不同探測方法在水庫淤積測量中的應用探討

李斌 郝曉偉 柯勰 章繼元 吳靜 陸小蕾

【摘要】為了探討不同探測方法在水庫淤積測量中的實際效果，分別采用了三種不同設備進行水下地形測量，通過不同設備測量數(shù)據(jù)對比，分析三種設備在水庫淤積測量中的適用性和效果。

【關鍵詞】水庫；淤積；水下地形；庫容曲線。

1、緒言

水庫庫容和淤積量是水庫調(diào)度的重要參數(shù)，其準確與否直接影響到水庫的防洪安全與蓄水興利。大多數(shù)水庫經(jīng)過多年蓄水運用后，入庫泥沙大部分甚至全部淤積在庫內(nèi)，建庫時繪制的庫容曲線在一定時間后會發(fā)生明顯的變化，久而久之會對水庫產(chǎn)生諸多影響，主要表現(xiàn)為：（1）水庫防洪能力下降、發(fā)電和灌溉等綜合效益降低，甚至導致水庫不能正常運行；（2）淤積向上游擴展，造成上游地區(qū)淹沒，帶來生態(tài)環(huán)境問題；（3）壩前淤積會影響大壩等建筑物的安全運行；（4）水庫下泄清水對下游河道沖刷的影響；（5）泥沙上附著的污染物對水庫水質(zhì)的影響等。

水庫淤積測量的目的，是通對水下地形測繪，計算出各特征水位對應的庫容與水庫建成時各特征水位對應得庫容進行比較，進而分析出各特征水位對應泥沙淤積的量，為水庫清淤擴容提供數(shù)據(jù)支撐，減少淤積對水庫安全運行的影響。

2、國內(nèi)外應用發(fā)展情況

國內(nèi)外學者對對水庫淤積的研究主要集中在泥沙豐富的流域以及庫區(qū)植被較差地區(qū)的水庫，如我國黃河流域小浪底工程，在水庫入庫口和重要支流進行含沙量監(jiān)控，預測入庫水流中的含沙量，同時在水庫大壩底部開設底孔，每年定期進行調(diào)水調(diào)沙；另外，馮家山水庫建立的水庫泥沙跟蹤測報系統(tǒng)，是一種無人值守的實時水文數(shù)據(jù)測報系統(tǒng)，它的建成實現(xiàn)了對入庫泥沙運行、推移全過程的跟蹤監(jiān)測，這種方式投資較大，比較適用于含沙量大的大型水庫，而對于中小型水庫和含沙量較少的河流則不具有性價比。

水庫淤積測量的主要基礎工作就是水下地形測量，就是利用測量儀器確定水底點的三維坐標。水下地形測量的方法相對較多，常見測繪水下地形圖的方法有：經(jīng)緯儀測記法、 SAR法、基于GPS及GIS+測深儀法等，此類方法工作量較大，效率較低；近年來國內(nèi)外對水庫水下地形的測量，主要集中在采用多波束等先進海洋測量設備進行全區(qū)域掃描，獲得出水下地形圖，但是多波束設備投資較大，且多為進口產(chǎn)品，設備使用維修成本以及對專業(yè)技術人員等方面要求較高。

對于水庫建設年代比較久遠的水庫，尤其是庫容較小的水庫，基礎資料比較缺乏，很難通過兩次測量庫容曲線的方法獲得淤積量，目前可以對淤積量進行直接的測量方法，主要采用淺地層剖面儀進行庫區(qū)掃描，得出庫區(qū)水下地質(zhì)結構斷面，從而判斷庫區(qū)淤積程度。

3、設備原理

3.1淺地層剖面儀

淺地層剖面儀（Sub-bottom ProfilerSystem）又稱淺地層地震剖面儀，利用聲波在介質(zhì)中傳播時遇到不同聲學特性的分界面時會發(fā)生反向散射，接收反向散射聲波并按回波的時間先后、并用灰度等級或色彩來表征回波的強度在平面上繪制出剖面圖，這種平面圖可以直觀的看到水底以下地質(zhì)構造情況。該儀器在地層分辨率和地層穿透深度方面有較高的性能，并可以任意選擇掃頻信號組合，現(xiàn)場實時地設計調(diào)整工作參量，可以在航道勘測中測量河（海）底的浮泥厚度，也可以測量在海上油田鉆井中的基巖深度和厚度。在水文地質(zhì)調(diào)查，地球物理勘探和海洋工程，海洋觀測，航道港灣工程，庫底管線鋪設等方面應用比較廣泛，近些年逐步利用在內(nèi)河、水庫的水下地形和淤積測量中。

利用淺地層剖面儀的工作特性，可以探測出水庫水下地形和地質(zhì)分層情況，獲取水庫淤積厚度，在缺乏原有庫容曲線數(shù)據(jù)的情況下可以直接水庫淤積量。

3.2三維聲納系統(tǒng)

三維實時聲學成像聲納系統(tǒng)EchoScope（以下簡稱ES），ES主要由聲納頭、電腦終端（PC）、電源等組成。該系統(tǒng)依靠聲納設備發(fā)出的聲波，以及該聲波觸碰到目標物后反射的回波進行定位和成像，能夠實時、準確地生成水下結構三維圖像，實現(xiàn)對水下結構等目標物的實時探測，測距范圍1～150m。

3.3雙頻測深儀

雙頻測深儀的工作原理與淺地層剖面儀類似，有2個工作頻率，例如200 kHz（高頻）和20 kHz（低頻），其中低頻聲波的穿透能力要好于高頻聲波，但穿透能力也是非常有限的。由于低頻聲信號比高頻聲信號更容易穿透柔軟的水底沉積物，即在有水底沉積物的地方，同一位置所獲得的低頻回聲測深值（h1）和高頻回聲測深值（h2）是不一樣的，可用低頻回聲測深值和高頻回聲測深值的差值 dh= h1- h2，來測量水底沉積物的厚度，雙頻回聲測深儀常用高頻通道探測較淺的界面，用低頻通道探測較深的界面，但由于低頻穿透能力有限，一般只用于測量水下地形，且效果較好。

4、工程實例

4.1水庫概況

某小（二）型水庫以灌溉為主，壩址位于某河道小支流上，庫區(qū)范圍為中低山區(qū)，植被較好，水庫壩址以上主流全長約1.13Km，主峰高程約400m（黃海高程系），水庫于1963年修建完工，灌溉面積675畝，防洪保護人口1500余人，保護耕地面積約1200畝。

水庫壩址以上集雨面積F=0.58Km2，主流全長約1.13Km，主流平均坡降J=0.164；水庫總庫容為15萬m3，正常庫容12萬m3。

4.2測量方法

（1）設備安裝連接：根據(jù)設備探測要求，做好設備連接。

（2）設備布放：根據(jù)現(xiàn)場情況采用船載布放方式，整體架設在船舷一側，并沒入水中1.0m左右。

（3）測量過程：根據(jù)現(xiàn)場情況，確定15米為間隔，采用往返式進行現(xiàn)場探測，獲取探測數(shù)據(jù)。

4.3探測成果

通過對比探測成果，發(fā)現(xiàn)淺地層剖面儀測量數(shù)據(jù)與雙頻測深儀吻合度較高（圖1），而三維聲納與雙頻測深儀測量數(shù)據(jù)偏差較大（圖2）。說明淺地層剖面儀測量數(shù)據(jù)與雙頻測深儀可靠度較高，可以作為淤積測量的計算數(shù)據(jù)，三維聲納數(shù)據(jù)可以利用其三維成像的特點，比較直觀的反映水下地形變化情況。

5、結語

（1）三種設備各有特點，淺地層剖面儀可以同時獲得水下地形和地質(zhì)分層，可以獲得淤積厚度；雙頻測深儀由于穿透能力有限，可以用于水下地形測量，但不能進行淤積厚度測量；三維聲納可以反映水下地形變化趨勢，但對水深較淺區(qū)域測量誤差較大。

（2）從數(shù)據(jù)分析情況看，淺地層剖面儀比較適合進行淤積測量，三者中效果最好；三維聲納與雙頻測深儀數(shù)據(jù)偏差較大的原因，可能與水深、設備參數(shù)設置等因素有關，還有待進一步分析和探討。

（3）水庫淤積測量比較復雜，單靠設備探測很難準確獲得淤積數(shù)據(jù)，最好結合鉆探等傳統(tǒng)方法進行數(shù)據(jù)對比分析會更加可靠。

參考文獻：

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