郭海峰

(無錫河湖科技咨詢有限公司,江蘇 無錫 214031)

1 太湖清淤的主要目的和淤泥分類的定義

1.1 太湖清淤的主要目的

太湖是我國五大淡水湖泊之一,水域面積為2 338 km2,它是一座天然的流域性調(diào)蓄水庫,是無錫和蘇州及其他周邊地區(qū)的生活和工業(yè)水源地,對(duì)江浙地區(qū)的人民生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的作用極為重大。

2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)影響了無錫城市飲用水水質(zhì),之后無錫市委、市政府頒布了“6699”行動(dòng)的決定,并將其作為治理太湖的行動(dòng)綱要。

太湖清淤作為治理太湖行動(dòng)的一項(xiàng)重要措施。清楚了解太湖底泥的分布及密度,是太湖清淤有效進(jìn)行的關(guān)鍵。湖泊底泥是陸源性入湖污染物 (營養(yǎng)物、重金屬、有機(jī)毒物等)的主要蓄積場(chǎng)所。在不同的環(huán)境影響(溫度、風(fēng)浪和溶氧等)條件下,底泥既可以凈化湖泊水體,也可以因富含污染物而成為潛在的內(nèi)源性污染源污染水體,增加上層水體營養(yǎng)負(fù)荷。由于近年來工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,造成了太湖底泥表層富含污染物。因此,太湖清淤的主要目的是清除太湖底泥表層的有害污泥。這就需要弄清太湖底泥的分布情況,這里以密度劃分淤泥。

1.2 淤泥分類的定義

通常意義上的淤泥,根據(jù)《港口工程地質(zhì)勘察規(guī)范》里的表述,準(zhǔn)確名稱應(yīng)為淤泥性土,它是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積,天然含水率大于液限、天然孔隙比大于1.0的黏性土,可細(xì)分為淤泥質(zhì)土、淤泥、流泥和浮泥,具體分類見表1。

表1 淤泥分類表

含水率、密度和孔隙比是反映淤泥再懸浮潛力的重要參數(shù)。淤泥的含水率越高,密度越小,在風(fēng)浪擾動(dòng)下再懸浮也就越容易。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中的分析太湖表層的4～15 cm沉積物的含水率隨深度的增大而快速的下降,而密度也由1.23 g/cm3迅速地增加到1.53 g/cm3以上。因此有理由認(rèn)為這一層位可以稱為太湖淤泥含水率的 “躍變層”,在“躍變層”下面沉積物的含水率和密度變化都不大。由于淤泥的躍變層在淺水湖泊的沉積物—上覆水交換過程中以及營養(yǎng)鹽循環(huán)過程中具有重要意義,因此采用1.23 g/cm3和1.53 g/cm3對(duì)太湖淤泥進(jìn)行劃分是必要的和科學(xué)的。此次研究將以表2中的密度范圍對(duì)太湖淤泥分類。

表2 太湖淤泥分類表

1.3 本文涉及的主要內(nèi)容

(1)SILAS與傳統(tǒng)方法的比較。本文將同時(shí)介紹幾種淤泥測(cè)量的方法,并與SILAS技術(shù)進(jìn)行比較,總結(jié)出它們各自的特點(diǎn)。

(2)SILAS系統(tǒng)在太湖底泥測(cè)量中的應(yīng)用。本文將重點(diǎn)介紹SILAS系統(tǒng)的原理、測(cè)量方法、及在太湖底泥測(cè)量中的應(yīng)用。

2 常見的淤泥測(cè)量方法

當(dāng)前淤泥測(cè)定方法較多,有水底地層剖面儀、鉆孔采樣法、靜力觸探法 (有時(shí)可簡(jiǎn)化成人工壓力測(cè)桿法)、聲納探測(cè)法、放射線探測(cè)法、SILAS系統(tǒng)測(cè)量等。

2.1 水底地層剖面儀

水底地層剖面儀利用聲波的反射效應(yīng),獲取水底地層剖面信息,但是該儀器不能自動(dòng)、要靠作業(yè)員經(jīng)驗(yàn)來判斷各地層的分劃,而且作業(yè)效率很低,運(yùn)行成本高,僅適用于小區(qū)域(如港口工程)的地層探測(cè)。

2.2 鉆孔取樣法

勘探鉆孔取樣使用鉆機(jī)采集柱狀淤泥樣本,用環(huán)刀法測(cè)定柱狀樣中各分層淤泥的天然密度。鉆孔取樣雖是“眼見為實(shí)”,但對(duì)淤泥的擾動(dòng)不能避免,即原狀樣不易采到。另外對(duì)太湖這樣廣漠的水域,按200 m×150 m密度用鉆探法測(cè)定各個(gè)測(cè)點(diǎn)的淤泥分布,其工作量非常大。這樣耗時(shí)費(fèi)力,不適用于太湖的大規(guī)模淤泥測(cè)量。

2.3 靜力觸探法

靜力觸探法一般采用專用測(cè)桿進(jìn)行,其原理是測(cè)定淤泥的承載力,即通過測(cè)定淤泥層對(duì)測(cè)桿的比貫入阻力來確定淤泥厚度。如果淤泥承載力與該層淤泥密度之間的關(guān)系是確定的,那么在水深較淺、淤泥較薄的地方,特別是水草生長茂密的區(qū)域,用專用測(cè)深桿測(cè)定淤泥的厚度是可靠的。但是,隨著水深和淤泥厚度值的增大,測(cè)桿的傾斜、附著力等對(duì)測(cè)定精度的影響也隨之增大。

2.4 聲納探測(cè)法

聲納探測(cè)法,即用雙頻超聲波測(cè)量淤泥深度,近年來得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的雙頻超聲波測(cè)量,以高頻測(cè)量泥水界面,再通過低頻測(cè)量淤泥底層距水面距離,從而得到淤泥厚度。這種方法較之其他方法高效快速,但淤泥的絕對(duì)密度值無法測(cè)定。

2.5 放射線探測(cè)法

放射線探測(cè)是根據(jù)核射線 (如γ射線)的放射衰減比率來測(cè)定淤泥的密度。國外比較典型的有Navitracker密度測(cè)量系統(tǒng)(放射源為銫137 Cs)和VDP泥沙濃度儀(放射源為鋇133 Ba),國內(nèi)以南京水利科學(xué)研究院的NKY-94型γ射線測(cè)沙儀 (放射源為镅241 Am)。放射線探測(cè)法測(cè)定密度的精度較高,但工作效率低,對(duì)人員和被測(cè)區(qū)域環(huán)境有潛在的放射性危害,安全性較差。

2.6 SILAS系統(tǒng)

SILAS系統(tǒng)是一個(gè)聲學(xué)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng),主要應(yīng)用于水底淤泥及沉積層厚度探測(cè)及物性分析。它利用雙頻測(cè)深儀獲取水底淤泥層的聲學(xué)反射信息 (反射信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)增益、時(shí)變?cè)鲆娴?,利用密度計(jì)獲得代表點(diǎn) (標(biāo)定點(diǎn))斷面的密度柱狀圖,通過SILAS專用軟件自動(dòng)推定剖面上各點(diǎn)的密度值,根據(jù)標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)值結(jié)合聲學(xué)反射信息來推斷、劃分剖面上其它點(diǎn)的密度。當(dāng)確定的密度值被輸入后,此密度層面即可連續(xù)劃分出來。

另外,由于根據(jù)測(cè)量點(diǎn)位及測(cè)區(qū)情況布設(shè)航線,每條航線上由SILAS系統(tǒng)走航,連續(xù)測(cè)定各點(diǎn),因此水下地形起伏較大處不會(huì)遺漏,并能測(cè)定地籠、湖底水草的位置及范圍,在數(shù)據(jù)處理時(shí)通過SILAS系統(tǒng)水底跟蹤功能,可排除水生植物、地籠對(duì)施測(cè)成果的影響。

2.7 幾種淤泥測(cè)量方法能力比較

經(jīng)過總結(jié)歸納,幾種淤泥測(cè)量方法能力比較見表3,幾種淤泥測(cè)量方法綜合比較見表4。

表3 幾種淤泥測(cè)量方法能力比較表

表4 幾種淤泥測(cè)量方法綜合比較表

3 SILAS系統(tǒng)

3.1 SILAS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

SILAS系統(tǒng)由荷蘭STEMA公司開發(fā),該系統(tǒng)利用聲學(xué)反射測(cè)量方法來獲得淤泥層的連續(xù)密度剖面,很好地解決適航水深問題。實(shí)踐表明SILAS系統(tǒng)在太湖底泥測(cè)量中也能發(fā)揮很好的作用。

SILAS系統(tǒng)是一個(gè)聲學(xué)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng),主要應(yīng)用于水底淤泥及沉積層厚度探測(cè)及物性分析。它利用雙頻測(cè)深儀獲取水底淤泥層的聲學(xué)反射信息(反射信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)增益、時(shí)變?cè)鲆娴?,利用密度計(jì)獲得代表點(diǎn)(標(biāo)定點(diǎn))斷面的密度柱狀圖,通過SILAS專用軟件自動(dòng)推定剖面上各點(diǎn)的密度值,根據(jù)標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)值結(jié)合聲學(xué)反射信息來推斷、劃分剖面上其他點(diǎn)的密度。當(dāng)確定的密度值被輸入后,此密度層面即可連續(xù)劃分出來。

3.2 SILAS系統(tǒng)原理

SILAS系統(tǒng)利用普通回聲測(cè)深儀向水底發(fā)射低頻聲波信號(hào),聲波到達(dá)水底后,部分聲波被反射而另一部分聲波將穿透水底。反射回波的信號(hào)強(qiáng)度取決于水底沉積層的密度變化。這種密度變化被定義為“密度梯度”。反射信號(hào)的幅度大小是由反射層的密度梯度確定的。密度梯度越大,反射信號(hào)越強(qiáng)。由于聲波的反射和密度梯度之間的關(guān)系是已知的,即每一次反射都是因?yàn)槊芏鹊奶荻茸兓鸬?這樣就可以對(duì)密度的梯度進(jìn)行定量化處理。當(dāng)然,其前提條件是密度的梯度變化必須達(dá)到一定的數(shù)值,否則是不會(huì)有反射的。

SILAS系統(tǒng)利用標(biāo)定過的聲源信號(hào)來記錄反射信號(hào)的強(qiáng)度,經(jīng)處理形成瀑布圖及剖面上各層的信號(hào)反射強(qiáng)度值,高精度地測(cè)定密度的梯度值。根據(jù)信號(hào)的增益(放大倍數(shù))及時(shí)變?cè)鲆?TVG),獲得正確的密度梯度,再根據(jù)密度梯度的增減變化來確定每個(gè)特定深度上的相對(duì)密度值。然后通過單點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量來獲得絕對(duì)密度,即利用系統(tǒng)中的Densitune音叉振動(dòng)密度計(jì)通過測(cè)量單點(diǎn)密度,建立起絕對(duì)密度和反射強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,提取航線上任意密度值曲線,從而確定整條剖面不同深度上的密度值,繼而可確定底泥厚度。圖1展示了水底聲學(xué)剖面、反射信號(hào)回波以及密度柱狀圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2為在太湖測(cè)量時(shí)SILAS系統(tǒng)劃分某一條航線的密度層面。

圖1 水底聲學(xué)剖面、反射信號(hào)回波以及密度柱狀圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

圖2 SILAS系統(tǒng)劃分密度層面圖

3.3 系統(tǒng)構(gòu)成

SILAS系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成。

(1)硬件組成。系統(tǒng)的硬件(見圖3),主要由高精度雙頻測(cè)深儀 (ODOM MARKIII),雙頻換能器 (200 kHz和24 kHz)Densitune音叉振動(dòng)密度計(jì),帶A/D轉(zhuǎn)換卡的便攜式測(cè)量計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)組成。

(2)軟件組成。SILAS系統(tǒng)軟件主要由SILAS軟件(數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等模塊),密度計(jì)數(shù)據(jù)采集、標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)編輯軟件包和導(dǎo)航軟件(Hypack,或用戶自編軟件)組成。

圖3 SILAS走航式適航水深測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 SILAS系統(tǒng)在太湖淤泥測(cè)量中的實(shí)施

4.1 GPS-RTK無驗(yàn)潮測(cè)深法

太湖淤泥測(cè)量的研究不僅要研究淤泥的密度劃分問題,淤泥測(cè)量點(diǎn)的空間信息采集問題也是重點(diǎn)的研究對(duì)象?？臻g信息采集中,最為關(guān)鍵的是淤泥測(cè)量點(diǎn)的高程信息采集,水上高程信息的采集方法主要有傳統(tǒng)的驗(yàn)潮法和利用GPS-RTK技術(shù)的無驗(yàn)潮測(cè)深方法。因?yàn)樘蛎娣e廣闊,驗(yàn)潮站需要設(shè)立很多,人力物力資源占用較多,實(shí)施起來也比較麻煩。而在很多時(shí)候,驗(yàn)潮站的驗(yàn)潮數(shù)據(jù)往往不能代表測(cè)量區(qū)域的潮位。GPS-RTK無驗(yàn)潮測(cè)深方法則消除了這些缺點(diǎn),它不需要傳統(tǒng)的驗(yàn)潮資料,實(shí)施起來簡(jiǎn)單方便,且測(cè)量精度優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)量模式。GPS-RTK(Real Time Kinematic)可以精確地測(cè)定兩點(diǎn)之間的相對(duì)高差,小區(qū)域范圍內(nèi) (一般不超過30 km)通過該高差便可反算出流動(dòng)站GPS天線相位中心的高程,該高程同基準(zhǔn)站具有相同的高程基準(zhǔn)面。無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量是利用高精度實(shí)時(shí)相位差分GPS測(cè)出天線相位中心的大地高Hphase,在此同一瞬間由SILAS系統(tǒng)測(cè)出淤泥點(diǎn)的深度h,則淤泥點(diǎn)的高程Hsilt為:

式中:ξ為高程異常;L為GPS天線相位中心至換能器底部的高度;h為淤泥深度;Δ h為因風(fēng)浪引起的綜合改正數(shù),其數(shù)值受大地水準(zhǔn)面、風(fēng)浪及船的姿態(tài)等各方面影響。

4.2 工作流程

(1)根據(jù)工作內(nèi)容和工作區(qū)域編制技術(shù)設(shè)計(jì)書,指導(dǎo)外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)處理工作。

(2)布設(shè)和建立覆蓋測(cè)量區(qū)域的基本控制網(wǎng),包括平面控制和高程控制,通過GPS觀測(cè)和水準(zhǔn)測(cè)量得到高精度(mm級(jí))的平面坐標(biāo)和高程,用來作為進(jìn)行水下地形與淤泥測(cè)量GPS-RTK作業(yè)時(shí)的基準(zhǔn)點(diǎn)及輸入數(shù)據(jù)。

(3)應(yīng)用水下地形與淤泥測(cè)量SILAS技術(shù)進(jìn)行水下地形與淤泥測(cè)量點(diǎn)空間信息的同步外業(yè)采集:基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置GPS接收機(jī),基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)船流動(dòng)站同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào),基準(zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星信號(hào)通過專用電臺(tái)發(fā)送給測(cè)船流動(dòng)站,流動(dòng)站將接收到的衛(wèi)星信號(hào)及基準(zhǔn)站發(fā)送來的信號(hào)傳輸至測(cè)船流動(dòng)站接收機(jī)控制單元,通過專用軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)差分及平差處理,實(shí)時(shí)得出測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。獲得的平面和高程坐標(biāo)與SILAS系統(tǒng)的高頻水底深度數(shù)據(jù)/低頻淤泥深度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)疊加而獲得cm級(jí)精度的水下地形與淤泥測(cè)量點(diǎn)空間信息。

(4)外業(yè)采集結(jié)束后,采用專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理,輸出淤泥測(cè)量的各種成果,分析成果數(shù)據(jù),形成研究報(bào)告。

上述工作流程見圖4。

圖4 工作流程圖

4.3 淤泥測(cè)量的具體過程

(1)以湖邊 (或島嶼上)四等GPS點(diǎn)為參考站,利用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分(RTK)無驗(yàn)潮技術(shù)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的平面高程定位(見圖5)。載有SILAS系統(tǒng)的作業(yè)船為流動(dòng)站,沿著設(shè)計(jì)航線行進(jìn)。

圖5 利用Hypack軟件進(jìn)行測(cè)點(diǎn)平面和高程定位圖

(2)在行進(jìn)中啟動(dòng)GPS-RTK系統(tǒng)和SILAS系統(tǒng),連續(xù)獲取測(cè)量點(diǎn)的平面位置和高程并記錄航線上水下地層的柱面信息(連續(xù)測(cè)量圖見圖6)。由系統(tǒng)通過換能器向湖底發(fā)射高(200 kHz)低(24 kHz)2個(gè)頻率的聲波,再由換能器接收反射聲波傳入系統(tǒng),進(jìn)行分析處理,生成瀑布圖(見圖7)。

圖6 連續(xù)測(cè)量圖

圖7 聲學(xué)瀑布圖

(3)根據(jù)瀑布圖和實(shí)際走航情況每條航線選取幾個(gè)代表點(diǎn),應(yīng)用Densitune音叉振動(dòng)密度計(jì)獲取密度值,作為該航線或該區(qū)域的標(biāo)定點(diǎn)。對(duì)于密度計(jì)不能達(dá)到的密度深度(約1.5 g/cm3以上)則采用鉆孔資料補(bǔ)充標(biāo)定。選取區(qū)SILAS行密度計(jì)算見圖8。

圖8 選取區(qū)SILAS行密度計(jì)算圖

(4)按照SILAS的程序要求對(duì)密度計(jì)本身密度測(cè)定的準(zhǔn)確度進(jìn)行標(biāo)定。

(5)利用密度計(jì)獲得代表SILAS)斷面的密度柱狀圖,通過SILAS專用軟件自動(dòng)推定剖面上各點(diǎn)的密度值,根據(jù)標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)值結(jié)合聲學(xué)反射信息來推斷、劃分航線上剖面上其它點(diǎn)的密度。根據(jù)2.1節(jié)對(duì)淤泥的劃分情況,共劃分出1.08(水底),1.2,1.5,1.8 g/cm34個(gè)密度層面。

(6)結(jié)合平面和高程定位信息,按照上述密度層面分別繪制淤泥厚度圖,同時(shí)計(jì)算淤積量。

(7)水草茂密地區(qū)的淤泥測(cè)量方法:水草分布茂密的區(qū)域主要在貢湖。凡密度計(jì)能施測(cè)的地方,用密度計(jì)和鉆孔資料對(duì)密度值進(jìn)行聯(lián)合率定,密度計(jì)無法施測(cè)的地方,用鉆孔資料進(jìn)行密度值率定,密度計(jì)無法施測(cè),也無鉆孔資料的個(gè)別區(qū)域,則用測(cè)桿法測(cè)量淤泥的厚度。

(8)外業(yè)采集結(jié)束后,采用專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理,輸出淤泥測(cè)量的各種成果,分析成果數(shù)據(jù),形成SILAS測(cè)量最終成果。

4.4 精度評(píng)價(jià)

(1)SILAS系統(tǒng)的測(cè)量性能較穩(wěn)定,成果具有復(fù)現(xiàn)性,即當(dāng)某一地區(qū)淤泥組成經(jīng)SILAS多次測(cè)定的結(jié)果是一致的。

(2)SILAS系統(tǒng)測(cè)量淤泥厚度與常規(guī)鉆孔測(cè)量的淤泥厚度基本一致。

(3)淤泥調(diào)SILAS度取決于密度劃分的精度,SILAS密度劃分誤差的主要來源是測(cè)深儀的測(cè)深誤差、密度計(jì)的密度測(cè)定誤差、SILAS身標(biāo)定誤差。實(shí)踐證明,SILAS系統(tǒng)劃分某 一密度層是穩(wěn)定可靠的,如采用鉆孔采樣重復(fù)測(cè)定,則SILAS相對(duì)于鉆孔采樣值的密度劃分誤差在同深SILAS的1/10。

(4)SILAS系統(tǒng)采樣穩(wěn)定,在走航時(shí)對(duì)淤泥無擾動(dòng),密度測(cè)量準(zhǔn)確高效,同密度層劃分可靠,是一種較好的走航式水底連續(xù)密度劃分系統(tǒng)。

(5)盡管鉆孔采樣受采樣方法局限,不能準(zhǔn)確劃分某一密度層,但因其采樣深度較深,可以采集到密度大于1 800 g/L的樣本。因此,在要求進(jìn)行高密度(一般大于1 500 g/L)測(cè)量時(shí),鉆孔采樣可作SILAS系統(tǒng)的補(bǔ)充,作為SILAS密度劃分的輸入資料。

5 結(jié) 語

經(jīng)過以上分析,得出了如下結(jié)論:

在進(jìn)行淤泥測(cè)量時(shí),應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)的特點(diǎn)和具體要求進(jìn)行測(cè)量方法上的選擇。例如,對(duì)于小面積且精度要求不高的測(cè)量,可采用靜力觸探法;對(duì)于港口、航道等精度要求高,面積不大的區(qū)域,可以采用單點(diǎn)音叉振動(dòng)密度計(jì)或放射線密度儀;對(duì)于面積大、精度要求高的測(cè)量,可以采用SILAS方法。同時(shí)可以根據(jù)測(cè)區(qū)的不同狀況,制定不同區(qū)域的測(cè)量方法,并且可以使用各種測(cè)量方法協(xié)同作業(yè)。

根據(jù)上述分析,對(duì)于太湖這樣大面積的SILAS的淤泥測(cè)量精度較高,應(yīng)用SILAS系統(tǒng)進(jìn)行太湖淤泥測(cè)量的密度劃分是非常適合的。同時(shí)應(yīng)結(jié)合鉆孔取樣法,靜力觸探和單點(diǎn)密度計(jì)測(cè)量等方法作為補(bǔ)充,完成特殊區(qū)域的淤泥測(cè)量。