SILAS系统在福建东张水库淤泥监测中的应用研究

王露　靳丽萍　李涛

摘要：为了解福建福清市东张水库淤泥的密度及分布情况，利用基于SILAS系统的淤泥密度测量技术进行了现场测量和分析。Densitune密度计在3条SILAS测线上均匀采集密度点数据。通过选择不同数量和位置的密度点数据参与SILAS走航数据的密度分层计算，来分析最优的密度点采集位置和点位数量。利用SILAS系统和密度计开展淤泥密度的测量和分析工作，可高效获取测区的淤泥厚度和分布情况。分析数据表明：纳入密度分层计算的密度点位淤泥越厚，点位分布越均匀，点位数量越多，淤泥的密度分层精度越高。研究成果可为水库及河湖等水域的淤泥研究提供数据采集和分析方法。

关键词：水库淤泥监测;淤泥密度测量;SILAS系统;采集与匹配;东张水库;福建

中图法分类号：TV698.1

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019. 10.009

1 研究背景

福建省福清市东张水库于1958年12月建成蓄水。坝址位于石竹山下的龙江中游，是一座以防洪、农业灌溉、源水供应为主，结合发电、旅游等综合开发利用的大型水库。水库东侧主要为斜陡坡，有大量大孤石;水库北侧、西侧及南侧西半部分地势较平缓，植被较茂盛，多以杂草为主，靠近水源部分有沼泽;水库南侧东半部主要为斜陡坡，由大量小碎石组成。鉴于东张水库复杂的自然地理条件，对其淤泥密度和厚度的研究成果可推广应用至同类型水库中。

为了解水库多年淤积情况，认识底泥及底质的现状，并将传统的淤泥厚度量测转化为对淤泥密度的空间分析，加之密度是地形法和输沙量法计算水库淤积的重要转换参数，因此开展库区淤泥密度观测工作非常必要。而淤泥密度观测对水库及河湖的淤泥研究及生态清淤的标准确定也有着重要的意义，水库底泥是水库生态系统的重要组成部分，是入库物质如有机质、污染物等的蓄积库，也是水土界面物质进行物理、化学、生物性交换的地带，因此开展水库底泥密度的研究，对提升库区的有效保护、科学管理起着积极作用[l-3]。S的管子内介质密度为r）相当于电路中的电感;声容类似于电容;声压类似于电压;体积速度类似于电流等。基于声学和电学存在的基本对应关系，进而可用电路的物理量，通过A/D转换，量化和量测声波的各个物理量[4-5]。SILAS系统利用普通回声测深仪向水底发射低频声学信号，声波到达水底后，部分声波被反射而另一部分声波将穿透水底。反射强度和透射强度取决于水底沉积层不同介质的密度变化。密度变化对应的是介质的特性阻抗变化，根据上面的内容可知，反射强度R、入射角和传播速度都可以通过电路直接或间接量测得到。因此，可获得声波反射强度的比值，即与密度梯度之间的对应关系，进而可对密度梯度进行定量化处理[6-7]。经过量化的密度梯度结合Densitune密度计获得的代表点（标定点）绝对密度，建立起绝对密度与密度梯度的之间的对应关系[8-9]，即获得了绝对密度与声波反射强度的对应关系，从而提取航线上相应密度值曲线。根据相关行业规范或规定，确定底泥厚度。SILAS系统工作结构图如图1所示。

3 应用实例

3.1 密度仪的标定

现场采集数据时直接调用厂方校正好的密度校正文件是Densitune密度计使用过程中常出现的误区，然而因为不同区域底质成分构成及流变特性存在差异，调入不适用的校正文件会导致采集的密度特征点数值产生误差。因此，密度仪的标定是SI-LAS系统按密度划分淤泥的一个关键环节。在测量区域内挖取底泥，使用称重法进行现场淤泥密度标定。标定完成后，采用同样的方法测量称重法调制的固定密度的泥浆，统计精度如表1所示。

由表1可知，Densitune泥浆密度仪的测量中误差为+5.32 g/L，其相对误差不大于0.5%的样本有15個，占比75%，0.5% - 1%的样本有5个，占比25%，没有大于1%的样本。最大误差百分比为-0.85%，证明仪器具有良好的精度和稳定性。

3.2 现场数据采集

区域淤泥密度数据的获取分为两个步骤，第一步是SILAS系统采集浅地层的简谐纵波的反射信号，并形成瀑布图，第二步是采集特征点的密度数据[10-13]。

3.2.1 SILAS系统采集浅地层数据

以固定架设的GNSS基站为参考站，载有SILAS系统的测量船为流动站，沿着计划线行进，行进中利用差分定位系统和SILAS系统，连续获取测量点的平面位置和高程，并记录航线上水下地层信息[14]。

3.2.2 Densitune密度计采集特征点密度值

（1）由于可直接影响到淤泥表层及分层数据的相对基面深度数值，密度计采集数据前需要进行深度和温度校正。

（2）密度计特征点位的选择原则是在SILAS数据采集以后，根据SILAS采集的瀑布图选择合适的点位。

（3）密度点位的数量原则是越多越好，数量越多，SILAS划分的密度层越准确。

（4）在具有代表性的库区中选择中间3条线，每条线均匀采集10个点，采用分类对比的方法进行密度值误差统计分析。

（5）库区密度采样点点位示意图详见图2。

4 成果分析

4.1 库区淤泥分布特点

从表2中可以看出，东张水库淤泥厚度呈现区域性分布。库区北部沼泽及南部地势平缓区域淤泥层较厚，最大厚度为0.85 m，平均厚度为0.36 m，总体呈现出南、北区域比中间淤泥量大的趋势，也正好符合库区南北地势平缓、沼泽多的特点。

4.2 密度采样点选择对密度分层精度的影响

选择库区中间3条SILAS走航测线，每条测线均匀采集10个密度采样点，选取不同位置和数量的密度采样点参与SILAS走航数据密度分层计算，未参与分层的密度点作为分层数据的外符合精度比对点。SILAS走航数据密度分层计算是将采集的密度点的各特征密度（1050，1250 g/cm和1 300 g/cm）分别标定出来，然后将各个密度点的特征密度导人SILAS浅地层数据中参与整条测线的淤泥密度分层计算，并获取测线特征密度（1 050，1 250 g/cm和1 300 g/cm）的相应分层数据。本文以国内普遍适用的适航水深密度1 300 g/cm3的数据为参考数据[15]，1 050 g/cm为淤泥表层密度，得到各点1 300 g/cm和1 050 g/cm密度对应的深度差值所代表的淤泥厚度，即为该点的1 300 g/cm密度分层厚度。

以未参与分层密度点为真值的各点误差曲线见图3-5。

通过表3的淤泥采样点中误差统计表和3条断面的误差分布图可以看出：

（1）参与分层计算的密度点数量越多，分层计算的密度值越接近于真值（密度仪实测数值）。

（2）参与分层计算的密度点淤泥厚度越大，分层计算的密度值精度越高。

（3）参与计算的密度点数量达到一定数量时（本项目以4个为例），增加参与分层计算的密度点数量对整体测线密度分层的精度提高效果不明显。

（4）参与分层计算的密度点分布越均匀，分层计算的密度值精度越高。

由上述的统计结果得出3种提高密度分层精度的方法：①增加参与分层计算密度点的数量;②选择淤泥厚度大的参与分层的密度点;③选择均匀分布的参与分层的密度点。

5 结论

本文通过SILAS走航式淤泥测量系统在东张水库的实际应用研究，得出以下结论。

（1）利用SILAS淤泥数据采集系统开展库区的淤泥观测工作，可以高效地获取测区的淤泥厚度和分布情况。实测数据表明，东张水库平均淤泥厚度为0.36 m。

（2）库区、河湖等静态水域的淤泥分布与地形地势关系密切，沼泽、平坦地区较陡峭地势区域淤泥厚度大。

（3）在准确确定淤泥分布的情况下，分析了密度采样点的选择对分层精度的影响，提出了一种提高分层精度的可靠的密度采样点选择方法，有助于提高走航式SILAS密度数据的分层精度。

参考文献：

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[15]JTJ 319-99疏浚工程技术规范[Sl.

（编辑：李晓潆）