水下淤泥的测量与计算

水下淤泥的测量与计算

朱前维，郭海峰

（无锡市水文局，江苏  无锡214023）

摘  要：本文阐述水下淤泥测量与计算的过程，通过各种淤泥测量方法的对比，阐明了各自的优缺点，针对不同的疏浚工程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；钻孔取样；淤泥密度

1、引  言

2007年6月初太湖蓝藻大爆发，江苏省无锡市出现饮用水危机后，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、淤泥的定义

根据研究，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

3、水下淤泥测量

水下淤泥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 ,目前水上测量定位基本采用RTK（Real Time Kinematic）、RTD、CORS等技术。一套GPS、测深仪器、手提电脑和导航应用软件就组成了一套完整的水下测量设备。淤泥深度的测量一直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。

3．1 水下定位

水下淤泥测量的定位与普通水下地形测量相同。以CORS系统定位模式为例，定位测量包括基准站、控制中心、数据中心、移动通讯网络、GPS流动站、测量船、测深设备（导航软件、计算机、电源）等，如图1所示意。

图1 CORS系统定位示意图

    该系统可全天候实时地向GPS流动站自动地提供经过检验的不同类型的 GNSS 观测值(载波相位，伪距)，各种改正数、状态信息，以及其他有关GNSS信息的服务。CORS系统减少了测量时架设和维护基准站的时间和成本，大大的提高了工作效率。

3．2 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，一是钻探测量，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，钻探法测量淤泥深度还在被普遍使用。

3．2．1钻探法测量淤泥深度

钻探法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。

通过上面两种钻探测量法的分析，我们可以看出钻探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；

所以钻探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。

3．2．2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。

    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；

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。

图2 声波密度探测示意图

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。

4、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，所以不管是钻探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，一般的土方计算软件均能完成。数据文件的信息包括X、Y、Z，而X、Y两个数据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。

对于钻探测量来说制作数据的工作量相对比较大，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。

5、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，考虑各方面因素，先对该区域进行水下地形测量，再选择钻孔取样法，按200m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，数据文件如表2所示。

                      淤泥深度数据文件                           表2

图3 淤泥等值线图

淤泥量计算方法采用DTM土方计算法，将各测区测得的淤泥深度点的三维坐标（X，Y，Z_淤泥深度）展绘后，结合生成的等值线图，利用软件中DTM土方计算功能计算出本区域内淤泥的淤积量。

 6、结论与建议

根据上述测量方法的讨论及几年来从事水下淤泥深度测量的经验得出如下结论与建议：

一、淤泥深度测量，可视情况选择测量方法，对于水深较浅尤其象太湖这样水深在1—3米的区域或规模较小的工程项目可使用钻探测量法；对于精度要求高或水比较深的工程项目******的选择是声波淤泥密度探测法，这种方法在国外得到广泛应用，在国内大型的工程中如港口、码头等领域逐步得到推广，相信随着测量技术的不段成熟，这一方法必将得到广泛应用。

二、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：对于规划设计阶段可选择上述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。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。

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，这中方法在工程实践中经常被采用。

参考文献：
[1] 秦自成，DGPS水下地形测量的质量控制 ，浙江测绘， 2006.2
[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
[5] 余小龙 胡学奎，GPS RTK技术的优缺点及发展前景 ，测绘通报，2007.10