道沖刷的影響；（5）泥沙上附著的污染物對水庫水質(zhì)的影響等。

水庫淤積測量的目的，是通對水下地形測繪，計(jì)算出各特征水位對應(yīng)的庫容與水庫建成時(shí)各特征水位對應(yīng)得庫容進(jìn)行比較，進(jìn)而分析出各特征水位對應(yīng)泥沙淤積的量，為水庫清淤擴(kuò)容提供數(shù)據(jù)支撐，減少淤積對水庫安全運(yùn)行的影響。

2、國內(nèi)外應(yīng)用發(fā)展情況

國內(nèi)外學(xué)者對對水庫淤積的研究主要集中在泥沙豐富的流域以及庫區(qū)植被較差地區(qū)的水庫，如我國黃河流域小浪底工程，在水庫入庫口和重要支流進(jìn)行含沙量監(jiān)控，預(yù)測入庫水流中的含沙量，同時(shí)在水庫大壩底部開設(shè)底孔，每年定期進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙；另外，馮家山水庫建立的水庫泥沙跟蹤測報(bào)系統(tǒng)，是一種無人值守的實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)測報(bào)系統(tǒng)，它的建成實(shí)現(xiàn)了對入庫泥沙運(yùn)行、推移全過程的跟蹤監(jiān)測，這種方式投資較大，比較適用于含沙量大的大型水庫，而對于中小型水庫和含沙量較少的河流則不具有性價(jià)比。

水庫淤積測量的主要基礎(chǔ)工作就是水下地形測量，就是利用測量儀器確定水底點(diǎn)的三維坐標(biāo)。水下地形測量的方法相對較多，常見測繪水下地形圖的方法有：經(jīng)緯儀測記法、 SAR法、基于GPS及GIS+測深儀法等，此類方法工作量較大，效率較低；近年來國內(nèi)外對水庫水下地形的測量，主要集中在采用多波束等先進(jìn)海洋測量設(shè)備進(jìn)行全區(qū)域掃描，獲得出水下地形圖，但是多波束設(shè)備投資較大，且多為進(jìn)口產(chǎn)品，設(shè)備使用維修成本以及對專業(yè)技術(shù)人員等方面要求較高。

對于水庫建設(shè)年代比較久遠(yuǎn)的水庫，尤其是庫容較小的水庫，基礎(chǔ)資料比較缺乏，很難通過兩次測量庫容曲線的方法獲得淤積量，目前可以對淤積量進(jìn)行直接的測量方法，主要采用淺地層剖面儀進(jìn)行庫區(qū)掃描，得出庫區(qū)水下地質(zhì)結(jié)構(gòu)斷面，從而判斷庫區(qū)淤積程度。

3、設(shè)備原理

3.1淺地層剖面儀

淺地層剖面儀（Sub-bottom ProfilerSystem）又稱淺地層地震剖面儀，利用聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到不同聲學(xué)特性的分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反向散射，接收反向散射聲波并按回波的時(shí)間先后、并用灰度等級或色彩來表征回波的強(qiáng)度在平面上繪制出剖面圖，這種平面圖可以直觀的看到水底以下地質(zhì)構(gòu)造情況。該儀器在地層分辨率和地層穿透深度方面有較高的性能，并可以任意選擇掃頻信號組合，現(xiàn)場實(shí)時(shí)地設(shè)計(jì)調(diào)整工作參量，可以在航道勘測中測量河（海）底的浮泥厚度，也可以測量在海上油田鉆井中的基巖深度和厚度。在水文地質(zhì)調(diào)查，地球物理勘探和海洋工程，海洋觀測，航道港灣工程，庫底管線鋪設(shè)等方面應(yīng)用比較廣泛，近些年逐步利用在內(nèi)河、水庫的水下地形和淤積測量中。

利用淺地層剖面儀的工作特性，可以探測出水庫水下地形和地質(zhì)分層情況，獲取水庫淤積厚度，在缺乏原有庫容曲線數(shù)據(jù)的情況下可以直接水庫淤積量。

3.2三維聲納系統(tǒng)

三維實(shí)時(shí)聲學(xué)成像聲納系統(tǒng)EchoScope（以下簡稱ES），ES主要由聲納頭、電腦終端（PC）、電源等組成。該系統(tǒng)依靠聲納設(shè)備發(fā)出的聲波，以及該聲波觸碰到目標(biāo)物后反射的回波進(jìn)行定位和成像，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地生成水下結(jié)構(gòu)三維圖像，實(shí)現(xiàn)對水下結(jié)構(gòu)等目標(biāo)物的實(shí)時(shí)探測，測距范圍1～150m。

3.3雙頻測深儀

雙頻測深儀的工作原理與淺地層剖面儀類似，有2個(gè)工作頻率，例如200 kHz（高頻）和20 kHz（低頻），其中低頻聲波的穿透能力要好于高頻聲波，但穿透能力也是非常有限的。由于低頻聲信號比高頻聲信號更容易穿透柔軟的水底沉積物，即在有水底沉積物的地方，同一位置所獲得的低頻回聲測深值（h1）和高頻回聲測深值（h2）是不一樣的，可用低頻回聲測深值和高頻回聲測深值的差值 dh= h1- h2，來測量水底沉積物的厚度，雙頻回聲測深儀常用高頻通道探測較淺的界面，用低頻通道探測較深的界面，但由于低頻穿透能力有限，一般只用于測量水下地形，且效果較好。

4、工程實(shí)例

4.1水庫概況

某?。ǘ┬退畮煲怨喔葹橹鳎瑝沃肺挥谀澈拥佬≈Я魃?，庫區(qū)范圍為中低山區(qū)，植被較好，水庫壩址以上主流全長約1.13Km，主峰高程約400m（黃海高程系），水庫于1963年修建完工，灌溉面積675畝，防洪保護(hù)人口1500余人，保護(hù)耕地面積約1200畝。

水庫壩址以上集雨面積F=0.58Km2，主流全長約1.13Km，主流平均坡降J=0.164；水庫總庫容為15萬m3，正常庫容12萬m3。

4.2測量方法

（1）設(shè)備安裝連接：根據(jù)設(shè)備探測要求，做好設(shè)備連接。

（2）設(shè)備布放：根據(jù)現(xiàn)場情況采用船載布放方式，整體架設(shè)在船舷一側(cè)，并沒入水中1.0m左右。

（3）測量過程：根據(jù)現(xiàn)場情況，確定15米為間隔，采用往返式進(jìn)行現(xiàn)場探測，獲取探測數(shù)據(jù)。

4.3探測成果

通過對比探測成果，發(fā)現(xiàn)淺地層剖面儀測量數(shù)據(jù)與雙頻測深儀吻合度較高（圖1），而三維聲納與雙頻測深儀測量數(shù)據(jù)偏差較大（圖2）。說明淺地層剖面儀測量數(shù)據(jù)與雙頻測深儀可靠度較高，可以作為淤積測量的計(jì)算數(shù)據(jù)，三維聲納數(shù)據(jù)可以利用其三維成像的特點(diǎn)，比較直觀的反映水下地形變化情況。

5、結(jié)語

（1）三種設(shè)備各有特點(diǎn)，淺地層剖面儀可以同時(shí)獲得水下地形和地質(zhì)分層，可以獲得淤積厚度；雙頻測深儀由于穿透能力有限，可以用于水下地形測量，但不能進(jìn)行淤積厚度測量；三維聲納可以反映水下地形變化趨勢，但對水深較淺區(qū)域測量誤差較大。

（2）從數(shù)據(jù)分析情況看，淺地層剖面儀比較適合進(jìn)行淤積測量，三者中效果最好；三維聲納與雙頻測深儀數(shù)據(jù)偏差較大的原因，可能與水深、設(shè)備參數(shù)設(shè)置等因素有關(guān)，還有待進(jìn)一步分析和探討。

（3）水庫淤積測量比較復(fù)雜，單靠設(shè)備探測很難準(zhǔn)確獲得淤積數(shù)據(jù)，最好結(jié)合鉆探等傳統(tǒng)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析會(huì)更加可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張紅梅，趙建虎，水庫庫容和淤積測量技術(shù)研究，水利學(xué)報(bào)，2002.12，p33-37

[2] 劉仙玉，毛小平，多波束測深系統(tǒng)在水庫庫容曲線復(fù)核與淤積測量中的應(yīng)用，大壩與安全，2013.6，p24-26

[3] 楊立晉，李曉飛，水庫泥沙淤積測量方法及淤積庫容計(jì)算的分析，甘肅水利水電技術(shù)，2011.6，47（6），p22-24

[4] 馬引妮，趙亞芳等，泥沙跟蹤測報(bào)系統(tǒng)在馮家山水庫工程管理中的運(yùn)用，大壩與安全，2008，（4），p20-21