浅地层剖面仪在水利清淤工程中应用

摘 要：淤泥测量在水利清淤工程中是一重要环节，通过淤泥厚度的测量可获得更为准确且合理的水底淤泥土方量，清淤工程的设计以及施工奠定基础。本文就浅地层剖面仪在水利清淤工程中的应用进行研究和分析，通过浅层剖面仪的定义与工作原理的简述，结合具体的案例，该仪器设备在水利清淤工程的应用进行详细地论述，希望通过本文内容的阐述可推动我国水利清淤工程的实施，提高清淤的成效与水平。

关键词：浅层剖面仪；水利；清淤工程；淤泥；应用

1 浅地层剖面仪的概述

1.1 定义

浅层剖面仪是通过声波来对浅底地层剖面结构进行探测的一种仪器，该仪器是基于超宽频海底剖面仪的改进，用于显示湖泊、海洋以及江河底部地层剖面的一种设备，借助于地质解释方面的内容，可探测到水底以下的地质构造情况。这种仪器不管是在地层穿透深度上，还是在地层分辨上，其性能均比较高。除此之外，还可随意选择相应的扫频信号组合，在施工现场实时进行工作参量的设计与调整，不仅可测量航道浮泥的厚度，该仪器具有图像连续、便于操作且探测速度快等特点。

浅地层剖面仪是由系统软件、水下单元与甲板单元所构成的，该仪器是基于回声测探仪器所发展成为的一种仪器，通常情况下其探测的深度是几十米。在测量过程中，通过声波在水底以及水中沉积物中的反射、传播特点，连续探测水底沉积物自身的分层结构，以此获得更为直观和合理的浅地层剖面。浅地层剖面仪的工作方式和测探仪大致相似，只是所采用的发射功率与频率不同，但测探仪只可对换能器至水底水深进行测量，其工作的频率比较低。相对于测探仪而言，浅地层剖面仪除了可对换能器至水底水深进行测量以外，同时还可探测出换能器的垂直下方所对应的水底深度，可将水底地层的具体分层状况及各层的地质特征反映出来。在浅地层剖面仪中，其换能器根据相应的时间间隔来垂直向下进行声脉冲的发射，当声脉冲通过水触及到了水底后，其中有部分的声能可反射返回至换能器，而另外一部分则又会继续朝地层的深层进行传播，且其回波又会逐步返回，一直到声波所传播的这些声能损失全部耗尽为止。

地层厚度的测量其实就是对声波穿透至地层这一过程传播时间的测量，在这里假设ΔT为地层上下两个界面间时间差，C为该地层声速，则可按照下面这一公式来计算获得该地层厚度。，在这一公式中，w是地层厚度。声波水底反射能量的大小是通过反射系数R来明确的，其公式为：

其中和分别为一层、二层介质密度与声速，通过上述这一公式可以看出要想获得声强反射，其介质的密度以及声速差必须要大，以此才可在浅地层剖面仪终端显示器上将灰度比较强的这一剖面界面线反映出来，在收到的这些反射信号中，大部分信号都携带了水底地层构造信息以及地质结构信息。接着利用声学理论的相关原理，对所做得记录进行全面观察，分析水底这些沉积物对声波所产生的反射。最后在此基础上，就可更为准确地了解和掌握探测区域浅部地层具体地质情况，同时通过相应的处理软件，将两层沉积物属性图像反映出来。

2 在水利项目中出现泥沙淤积这一现象的原因

近年来，为了获得更大经济效益，在库区范围内，随意进行采石、取土或者挖沙等，使得泥石流、崩塌以及滑坡等灾害频发，加大了库区泥沙的淤积问题，特别遇到梅汛期的时候，就会倾斜而下，并夹带一定泥沙流入到库区中去，而泥沙的不断淤积也使得库区所具备的功能得不到充分地发挥。从客观的角度来看，当水库在建成了后，水库的水温就会逐步升高，同时其水质也会相应地变差，若水库的底泥长期未得到相应的清理，该库区就会不断地释放出各种营养盐，造成水体出现富营养化问题，水体就会逐步变绿，且藻类的生长速度也会加快，长期下来，就会产生一种“水华”现象，最终影响水库的水质量，继而影响人们的饮水安全。

3 浅地层剖面仪在水利清淤工程中的应用

为了更好地理解浅地层剖面仪，本文以“秀林水库清淤工程”为例，就浅地层剖面仪的应用进行详细地阐述。在本案例中，应用了由美国的Benthos公司所推出的一种浅地层剖面系统，即ChirpⅢ系统，该系统的重量较轻，便于运输和携带，采用的是线性脉冲调频法，该系统可在小型船舶上来进行测量与使用。由于原有的拖鱼式转换器在进行测量时，来往的船只以及河流中所有的这些浅滩会对其产生一定的安全威胁，对此，为了使该仪器在应用过程中更好地发挥其功能，需对仪器原有的拖鱼式换能器实施改进，从以往安放于测船尾的方式改变为固定于船舷的两侧，通过这种方式不仅可确保其安全性，同时还可提高其探测效果。

3.1 采集和处理资料

由于声图判断为一项细致且复杂的工作，在工作过程中，只要出现任何细小的差错都会造成地层名称或者地层地层分界线错定、错划。鉴于这种情况，为了防止这种错误的发生，在进行浅剖探测的时候，操作人员应随时将以下内容标注在声图上：工作模式、工作的具体环境、转换器的水深波、探测前后的水深比、水深位的移植以及量程范围、收发换能器基阵之间的距离、定位时线号、点号与时间、测量船周围所产生的干扰等，通过这些内容的标注，为图像资料的评判提供相应的参考资料。在对声图进行判断的时候，应按照不同干扰特征，将声图中的虚何地层以及干扰等剔除掉，接着再按照不同沉积地层规范图谱，结合工作经验，对声图进行综合观察和分析，将连续且清晰的地层分界线找出来，基于此再来判断声图。实施这一工作的目的就会为了对淤泥厚度进行测量，通过处理软件在图像中来直接量取淤泥的厚度。如图3。

3.3 淤泥的分析以及土方的计算

在淤泥厚度测量过程中，基于声学原理方面的内容，当声波所遇到的介质，其密度不同，则其所反射的强度也会有所不同。对此，在向水底进行声波发射时候，在遇到密度不同介质以后就会开始进行反射，其中有部分声波就会穿透水底反射回来。其中声波在穿透介质以后，其深度主要取决于其频率与能量，对于具备一定能量的这些声波来讲，其震荡的频率越低，则其穿透力也就越强。而在这其中，所反射的回波，其自身信号强度则是由水底淤泥层密度变化所决定的，这种变化通常被称之为密度梯度，通过定量化处理密度梯度，用标定了的这些声源信号来进行反射信号强度的记录，以此将密度梯度值测定出来，接着再依据在介质中标定信号振幅值来明确介质密度。在具备了这两个参数以后，就可对水底淤泥密度进行连续测定。最后利用探头所采集的反射数据，来进行密度层的划分，使这三方面的数据成为一个三维数据，从而为清淤工程的实施打好基础。

测量水底淤泥厚度的主要目的就是为了对淤泥土方量进行计算，通过计算以此为工程的施工提供相应的参考依据。在外业所采集到的这些数据必须要通过处理成为规范性数据文件后才可用到淤泥土方量的计算中去。通过该仪器在的实践应用情况来看，该仪器的应用便于水利工程项目演变过程的监控和研究，通过剖面图所呈现的地层地质构造，可及时获得沉积物厚度，而这些对于水利清淤工程的实施而言，具有非常大的现实意义。

4 结束语

综上所述，该仪器自身所具备的高效与快速探测功能，为水利清淤工程的实施提供了有利的技术保障。通过该仪器设备，可及时了解和掌握探测区域沉积物的特征、地质构造以及地形变化等，通过综合研究和分析剖面图像与其他测量方式所获得的数据，可更好地监测探测区域的变化情况，以便于针对具体的变化采取相应的应对措施，提供可靠科学依据。

参考文献

[2] 王圣豹.多波束参量阵浅地层剖面仪测深分机接收与采集电路设计[D].哈尔滨工程大学，2012.

[4] 黄宁.浅地层剖面仪在水上工程项目中的应用[J].科技信息，2012，（17）：359-360.

作者简介：黄 光（1980-），男，浙江温州泰顺人，工程师，主要从事水利水电工程测绘工作