水下地形與淤泥測量方法探討14頁

1、水下地形與淤泥測量方法探討 朱前維，朱龍喜，任小龍（無錫市水文局，江蘇 無錫214023）摘 要：本文闡述水下地形與淤泥測量的過程及淤泥量的計(jì)算方法，通過各種淤泥測量方法的對比，闡明了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，針對不同的項(xiàng)目在測量方法的選擇上提出了自己的建議。關(guān)鍵詞：淤泥測量；生態(tài)清淤；淤泥密度1、引 言 由于自然和人類活動(dòng)的影響，大量的泥沙等物質(zhì)融入水體之中，泥沙夾雜有機(jī)物質(zhì)淤積湖泊，造成湖泊水體富營養(yǎng)化，威脅飲水安全。 2007年6月初太湖藍(lán)藻大爆發(fā)，我市出現(xiàn)水危機(jī)后，市政府推出了治理太湖、保護(hù)水源6699行動(dòng)，水利部門積極響應(yīng)，針對我市河流、湖泊的實(shí)際情況，加大了全市的清淤力度，包括貢湖、梅梁湖、梁

2、溪河、直湖港等水域相繼進(jìn)行環(huán)保疏浚工作，這給水下地形與淤泥測量和計(jì)算工作提出了新的要求，認(rèn)真研究和探討水下淤泥測量和計(jì)算有利于為環(huán)保疏浚工作提供更準(zhǔn)確的第一手資料。2、水下地形與淤泥測量技術(shù)原理水下地形測量主要包括定位和測深兩大部分。定位的作用是不言而喻的 ,目前水上定位基本采用RTK（Real Time Kinematic）、RTD、CORS等技術(shù)。一套GPS、測深儀器、手提電腦和應(yīng)用軟件就組成了一套完整的水下測量設(shè)備。水下測量不僅局限在水下地形測量還包括淤泥測量，而淤泥深度的測量正是水下測量的一個(gè)難題?，F(xiàn)在淤泥深度的測量方法很多，但各有其優(yōu)缺點(diǎn)，所以在不同的情況下必須選擇不同的測量方法。常

3、用的淤泥深度測量方法有鉆孔取樣法、靜力觸探測桿法、聲納探測法、放射線探測法、聲波淤泥密度探測法等。21 水下地形測量對于疏浚工程而言，水下地形測量就是測量淤泥表面高程，淤泥上表面高程測量與普通水下地形測量相同。以RTK定位模式為例，水下地形測量包括以下幾個(gè)部分：2.1.1 水下地形測量的軟硬件配置為：RTK測量基準(zhǔn)站、GPS流動(dòng)站、測量船、測深設(shè)備、海洋測量軟件、計(jì)算機(jī)、電源等，如圖1所示。                 &

4、#160;                                                 &

5、#160;      （圖 1）  2.1.2 測區(qū)控制點(diǎn)成果收集、分析，收集分析測區(qū)控制點(diǎn)成果，包括平面、高程系統(tǒng)、等級、控制點(diǎn)的精度儲備等。2.1.3 求解測區(qū)坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換關(guān)系用測區(qū)內(nèi)已知控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)與測區(qū)的測量坐標(biāo)系解算出兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性將直接影響定位精度，因此，已知點(diǎn)最好布設(shè)在測區(qū)四周和中心，這樣能有效控制測區(qū)，如果已知點(diǎn)在測區(qū)一側(cè)，應(yīng)計(jì)算與滿足精度控制的范圍。WGS84坐標(biāo)系與測區(qū)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換一般采用三維轉(zhuǎn)換，用布爾莎沃爾夫模型求解七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，其中，三個(gè)平移參數(shù)，三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，一個(gè)尺度因子。

6、2.1.4 測深設(shè)備的安裝使用用豎直波束回聲儀進(jìn)行水深測量是目前水深數(shù)據(jù)采集的主要手段，它安裝在測量船底的發(fā)射換能器垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C在水中傳播到水底后產(chǎn)生回波，回波被接收換能器所接收，發(fā)射聲波與接收回波的時(shí)間為t，則換能器表面至水底的距離(水深)為：H = 12·ct回聲測深儀一般安裝在測量船的中部，因?yàn)榇w中部在航行中吃水線的變化最小。測深儀換能器安置在水下50-60cm處，且比船底略高位置為宜，但要避免被測區(qū)內(nèi)水下魚網(wǎng)或雜物碰撞。測深儀的設(shè)置包括吃水深度的設(shè)置、測深量程的選擇、聲速設(shè)定，記錄紙帶速度設(shè)定（現(xiàn)在已基本不用）等。2.1.5 水位站的布設(shè)當(dāng)水面

7、為靜態(tài)時(shí)，勿需布設(shè)水位站，用全站儀或光學(xué)水準(zhǔn)儀測得水面高程即可；當(dāng)水面為動(dòng)態(tài)時(shí)，水位站選擇也應(yīng)盡量避免受潮汐風(fēng)浪影響，交通應(yīng)方便，便于觀測。合理有效地布設(shè)水位站，對水下地形測量質(zhì)量控制意義重大，它直接影響水深點(diǎn)的測量精度。水位站要有專人觀測，觀測的時(shí)間間隔可以根據(jù)水位變化情況而定，在有風(fēng)浪的情況下觀測，應(yīng)取峰頂與峰谷的平均值。2.1.6 水下地形測量水下地形測量，應(yīng)根據(jù)天氣、風(fēng)浪、潮汐等情況，合理安排時(shí)間，當(dāng)風(fēng)浪較大，氣候惡劣，影響人身、儀器安全時(shí)，應(yīng)停止測量。設(shè)置好儀器及坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)之后，應(yīng)對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，在校核無誤后方可進(jìn)行測量。GPS流動(dòng)站接收機(jī)天線應(yīng)與換能器在同一垂線上，并保

8、證GPS觀測衛(wèi)星信號的質(zhì)量指標(biāo)，如衛(wèi)星數(shù)、高度角、PDOP(空間位置精度因子position Dilution of Precision)值等。在確定水下地形測圖規(guī)格時(shí)，應(yīng)在水深測量的專用軟件中，先確定水下地形圖的范圍與比例尺，以及坐標(biāo)系統(tǒng)和圖幅等。設(shè)定測量斷面線時(shí)，應(yīng)將測量船導(dǎo)航至斷面位置，再按指定的時(shí)間或者間距進(jìn)行測點(diǎn)的定位與測深，并實(shí)時(shí)修正測量船的航向。22 水下淤泥測量水下淤泥測量一直是工程測量領(lǐng)域的一個(gè)難題，就目前來說主要有兩種測量方式，一是手工測量，另一種是儀器測量，隨做科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，儀器測量正逐步在推廣，但在一般基層單位及小型的測量項(xiàng)目中，手工測量淤泥深度還在被普遍使用。2.2

9、.1淤泥分析粒徑<003 mm的泥沙與顆粒分散的泥沙相比，性質(zhì)上有很多差異，通常我們把它稱為淤泥。根據(jù)疏浚工程施工技術(shù)規(guī)范的表述，淤泥的準(zhǔn)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>10的粘性土，可細(xì)分為淤泥質(zhì)土、淤泥、流泥和浮泥(表1)。表1 淤泥的分類    泥土性質(zhì)孔隙比e含水率w(%)泥土-w>150流土-85<w150淤泥1.5<e2.455<w85淤泥質(zhì)土1.0<e1.536<w55   不同淤泥層面的劃分標(biāo)準(zhǔn)因不同地區(qū)泥質(zhì)而異。按照一般情況，可以大致

10、按密度變化范圍劃分出4個(gè)淤泥層面。細(xì)顆粒泥沙經(jīng)絮凝沉落到水底后，要經(jīng)過很長時(shí)間才能變得比較密實(shí)，在尚未密實(shí)之前具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，稱為浮泥。浮泥的密度范圍為1012 gcm浮泥進(jìn)一步固結(jié)，流動(dòng)性減小，當(dāng)密度達(dá)到1215 gcm時(shí)，便成為流泥。當(dāng)孔隙水被排走，密度增加到1518 gcm時(shí)，界面波不再發(fā)生，在水流作用下不會(huì)直接懸揚(yáng)，已經(jīng)屬于淤泥的范疇。密度達(dá)到18 gcm。以上時(shí)，已成為淤泥質(zhì)土(表2)。表2 淤泥密度范圍  名稱密度范圍(gcm。)浮泥1O12流泥1215淤泥1518淤泥質(zhì)土> 18222手工測量淤泥深度手工測量淤泥深度主要有鉆孔取樣法、靜力觸探/測桿法。鉆孔取樣法

11、使用鉆機(jī)單點(diǎn)采集柱狀淤泥樣本，用環(huán)刀法測定柱狀樣本中各分層淤泥的天然密度；量取各分層淤泥的厚度，鉆孔取樣對淤泥的擾動(dòng)不能避免，浮泥和流泥樣本無法采集，只能憑肉眼或經(jīng)驗(yàn)來估算出該部分的厚度，這樣就人為的增加了測量的誤差，同時(shí)對各分層淤泥沒有定量的指標(biāo)來衡量。鉆孔取樣法對于面積大精度要求高的區(qū)域并不實(shí)用，它工作量大，價(jià)格昂貴，而且效率極低。靜力觸探法使用專用測桿進(jìn)行，其原理是通過單點(diǎn)測定淤泥層對測桿的比貫入阻力來計(jì)算淤泥的承載力，從而確定淤泥厚度；更為簡單的做法是采用測桿兩次讀數(shù)來確定淤泥的厚度，及當(dāng)測桿觸及淤泥表面的時(shí)候讀取一個(gè)深度，用力將測桿往下，當(dāng)達(dá)到一定阻力，測量人員判斷測桿已經(jīng)觸及淤泥的

12、下表面時(shí)再讀取一個(gè)深度，兩個(gè)深度之差及為我們所需要的淤泥厚度值。使用此種方法測量時(shí)，測桿的形狀、大小，測桿所承受的力的大小，直接影響到測量的精度，同時(shí)靜力觸探測桿法無法測定淤泥的絕對密度，也無法查明浮泥和流泥的分布。通過上面兩種手工測量法的分析，我們可以看出手工測量法存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：1、工作強(qiáng)度大、效率低；2、系統(tǒng)誤差和偶然誤差大；3、無法使定位和測深同步進(jìn)行；所以手工測量法只適合工程勘察設(shè)計(jì)階段使用，如果要對淤泥進(jìn)行精確計(jì)量必須使用專業(yè)測量儀器。223儀器測量淤泥深度 現(xiàn)在專業(yè)的儀器正越來越多的在疏浚工程測量中使用，使用儀器測量淤泥深度的方法主要有：多普勒雙頻超聲波測量、放射線探測法、聲波

13、淤泥密度探測法。 多普勒雙頻超聲波測量是目前應(yīng)用最多的一種方法，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，只能測定水底和某一硬底層間的厚度； 放射線探測法是根據(jù)放射線(如y射線)的放射衰減比率來測定淤泥的密度；放射線探測法通過單點(diǎn)測量淤泥的密度，測定精度較高，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，不適合在工程測量中使用，所以在施工測量領(lǐng)域應(yīng)用極少。聲波淤泥密度探測法，根據(jù)聲學(xué)原理，聲波遇到不同密度的介質(zhì)反射強(qiáng)度不同，它在不同密度的介質(zhì)中的振幅也不相同，因此，當(dāng)向水下發(fā)射一束聲波，

14、遇到不同密度介質(zhì)后開始反射，有一部分聲波將穿透水底后反射回來。聲波穿透介質(zhì)的深度取決于它的能量和頻率，對一定能量的聲波而言，震蕩頻率越低，其穿透能力越強(qiáng)。而反射回波的信號強(qiáng)度取決于水底淤泥層的密度變化。這種變化被定義為“密度梯度”。由于聲波的反射強(qiáng)度和密度梯度之間的關(guān)系可以通過實(shí)驗(yàn)確定下來，即每一次反射都是因?yàn)槊芏忍荻茸兓鸬?，這樣就可以對密度的梯度進(jìn)行定量化處理。如果利用標(biāo)定過的聲源信號來記錄反射信號的強(qiáng)度，則可以高精度地測定密度的梯度值；根據(jù)標(biāo)定過的信號在介質(zhì)中的振幅值，就可以確定介質(zhì)的密度。有了這兩個(gè)參數(shù)，就可以連續(xù)測定水下淤泥層的密度了。通過探頭采集低頻聲波在介質(zhì)中的反射數(shù)據(jù)，根據(jù)低

15、頻震蕩數(shù)據(jù)及標(biāo)定密度梯度連續(xù)分劃特定密度層，形成三維數(shù)據(jù)。按密度劃分淤泥，可以細(xì)化浮泥的密度分層，有助于分析特定目標(biāo)層的流變特性，從而減少疏浚量，節(jié)約資金。生態(tài)清淤在工程上要求清淤的準(zhǔn)確性和選擇性，即清除目標(biāo)是富含污染物的易流動(dòng)的浮泥和流泥層。按密度劃分淤泥，為生態(tài)清淤提供了一個(gè)清晰的選擇標(biāo)準(zhǔn)。聲波淤泥密度探測法具有速度快，精度高的優(yōu)點(diǎn)，但也有它的缺點(diǎn)，使用此方法在測量前必須進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，如果更換測量區(qū)域則必須從新進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。遇到同一區(qū)域不同位置土質(zhì)差別越大則測出的數(shù)據(jù)誤差越大。3、水下淤泥土方計(jì)算水下淤泥厚度的測量最終目的是為了計(jì)算水下所淤積的土方量，為工程設(shè)計(jì)規(guī)劃或工程施工提供依據(jù)，所以

16、不管是手工測量淤泥深度還是使用先進(jìn)的儀器進(jìn)行淤泥深度測量都必然要涉及到淤泥量的計(jì)算。外業(yè)所采集的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過后處理形成規(guī)范的數(shù)據(jù)文件才能用于土方計(jì)算，一旦規(guī)范的數(shù)據(jù)文件形成后，淤泥量的計(jì)算與普通的土方計(jì)算并無多大區(qū)別。數(shù)據(jù)文件所應(yīng)該包含的信息就是X、Y、Z，而X、Y兩個(gè)數(shù)據(jù)不難理解就是采樣點(diǎn)的平面坐標(biāo)，Z數(shù)據(jù)可以是淤泥的厚度也可以是淤泥上表面或下表面的高程，通常在淤泥方量計(jì)算中我們?nèi)為淤泥厚度，通過軟件就可以計(jì)算處淤泥量來。對于手工測量來說制作數(shù)據(jù)的工作量相對大些，如果由儀器測量，現(xiàn)在都有相配套的數(shù)據(jù)后處理軟件，可以根據(jù)用戶的要求生成包含不同要素的數(shù)據(jù)文件供不同用途的人使用，這樣不僅工作量相

17、對小，而且效率要高很多倍。對于淤泥量計(jì)算來說只要設(shè)置好參數(shù)就可以一步到位的計(jì)算出來。所以淤泥測量主要是方法的選擇，也就是外業(yè)測量的方式?jīng)Q定了整個(gè)測量的效率和可靠性，而數(shù)據(jù)處理和土方計(jì)算相對簡單。4、應(yīng)用實(shí)例為改善貢湖水源地水質(zhì)狀況，做好貢湖生態(tài)清淤工程設(shè)計(jì)工作，對該水域進(jìn)行1:1000水下地形測量、湖底淤泥深度測量?？紤]各方面因素，先進(jìn)行水下地形測量，再選擇鉆孔取樣法，按100m間距采集淤泥的深度，并同時(shí)記錄鉆孔平面位置和孔口的高程，確保所測淤泥點(diǎn)具有平面、水深、淤泥三維一體性。根據(jù)水下地形數(shù)據(jù)可生成直觀的三維表面圖、等值線圖等，如圖所示意。    &#

18、160;     （水下三維表面圖）          （水下等值線圖）  以各測點(diǎn)測得的淤泥點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z淤泥厚度）利用繪圖軟件功能生成淤泥深度曲面數(shù)字模型，繪制出淤泥厚度的等值線圖。淤泥量計(jì)算方法采用容量計(jì)算法，以各測區(qū)測得的淤泥底部點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z淤泥底部高程）生成淤泥底部的曲面數(shù)字高程模型，結(jié)合生成的水下高程數(shù)字模型，利用軟件功能計(jì)算出兩層模型間的容量即為淤泥的淤積量。5、結(jié)論與建議根據(jù)上述測量方法的討論及幾年來從事水下地形及淤泥深度測量的經(jīng)驗(yàn)得出如下結(jié)論與建議：、根據(jù)目前測量領(lǐng)域現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為對于水下地形測量，測深儀+GPS（RTK、RTD、COR等模式）是最佳選擇，不僅效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低，而且節(jié)省資金。、淤泥深度測量，可視情況選擇測量方法，對于小區(qū)域或?qū)纫蟛桓叩捻?xiàng)目可使用手工測量方法；對于大面積或?qū)?/p>