水下機器人與雙頻淺地層剖面儀結合在水利清淤工作中的應用

霍文龍

華北水利水電大學

水下機器人與雙頻淺地層剖面儀結合在水利清淤工作中的應用

霍文龍

華北水利水電大學

淤泥淤積是影響水庫庫容的重要原因之一，大量泥沙沉積在庫底，降低了水庫防洪蓄 水能力和興利功能。本文將水下機器人(ROV)與雙頻淺地層剖面儀結合，采用淤泥密度探測法，對尖崗水庫部分水域的淤泥厚度進行了實際應用，并對該測量系統的原理、測量水深范圍、操作及圖像判讀方法進行詳細闡述，其工作效率高、經濟、測量結果準確度高的特點，為水庫淤泥探測提供另一種參考方法。

雙頻淺地層剖面儀；水下機器人；表層淤泥探測；淤泥土方量

1 研究背景

水庫淤泥淤積主要是暴雨攜帶山體泥沙流入河水中，河水挾帶的泥沙在水庫回水末端至攔河建筑物之間庫區的堆積，經年累月，導致庫底高程逐漸增高，死庫容增大，興利庫容減少，嚴重削弱了水庫防洪、發電、供水等功能[1]。人工測量為點式作業，工作效率極低，成本高，當需要大面積調查時，人工測量工作量非常大。淺地層剖面儀根據回聲探測原理構成的一種連續走航式進行水下淺地層探測的儀器。常規的淤泥測量方法船載測量法，測量船行駛路線即為淺層剖面儀所測量的斷面，當測量船遇到狹窄復雜且水深很深的工況，不能對其測量致使測量結果存在較大誤差。水下機器人與淺地層剖面儀結合，可克服上述的局限，作為一種新技術、新方法，在我國水利工程水下淤泥探測工作已得到初步應用，并在鄭州市尖崗水庫水下淤泥測試工作中得到應用。

2 淺地層剖面儀基本原理

淺地層剖面儀利用聲波在不同介質中傳播速度和反折射的特性不同，對水底地表以下一定深度的地層進行連續探測。從聲波的反射理論來看，換能器以等時間間隔垂直發出脈沖射到水底，如果兩介質的聲阻抗不一樣， 則一部分聲波會在介質交界面上發生反射， 聲波攜帶測量的信息返回至換能器，另部分聲波則繼續在地層發生折射和反射，傳播過程中能量減少。地層厚度的測量， 即聲波穿透地層傳播時間的反映， 設ΔT為上下兩地層時間差，C為該地層聲速，則地層厚度ω可表示為ω=1/2CΔT；聲波水底反射能量的大小反射由系數(R) 決定，表示為：，ρν和ρν分別

2211表示一、二層介質的密度和聲速，由反射系數R的表達式可以得出，當相鄰兩地層密度差和速度差較大時，即|R|趨近于1時，兩層相鄰界面會產生較強的聲強，反之，|R|趨近于0時，兩層的相鄰界面就會幾乎無聲強反射，通過剖面儀終端顯示器以不同顏色顯示剖面界面線，達到地層判別的效果。

3 雙頻淺地層剖面儀在淤泥厚度探測中的應用

本次測量使用的儀器為加拿大水下機器人廠商 Shark Marine 生產的第三代產品Stealth 3 ROV和英國Tritech公司生產的雙頻淺地層剖面儀(Dual-frequency Sub-Bottom Profiler)，該淺層剖面儀主頻率200kHz，低頻率20kHz，最大工作深度4000米。其特點是結構緊湊，可網絡化，功率低，節能。采用新型多單元復合傳感器，可使回聲探測器發射頻率為20KHz的低頻聲波穿透海床，通過這種低頻聲波求得所有單元中的最小值，將海床下隱藏的地層結構的差異顯示出來。

水下機器人與雙頻淺地層剖面儀的結合，將船載分開架設的設備GPS天線、測深儀探頭和淺地層剖面儀集為一體，控制臺通過臍帶纜控制搭載的設備將其測量數據通過臍帶纜返回云臺存儲，避免了船只尾流給拖魚帶來的影響以及船只行駛路線偏離產生的誤差。

4 數據采集

以尖崗水庫淺水域淤泥測量為例，采用斷面線法實施測圖。儀器測試無誤后，將GPS矢量地圖輸入控制臺作為測量地點的原始資料，設置ROV推進器動力參數和雙頻淺地層剖面儀測量參數，開啟自動調查模式獲取測量數據。

5 測量影像判讀記錄分析及淤泥量計算

淤泥測量利用聲波淤泥密度探測法進行探測。記錄圖像由高頻和低頻兩部分圖像構成，高頻發射器發射探測波的波長短，圖像界面細致，光滑，清楚，低發射器發射探測波的波長長，可繞過粒徑小于波長的粒子探測更深地層；測深標尺和聲波能量顯示譜，地層吸收聲波能量較多，能量顯示譜較寬，則地層的疏松程度高，浮泥含量較高；反之，地層吸收聲波能量較少，能量顯示譜較窄，浮泥含量較低；換能器接收自身所發出的ping值，每個返回ping都含有GPS及地層測量信息，提高數據記錄的準確性和工作效率。

不同的顏色表示泥質密度不同的地層，浮泥一般位于水底表面，聲反射極弱；透射強，其界面在記錄上色調極淡。在測量過程中， 遇到ROV受波浪影響產生搖晃， 要及時加注說明，計算時，取波浪狀的地層線的幅度的平均值。根據《疏浚工程施工技術規范》，按照密度變化變化范圍可分為浮泥、流泥、淤泥和淤泥質土4種淤泥層，浮泥層具有很強的流動性，且密度為1.0～1.2g/cm3，流泥是浮泥進一步固結形成的，密度1.2～1.5g/cm3，淤泥的孔隙水減少，在水流作用下不會直接懸揚，密度1.5～1.8g/cm3，淤泥質土指密度大于1.8g/cm3[2]。

結合鉆孔資料，處理淤泥測量數據。測量淤泥的厚度主要目是計算淤泥土方量，并且在劃分淤泥層面時，要注意與測量地區的實際情況相結合，不同的地區泥質不同，劃分標準也有所不同，將測量所得數據整理為規范性文件，以此為水利清淤工程施工提供參考依據[2]。

6 結語

雙頻淺層剖面儀和ROV組合對淤泥測量具有快速與高效探測功能，大大減少淤泥測量中的工作量，提高工作效率。本文僅討論水下機器人與雙頻淺地層剖面儀結合在水庫淤泥層探測中的應用，該設備適用于厚度和密度較大的淤泥探測，能夠更準確地找到淤泥底界高程位置及淤泥在水下的分布形式，對淤泥淤積嚴重地段的治理具有重大意義。

[1] 陳飛. 淺地層剖面儀在水庫清淤測量中的應用[J]. 科技創業家，2012，13：171.

[2]黃光. 淺地層剖面儀在水利清淤工程中應用[J]. 農業與技術，2015，09：58-60.

[4]余江，周興華，李京兵. 淺地層剖面儀在淤泥厚度探測中的應用[J].浙江水利科技，2009，06：52-54.