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水下地形与淤泥测量方法探讨
朱前维，朱龙喜，任小龙
（无锡市水文局，江苏 无锡214023）
摘 要：本文阐述水下地形与淤泥测量的过程及淤泥量的计算方法，通过各种淤泥测量方法的对比，阐明了各自的优缺点，针对不同的项目在测量方法的选择上提出了自己的建议。
关键词：淤泥测量；生态清淤；淤泥密度
1、引 言
由于自然和人类活动的影响，大量的泥沙等物质融入水体之中，泥沙夹杂有机物质淤积湖泊，造成湖泊水体富营养化，威胁饮水安全。
2007年6月初太湖蓝藻大爆发，我市出现水危机后，市政府推出了《治理太湖、保护水源6699行动》，水利部门积极响应，针对我市河流、湖泊的实际情况，加大了全市的清淤力度，包括贡湖、梅梁湖、梁溪河、直湖港等水域相继进行环保疏浚工作，这给水下地形与淤泥测量和计算工作提出了新的要求，认真研究和探讨水下淤泥测量和计算有利于为环保疏浚工作提供更准确的第一手资料。
2、水下地形与淤泥测量技术原理
水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。定位的作用是不言而喻的 ,目前水上定位基本采用RTK（Real Time Kinematic）、RTD、CORS等技术。一套GPS、测深仪器、手提电脑和应用软件就组成了一套完整的水下测量设备。水下测量不仅局限在水下地形测量还包括淤泥测量，而淤泥深度的测量正是水下测量的一个难题。现在淤泥深度的测量方法很多，但各有其优缺点，所以在不同的情况下必须选择不同的测量方法。常用的淤泥深度测量方法有钻孔取样法、静力触探／测杆法、声纳探测法、放射线探测法、声波淤泥密度探测法等。
2．1 水下地形测量
对于疏浚工程而言，水下地形测量就是测量淤泥表面高程，淤泥上表面高程测量与普通水下地形测量相同。以RTK定位模式为例，水下地形测量包括以下几个部分：
2.1.1 水下地形测量的软硬件配置为：RTK测量基准站、GPS流动站、测量船、测深设备、海洋测量软件、计算机、电源等，如图1所示。

（图 1）

2.1.2 测区控制点成果收集、分析，收集分析测区控制点成果，包括平面、高程系统、等级、控制点的精度储备等。
2.1.3 求解测区坐标值的转换关系
用测区内已知控制点的WGS84坐标与测区的测量坐标系解算出两个坐标系统转换关系。转换关系的正确性将直接影响定位精度，因此，已知点最好布设在测区四周和中心，这样能有效控制测区，如果已知点在测区一侧，应计算与满足精度控制的范围。WGS84坐标系与测区坐标系的转换一般采用三维转换，用布尔莎——沃尔夫模型求解七个转换参数，其中，三个平移参数，三个旋转参数，一个尺度因子。
2.1.4 测深设备的安装使用
用竖直波束回声仪进行水深测量是目前水深数据采集的主要手段，它安装在测量船底的发射换能器垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底后产生回波，回波被接收换能器所接收，发射声波与接收回波的时间为t，则换能器表面至水底的距离(水深)为：
H = 1／2·ct
回声测深仪一般安装在测量船的中部，因为船体中部在航行中吃水线的变化最小。测深仪换能器安置在水下50--60cm处，且比船底略高位置为宜，但要避免被测区内水下鱼网或杂物碰撞。测深仪的设置包括吃水深度的设置、测深量程的选择、声速设定，记录纸带速度设定（现在已基本不用）等。
2.1.5 水位站的布设
当水面为静态时，勿需布设水位站，用全站仪或光学水准仪测得水面高程即可；当水面为动态时，水位站选择也应尽量避免受潮汐风浪影响，交通应方便，便于观测。合理有效地布设水位站，对水下地形测量质量控制意义重大，它直接影响水深点的测量精度。水位站要有专人观测，观测的时间间隔可以根据水位变化情况而定，在有风浪的情况下观测，应取峰顶与峰谷的平均值。
2.1.6 水下地形测量
水下地形测量，应根据天气、风浪、潮汐等情况，合理安排时间，当风浪较大，气候恶劣，影响人身、仪器安全时，应停止测量。设置好仪器及坐标系统转换参数之后，应对测量的数据进行校核，在校核无误后方可进行测量。GPS流动站接收机天线应与换能器在同一垂线上，并保证GPS观测卫星信号的质量指标，如卫星数、高度角、PDOP(空间位置精度因子position Dilution of Precision)值等。在确定水下地形测图规格时，应在水深测量的专用软件中，先确定水下地形图的范围与比例尺，以及坐标系统和图幅等。设定测量断面线时，应将测量船导航至断面位置，再按指定的时间或者间距进行测点的定位与测深，并实时修正测量船的航向。
2．2 水下淤泥测量
水下淤泥测量一直是工程测量领域的一个难题，就目前来说主要有两种测量方式，一是手工测量，另一种是仪器测量，随做科学技术的进步，仪器测量正逐步在推广，但在一般基层单位及小型的测量项目中，手工测量淤泥深度还在被普遍使用。
2.2.1淤泥分析
粒径<0．03 mm的泥沙与颗粒分散的泥沙相比，性质上有很多差异，通常我们把它称为淤泥。根据《疏浚工程施工技术规范》的表述，淤泥的准确名称应为淤泥性土，它是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，天然含水率大于液限、天然孔隙比>1．0的粘性土，可细分为淤泥质土、淤泥、流泥和浮泥(表1)。
表1 淤泥的分类

泥土性质
孔隙比e
含水率w(%)
泥土
--
w>150
流土
--
85<w≤150
淤泥
1.5<e≤2.4
55<w≤85
淤泥质土
1.0<e≤1.5
36<w≤55

不同淤泥层面的划分标准因不同地区泥质而异。按照一般情况，可以大致按密度变化范围划分出4个淤泥层面。细颗粒泥沙经絮凝沉落到水底后，要经过很长时间才能变得比较密实，在尚未密实之前具有很强的流动性，称为浮泥。浮泥的密度范围为1．0～1．2 g／cm浮泥进一步固结，流动性减小，当密度达到1．2～1．5 g／cm时，便成为流泥。当孔隙水被排走，密度增加到1．5～1．8 g／cm时，界面波不再发生，在水流作用下不会直接悬扬，已经属于淤泥的范畴。密度达到1．8 g／cm。以上时，已成为淤泥质土(表2)。
表2 淤泥密度范围

名称
密度范围(g／cm。)
浮泥
1．O～1．2
流泥
1．2～1．5
淤泥
1．5～1．8
淤泥质土
> 1．8
2．2．2手工测量淤泥深度
手工测量淤泥深度主要有钻孔取样法、静力触探/测杆法。
①钻孔取样法使用钻机单点采集柱状淤泥样本，用环刀法测定柱状样本中各分层淤泥的天然密度；量取各分层淤泥的厚度，钻孔取样对淤泥的扰动不能避免，浮泥和流泥样本无法采集，只能凭肉眼或经验来估算出该部分的厚度，这样就人为的增加了测量的误差，同时对各分层淤泥没有定量的指标来衡量。钻孔取样法对于面积大精度要求高的区域并不实用，它工作量大，价格昂贵，而且效率极低。
②静力触探法使用专用测杆进行，其原理是通过单点测定淤泥层对测杆的比贯入阻力来计算淤泥的承载力，从而确定淤泥厚度；更为简单的做法是采用测杆两次读数来确定淤泥的厚度，及当测杆触及淤泥表面的时候读取一个深度，用力将测杆往下，当达到一定阻力，测量人员判断测杆已经触及淤泥的下表面时再读取一个深度，两个深度之差及为我们所需要的淤泥厚度值。使用此种方法测量时，测杆的形状、大小，测杆所承受的力的大小，直接影响到测量的精度，同时静力触探／测杆法无法测定淤泥的绝对密度，也无法查明浮泥和流泥的分布。
通过上面两种手工测量法的分析，我们可以看出手工测量法存在以下几个缺点：
1、工作强度大、效率低；
2、系统误差和偶然误差大；
3、无法使定位和测深同步进行；
所以手工测量法只适合工程勘察设计阶段使用，如果要对淤泥进行精确计量必须使用专业测量仪器。
2．2．3仪器测量淤泥深度
现在专业的仪器正越来越多的在疏浚工程测量中使用，使用仪器测量淤泥深度的方法主要有：多普勒双频超声波测量、放射线探测法、声波淤泥密度探测法。
① 多普勒双频超声波测量是目前应用最多的一种方法，以高频测量泥水界面，再通过低频测量淤泥底层距水面距离，从而得到淤泥厚度；这种方法较之其他方法高效快速，但淤泥的绝对密度值无法测定，只能测定水底和某一硬底层间的厚度；
② 放射线探测法是根据放射线(如y射线)的放射衰减比率来测定淤泥的密度；放射线探测法通过单点测量淤泥的密度，测定精度较高，但工作效率低，对人员和被测区域环境有潜在的放射性危害，安全性较差，不适合在工程测量中使用，所以在施工测量领域应用极少。
③声波淤泥密度探测法，根据声学原理，声波遇到不同密度的介质反射强度不同，它在不同密度的介质中的振幅也不相同，因此，当向水下发射一束声波，遇到不同密度介质后开始反射，有一部分声波将穿透水底后反射回来。声波穿透介质的深度取决于它的能量和频率，对一定能量的声波而言，震荡频率越低，其穿透能力越强。而反射回波的信号强度取决于水底淤泥层的密度变化。这种变化被定义为“密度梯度”。由于声波的反射强度和密度梯度之间的关系可以通过实验确定下来，即每一次反射都是因为密度梯度变化引起的，这样就可以对密度的梯度进行定量化处理。如果利用标定过的声源信号来记录反射信号的强度，则可以高精度地测定密度的梯度值；根据标定过的信号在介质中的振幅值，就可以确定介质的密度。有了这两个参数，就可以连续测定水下淤泥层的密度了。通过探头采集低频声波在介质中的反射数据，根据低频震荡数据及标定密度梯度连续分划特定密度层，形成三维数据。
按密度划分淤泥，可以细化浮泥的密度分层，有助于分析特定目标层的流变特性，从而减少疏浚量，节约资金。生态清淤在工程上要求清淤的准确性和选择性，即清除目标是富含污染物的易流动的浮泥和流泥层。按密度划分淤泥，为生态清淤提供了一个清晰的选择标准。
声波淤泥密度探测法具有速度快，精度高的优点，但也有它的缺点，使用此方法在测量前必须进行标定实验，如果更换测量区域则必须从新进行标定实验。遇到同一区域不同位置土质差别越大则测出的数据误差越大。
3、水下淤泥土方计算
水下淤泥厚度的测量最终目的是为了计算水下所淤积的土方量，为工程设计规划或工程施工提供依据，所以不管是手工测量淤泥深度还是使用先进的仪器进行淤泥深度测量都必然要涉及到淤泥量的计算。
外业所采集的数据必须经过后处理形成规范的数据文件才能用于土方计算，一旦规范的数据文件形成后，淤泥量的计算与普通的土方计算并无多大区别。数据文件所应该包含的信息就是X、Y、Z，而X、Y两个数据不难理解就是采样点的平面坐标，Z数据可以是淤泥的厚度也可以是淤泥上表面或下表面的高程，通常在淤泥方量计算中我们取Z为淤泥厚度，通过软件就可以计算处淤泥量来。
对于手工测量来说制作数据的工作量相对大些，如果由仪器测量，现在都有相配套的数据后处理软件，可以根据用户的要求生成包含不同要素的数据文件供不同用途的人使用，这样不仅工作量相对小，而且效率要高很多倍。对于淤泥量计算来说只要设置好参数就可以一步到位的计算出来。所以淤泥测量主要是方法的选择，也就是外业测量的方式决定了整个测量的效率和可靠性，而数据处理和土方计算相对简单。
4、应用实例
为改善贡湖水源地水质状况，做好贡湖生态清淤工程设计工作，对该水域进行1:1000水下地形测量、湖底淤泥深度测量。考虑各方面因素，先进行水下地形测量，再选择钻孔取样法，按100m间距采集淤泥的深度，并同时记录钻孔平面位置和孔口的高程，确保所测淤泥点具有平面、水深、淤泥三维一体性。根据水下地形数据可生成直观的三维表面图、等值线图等，如图所示意。

          （水下三维表面图）

         （水下等值线图）

以各测点测得的淤泥点的三维坐标（X，Y，Z淤泥厚度）利用绘图软件功能生成淤泥深度曲面数字模型，绘制出淤泥厚度的等值线图。
淤泥量计算方法采用容量计算法，以各测区测得的淤泥底部点的三维坐标（X，Y，Z淤泥底部高程）生成淤泥底部的曲面数字高程模型，结合生成的水下高程数字模型，利用软件功能计算出两层模型间的容量即为淤泥的淤积量。
5、结论与建议
根据上述测量方法的讨论及几年来从事水下地形及淤泥深度测量的经验得出如下结论与建议：
①、根据目前测量领域现状，笔者认为对于水下地形测量，测深仪+GPS（RTK、RTD、COR等模式）是最佳选择，不仅效率高、劳动强度低，而且节省资金。
②、淤泥深度测量，可视情况选择测量方法，对于小区域或对精度要求不高的项目可使用手工测量方法；对于大面积或对淤泥量精度要求比较高的项目最佳的选择是双频超声波测量法。
③、因为水下测量不确定因数很多，建议在实际工程项目中采用下列方法实施：
一、对于规划设计阶段可选择适当的方法对淤泥量进行估算，估算结果仅作为规划设计阶段的依据。
二、项目具体实施前可用测深仪器+GPS定位精确测量出水下淤泥表面的高程，测量结果经相关各方签字确认，等施工结束后再使用同样的方法测量施工后的水下地形。两次测量分别生成两个不同的曲面，两曲面间所围成的空间即为所清除淤泥的精确工程量。因为现在电脑运用广泛，各种专业土方计算软件很多，而且简单易学，很容易推广。
三、建议有条件的项目，在测区内将水排干的情况下使用免棱镜的全站仪器对淤泥表面的高程进行测量，等施工结束后再使用同样的方法对淤泥底部的高程进行测量，这样才能准确的计算出水下的淤泥量。

参考文献：
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[2] 裴文斌 沈小明，水下淤泥密度及泥层深度的测量方法，港工勘察， 2002.2
[3] 王卫国 谢津平 ，水下地形与淤泥测量Silas技术， 地质找矿论丛 ，2007.9
[4] 方颖等，长江水下地形测量数据处理 ，同济大学学报，2001.3
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