內河疏浚河道浮泥層測量方法應用初探

徐立猛

(上海泓源建筑工程技術有限公司，上海 200232)

1 前言

細顆粒泥沙與海水相互作用，會在顆粒表面形成一層吸附水膜。相鄰顆粒在一定條件下結合成集合體，發生聚凝作用，形成絮凝體。由于絮凝作用，細顆粒在沉積到底部時會連結成絮團，絮團之間會連結成集合體。集合體還會搭連成網架結構，形成淤積物，通常把這種淤積物稱為“浮泥”(fluid mud)［1］。

浮泥層具有粒徑極小和顆粒極輕的特點，如何準確測定浮泥層厚度，受諸多因素影響，目前還沒有形成一套通用的方法。但國內外已有不少這方面的研究，也不乏運用先進儀器和辦法針對特定河段進行試驗并成功測量出其厚度的案例。

本文通過漕河涇港河道底泥測量項目，介紹采用GPS網絡RTK技術配合測深儀和塔尺測量對內河航道浮泥層厚度和河底高程進行測驗的方法，供大家探討。

2 項目概況

漕河涇港河道底泥測量項目屬于“徐匯區河道底泥清除新技術研究與示范工程”的子課題項目。項目起點為虹梅路七星橋，終點為蒲匯塘、漕河涇港、龍華港三江交匯處，全長3.64km，河床底規劃標高為－0.50m。

漕河涇港河道上次疏浚時間為2007年，采用非斷流常規挖泥機挖泥。到2012年漕河涇港河道污染底泥淤積平均厚度為0.59cm(不同斷面淤積厚度相差較大)。

3 測量方案論證與實施

3.1 測量方案選定

考慮到該河段污染底泥清除，采用泥水現場分離新工藝，浮泥層厚薄程度將直接影響工程量的大小。采用傳統測量儀器定位(或測繩定位)配合塔尺或測桿測深的河道測量方法，無法(或很難)準確地測定以絮凝體形式存在的浮泥層及其厚度，因此，本項目初步選定采用 GPS網絡 RTK技術進行平面定位，采用SDE-28雙頻全數字化測深儀和塔尺進行水深測量，并通過后期數據處理方法，對漕河涇港河道浮泥層厚度和河底高程進行測定。

3.2 基本原理

3.2.1 GPS網絡RTK技術

網絡RTK技術又稱多基準站技術，是集通信技術、Internet技術、計算機網絡管理技術和GPS技術于一體的空間實時服務技術。它的出現彌補了常規RTK的不足，使得RTK的作用距離增大，同時縮短了初始化時間，提高了點位精度，增強了可靠性［2］。

本項目采用的VRS系統2005年建成，其功能包括實時動態應用和靜態數據下載后處理等，已初步形成國內首個基于VRS技術的GPS網絡RTK數據發布與應用系統運行平臺，且具有較高的穩定性［3］。

2005年7月，該技術通過上海市測繪產品質量監督檢驗站檢驗:其動態平面內符合誤差±13mm，外符合誤差±30mm(檢驗報告結論);其動態高程內符合精度在 ±30mm以內，外符合精度在 ±40mm以內［4］，精度均能夠滿足本項目測量要求。

3.2.2 全數字化測深技術

本項目采用的SDE—28一體化全數字測深儀，由工控電腦平臺與微機操作系統相結合，內部集成測深控制、水深測量、軟件圖形導航等功能軟件，能實時記錄水底曲線與水深數據，并可隨時回放。同時，可外接GPS接收機，使水深數據和定位數據很好地結合到一起。其測深精度為±1cm±0.1%D(D為實時水深)，測深范圍為0.3～2000m，分辨率為0.01m，聲波頻率高頻 200kHz，低頻分 20kHz、24kHz、33kHz 三個檔次。該儀器自動化程度高，精度可靠，各項技術指標完全能夠滿足本項目測量要求。

3.3 方案實施

3.3.1 浮泥層厚度檢測

目前，傳統測定含沙量一般采用“取樣分析法”，即在現場使用采水器取得水樣后，在實驗室用“烘干稱重法”或“光電測沙法”測定含沙量［5］。

本項目采用SDE-28一體化全數字雙頻測深儀驗證浮泥層的存在情況。在試驗中，測深儀高頻選取200kHz，測定浮泥層上界面(表面)，低頻選取20kHz，穿透一定厚度浮泥層測定其下界面(底面)。為保證試驗的準確性和抽樣的代表性，分別選取該項目河段上、中、下游3個不同試驗段進行了測量。

經過測量發現，確實存在厚度不一的浮泥層。但由于水深較淺，測深儀低頻波形圖十分模糊，尤其上游試驗段，低頻波形圖更不明顯，浮泥層厚度無法進行準確量化。

3.3.2 浮泥層厚度測量方案可行性試驗

為達到量化浮泥層厚度的效果，采用測深儀高頻信號測量浮泥層上界面，塔尺測量浮泥層下界面(淤泥層表面)，然后進行數據套合計算浮泥層厚度。為保證測量數據的可靠性，筆者自制了一套浮泥層比測工具(用于測量浮泥層上界面)，其上端是一根標有刻度的測深桿，下端為一固定裝置，并加裝規格60cm×20cm(或30cm×30cm)的帶兩排透水圓孔的膠漆板(厚度0.5cm)。該工具既解決了水對材質的阻力問題，又有一定自重，且考慮到河底的坡度情況，起到了良好的比對驗證效果。

本次比測試驗共采集數據79組，采集部位分布于項目河道的上、中、下游，采集數據具有代表性。由此測數據可知，河道相同測驗部位處，總體為:測深儀高頻信號水深＜自制工具測量水深＜塔尺測量水深，符合理論和實際情況。

通過下頁表數據可看出:測深儀高頻信號測量水深和塔尺測量水深存在0～30cm之間的差值;浮泥層厚度與河道水深成反比。

由此判定，采用測深儀高頻信號測量浮泥層上界面，塔尺測量浮泥層下界面(淤泥層表面)，然后進行數據套合計算浮泥層厚度的方案，具有可行性和可操作性。

不同水深浮泥層厚度情況統計表單位:m

3.3.3 浮泥層上界面測量

定位和測深同步進行。定位采用VRS技術，儀器選用Trimble R8型GPS，其動態水平精度為±10mm+1ppm，動態垂直精度為±20mm+1ppm;測深采用SDE-28一體化全數字測深儀。

測量時，將GPS接收機天線和測深儀換能器用一根2m長(可增減長度)的固定桿連接在一起，使兩者保持在同一垂直線上。換能器安裝在船體中部，安裝與固定時保持垂直并緊固。然后，利用SDE-28測深系統配置的自由行水上測量軟件同時采集坐標數據和水深數據，并自動記錄保存。

3.3.4 浮泥層下界面測量

定位采用VRS技術和測繩固定相結合，保證浮泥層上、下界面測量位置相同(或接近一致)。GPS仍選用Trimble R8型GPS，測繩采用50m長并具有1m標記的專用繩具。測深采用具有毫米刻畫的雙面塔尺，長度為5m(5節可伸縮)，材質為寬面鋁合金(材質較輕，減小自重影響，保證塔尺觸及浮泥層下界面后不至于插入淤泥層中)。

3.3.5 浮泥層厚度計算

浮泥層上界面三維坐標，采用測深儀內置的自由行測量軟件進行后處理得到。浮泥層下界面平面坐標通過GPS定位(或測繩定位)得到，水底高程則通過該處水位值和測深儀所測水深值相減得到。然后將浮泥層上界面三維坐標和下界面三維坐標疊加，兩者水底高程值之差即為浮泥層厚度。

4 關鍵技術問題處理

4.1 測深儀與塔尺測深及數據套合問題

本河道水深較淺，最深處約3m左右，最淺處淤泥已露出水面，河道平均水深1.4m左右。當采用塔尺測深方式作業后，受外力擾動影響，浮泥層和軟淤泥層使水體變渾濁，短時間內測深儀無法進行測量。

針對上述實際情況，筆者先采用測深儀進行橫斷面水深測量，然后采用塔尺測深方式對同一橫斷面進行水深測量。這樣既在最大程度上保證了測驗斷面的一致性(防止間隔時間過長，經過漲潮落潮等情況給斷面帶來沖刷或淤積影響)，又充分利用淤泥回落時間差進行測繩固定工作，提高了外業工作效率。

4.2 測深儀盲區處浮泥層數據處理

由于本項目河道許多地方淤泥嚴重，尤其兩側水深較淺處，有些淤泥已裸露于水面之上，且部分河道兩側種植水草較多，給測深儀作業帶來極大不便。受測深儀探頭吃水深度限制，即使更換橫斷面位置也無法完全避開上述情況。為此，筆者根據上下游河道斷面浮泥層情況分析得出:采用類比推算方法，推求河道兩側水深較淺處(測深儀無法測量時)浮泥層上界面高程。即采用每個斷面臨近岸線一側最后兩個可測厚度值的平均值作為起算值，加上待推算位置塔尺測深高程，即為該處浮泥層上界面高程。

4.3 測深儀各項參數的調試試驗

4.3.1 吃水深度設置

吃水深度指換能器放入水中的深度，一般控制在0.5m左右，目的是防止由于探頭在水中運動而產生氣泡使測量出現假水深數據。如果船速過快，還需適當加大吃水。考慮到本項目河道較淺，采用吃水較淺的小型平底橡皮艇(船長3m左右，掛機馬力2.5匹)進行作業，探頭吃水選定為0.4m。

4.3.2 聲速改正

本項目作業時間為3月底，筆者測定水溫為10℃左右，根據參考數據選定聲速值為1450m/s［6］，并采用帶有毫米刻畫的5m鋁合金寬面塔尺進行了比測校對，精度優于±2cm，滿足測量要求。

4.3.3 測量周期

測量周期是指測深儀在每秒鐘內的測量次數，也就是通常說的水深數據更新率。一般GPS定位為每秒一次。

而本項目選用測深儀的測量周期最大可達20次/s，并根據量程檔位的選擇而同步變動，可保證和滿足本次水深測量的要求。為保證測驗精度，本次選用等距離采樣模式，距離設定值為0.5m/s，船速也控制在0.5m/s。

4.3.4 測深儀參數設置

測深儀參數設置在一般水域做水深測量時，所有參數均由測深儀內部軟件自動配置參數來進行水深測量。但若是在疏浚測量時，效果就不甚理想。本項目受水深較淺和浮泥層影響，在測量過程中采用手動方式，使記錄效果達到最佳狀態，對提高測量數據的準確性起到了一定作用。

5 成果精度分析

5.1 浮泥層測量精度分析

浮泥層測量精度主要采用布設檢查線的方式進行檢查。具體做法為:垂直于河道橫斷面線，布設兩條檢查線，交叉點處的測深儀數據進行對比，驗證本次測量結果的精度情況。本試驗河段布設橫斷面38個，河道平均寬度20m，斷面點間隔1m/個，計725點次;共施測檢查點76個，抽檢比例大于10%。其驗證結果見圖1。

圖1 浮泥層測量精度統計

通過圖1可以看出，兩條檢查線同河道斷面線交叉點處較差絕對值均小于20cm，中誤差分別為5.4cm和5.7cm，精度滿足《水電水利工程施工測量規范》要求。

5.2 淤泥層測量精度分析

淤泥層測量精度主要采用GPS直接測定河底高程的方式進行檢查。具體做法為:在河道橫斷面線上隨機抽取一定數量的斷面點，采用RTK技術直接測定其河底高程，然后同塔尺測深方式求得的河底高程進行對比，驗證本次測量結果的精度情況。本試驗河段每個河道水下斷面抽檢4個點，共抽取檢查點154個，抽檢比例大于20%。其驗證結果見圖2。

圖2 淤泥層測量精度統計

通過圖2可知，抽檢檢查點較差均小于±10cm，中誤差為±3.9cm，精度滿足《水電水利工程施工測量規范》小于±0.1m的測量要求。

6 結語

6.1 優點

經過試驗證明，采用GPS網絡RTK技術配合測深儀和塔尺測量，達到對內河航道浮泥層厚度和河底高程進行有效測驗的方法可行，且具有可操作性，并對同類型河道測量項目具有借鑒和指導意義;RTK數據和回聲測深儀數據的同步采集和自動化記錄及批量后處理技術，提高了作業效率和成果精度;浮泥層厚度的準確測定，將為建設管理單位核算河道疏浚工程量提供可靠技術數據，同時對航道適航水深的界定也有一定參考價值。

6.2 缺點

測深儀和塔尺測量未達到同步進行，具有一定套合誤差;浮泥層厚度測量工作時間段大都處于河道低水位，而該河道每天存在水位漲落情況，故未考慮水流沖刷情況和水位漲落帶給其的影響;河道兩岸淺水區域(測深儀無法測量)浮泥層厚度的推算方法簡單粗放，其他河道采用該方法時應進一步進行驗證。■

1 王閏成，于桂菊.黃驊港內航道浮泥層淺析［J］.海洋測繪，2003，23(4):22-23.

2 朱超.GPS網絡差分定位關鍵技術與系統設計方案研究［D］.南京:東南大學，2009.

3 鄒俊平，季善標，余美義.上海市VRS系統框架穩定性分析［J］.城市勘測，2010，8(4):80-82.

4 鄧斌，季善標，等.上海市大地水準面精化及其應用［C］∥數字測繪與GIS技術應用研討交流會論文集，2008.

5 奚民偉.浮泥層測量及其應用［J］.海洋測繪，2001，(3):55-57.