航道疏浚中的浮泥现象对水深测量的影响分析_李道民.pdf

59 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）航道疏浚中的浮泥现象对水深测量的影响分析李道民，于海波（中交水利水电建设有限公司，浙江 宁波 315200）摘 要：文章采用多波束测深系统、单频测深仪、双频测深仪对产生浮泥层的航道疏浚施工区进行多期测量，并对数据比对分析，测深水砣校核过的双频测深仪低频数据与浮泥沉淀后的多波束数据进行对比，验证了双频测深仪的低频声波数据的可靠性。同时给出减少航道疏浚中浮泥对测量影响的建议。关键词：浮泥层；多波束测深；双频测深；航道疏浚中图分类号：U616文献标识码：B水深测量通常贯穿航道疏浚项目始终，在疏浚底质为淤泥的情况下，常出现不同厚度的浮泥。疏浚测量中因浮泥问题常常不能为疏浚船提供可靠的数据保障，并导致疏浚船不能依据具有时效性的水深数据进行施工，对疏浚效率与成本产生较大影响。本文就浙江省某航道疏浚测量中遇到的类似问题进行阐述，采用不同的测量技术和不同测量设备，对施工中的航道进行测量，探讨因浮泥问题影响航道的测量的解决办法。1 航道疏浚测量的浮泥问题浙江省某航道疏浚测量是在已有航道基础上进行疏浚，疏浚长度 1km，宽度 450m，本次疏浚过程测量采用多波束扫海测量，多波束仪器为NORBITiWBMS，该仪器量程范围为 0.2m-275m，工作频率200KHz-400KHz。于 X 月 14 日进行首次水深测量，X 月 19 日进行第二次疏浚测量。X 月23 日进行第三次疏浚测量，在第三次疏浚测量中发现水深较X月19日第二次测量水深浅1.5m左右，三次测量过程中，疏浚船始终正常疏浚，理论上 X月 23 日第三次水深应较 X 月 19 日第二次测量水深较深，本次水深较第二次浅 1.5m。在排除了测量仪器操作、水位等可能错误后，推测可能为施工水域内存在浮泥层。为排除测量设备原因，于 X 月 25 日采用 Sonic2024 多波束对该施工水域进行第四次扫测，扫测结果显示X 月 25 日采用 Sonic2024 多波束扫测水深与 X 月19 日采用 NORBIT 多波束扫测水深一致，但在时隔 6 天过程中，疏浚船一直保持施工状态，理论上 X 月 25 日采用 Sonic2024 多波束扫测水深应比采用 NORBIT 多波束扫测水深较深，本次水深扫测数据与 X 月 19 日第二次测量扫测数据一致，亦可说明该施工水域确有浮泥现象。本例中采集该疏浚测量区域内三个点位作为比对数据，A 点坐标为 X*1787.3772，Y*662.2000；B 点坐标为X*1796.2672，Y*657.8800；C 点坐标为 X*1801.6572，Y*662.7900，统计该三个点位上述四次多波束扫测水深数据如表 1 所示。表 1 四次多波束扫测数据水深对比测量日期仪器A 点位B 点位C 点位X.14Norbit13.2m13.3m13.1mX.19Norbit14.4m14.8m14.4mX.23Norbit13.1m13.1m13.1mX.25Sonic13.5m13.6m13.5m通过本案例可知在航道疏浚测量中后期，对于疏浚底质为淤泥情况下，疏浚后期常出现不同厚收稿日期 2022-12-26作者简介李道民（1989-），男，河南开封人，工程师，主要从事海洋测绘、工程测量等工作；于海波（1994-），男，吉林四平人，助理工程师，主要从事海洋测绘、工程测量等工作。文章编号:1007-7596（2023）01-0059-02DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.043 60 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）度的浮泥，浮泥厚度约 11.5m，由此导致了水深测量不能为疏浚作业提供时效性强且准确度高的数据，如何采集到浮泥层下方真实泥面数据成为关键问题。2 浮泥层产生的原因分析由数据分析可知自 X 月 23 日疏浚航道内存在浮泥层影响，推测浮泥厚度在 1.5m 左右，虽与 X月 25 日 Sonic2024 多波束扫测时间相隔 48h，但因施工区疏浚船在此期间未停止作业，X 月 25 日Sonic2024 多波束扫测航道内依然有至少 1m 的浮泥。推测浮泥存在主要因为施工区范围较小且在航槽内，长时间有耙吸式挖泥船进行施工，耙吸船施工过程中，上层密度小的淤泥在耙刀的扰动下随涨潮潮流进入漕内，长时间的耙吸式挖泥施工作业提供了丰富的细颗粒泥沙来源；类似水漕疏浚区限制了细颗粒泥沙向海外扩散，不间断的疏浚工程和大型船舶航行阻止泥沙沉降。3 浮泥层测量解决方法浮泥层因包含丰富的细颗粒泥沙，本次测量采用的两种型号多波束工作频率最低为 200kHz，因其频率相对较高，声波的穿透能力弱，不足以穿透浮泥层探测到海底面。双频测深仪同时具有低频波段与高频波段，低频波段最小可 10kHz，足可穿透浮泥。本案例采用 ODOMECHOTRACMKIII 提供双频功能，高频波段 1001000kHz 可调节，低频波段 3.550kHz 可调节，MKIII 可以一个高频和一个低频同时工作，也可以同时以两个高频或两个低频工作。测量过程中采用双频测深仪低频和高频同时作业，低频频率为 33kHz，高频频率为 200kHz。双频测深仪与多波束同船测量，部分测量结果对比见表 2。表 2 四次多波束扫测数据水深对比测量日期与仪器A 点位B 点位C 点位X.14Norbit13.2m13.3m13.1mX.19Norbit14.4m14.8m14.4mX.23Norbit13.1m13.1m13.1mX.25Sonic13.5m13.6m13.5mX.26Sonic14.5m14.5m14.4mX.26 低频单15.9m15.9m16mX.26 高频单14.4m14.5m14.5mX.29Sonic15.9m16.1m16.2m本案例中 X 月 26 日 MKIII 高频测量数据与同船同时测量的多波束数据一致，相比 X 月 23 日和 X 月25 日测量数据较深，但与 X 月 19 日测量数据一致。自 X 月 25 日测量结束起疏浚船停止作业，即测量前12h内测区无耙吸船耙刀扰动，测区内浮泥静置。自 X 月 19 日到 X 月 25 日 168h 内疏浚船未停止过作业，理论上 X 月 26 日测量水深相比 X 月 19日水深应较深，但 X 月 26 日 MKIII 高频测量数据与同船同时测量的多波束数据成果与 X 月 19 日水深数据成果一致，可说明浮泥层现象依然明显。X月 26 日 MKIII 高频测量数据与同船同时测量的多波束数据相比 X 月 23 日和 X 月 25 日测量数据较深可说明测区内浮泥层静置后效果明显恢复到 X 月19 日前水深状态，由此可知静置浮泥对施工中疏浚水深真实数据采集是有效的。本案例中 X 月 26 日 MKIII 低频测量成果较高频成果水深约深1.5m，说明低频声波穿过了浮泥层，具体是否穿透浮泥层到疏浚航道底面，单通过双频测深仪高低频数据对比无法得知。通过疏浚施工区内疏浚船继续停止作业静置测区浮泥，并于 72h 后的 X 月 29 日，通过多波束扫海方式测量施工航道内水深，测量结果显示，X 月 29 日多波束测量水深成果与X月26日MKIII低频测量水深成果一致，由此表明 X 月 29 日疏浚区内浮泥层已沉淀至 X 月26 日 MKIII 低频测量水深状态。为验证 X 月 26 日MKIII 低频测量与 X 月 29 日多波束测量均穿透浮泥层，采用测深水砣对 X 月 26 日 MKIII 低频测量成果和 X 月 29 日多波束测量成果进行对比，在 X月 29 日多波束测量期间，利用水砣对 6 个点位进行实际测深比较，对比成果如表 3 所示。表 3 三种测量数据水深对比点位编号位置X 月 26 日MKIII 低频测量成果X 月 29 日多波束测量成果X 月 29 日现场水砣成果XY1*1338.8928*932.550014.2m14.3m14.3m2*1391.8828*924.720015.8m15.8m15.9m3*1535.9672*899.710015.4m15.4m15.4m4*1533.5028*785.520015.7m15.6m15.7m5*1684.9128*599.910016.2m16.1m16.1m6*1940.4328*749.350016.1m16.0m16.1m（下接第 70 页）70 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）矿用地、农村居民点和灌木林地持续增加，旱地不断减少，土地利用格局出现明显改变，各土地利用变化率以 2005 年为节点表现出先缓慢后急剧的变化特征。2）1993、1998、2005、2013 和 2020 年 仓 子小流域土壤侵蚀模数依次为 28.1、26.0、15.5、12.4、7.0t/(hm2a)，整体呈持续减小趋势，剧烈、极强烈和强烈侵蚀面积持续减少，微度侵蚀逐渐增加。3）对于不同用地类型，土壤侵蚀最严重的是独立工矿用地，随时间推移地形因子 LS 值的减小是土壤侵蚀模数下降的主要原因；其次是旱地，随退耕还林草工程的实施旱地侵蚀强度呈递减趋势，但重新开垦的部分坡度增强了其侵蚀强度；灌木林地和草地侵蚀最弱，随着植被覆盖度的增加这两种用地的侵蚀强度进一步减弱。参考文献：1 黎俊佑，马岚，刘京晶，等雨型对华北土石山区坡面土壤侵蚀的影响 J水土保持学报，2020，34(4)：12 张岩，刘宝元，史培军，等黄土高原土壤侵蚀作物覆盖因子计算 J生态学报，2001，21(7)：1050-10563 刘宝元西北黄土高原区土壤侵蚀预报模型开发项目研究成果报告 R北京：水利部水土保持监测，2006对比数据表明 X 月 26 日 MKIII 低频测量成果和 X 月 29 日多波束测量成果与 X 月 29 日现场水砣实际点位水深数据基本吻合，由此可知，X 月26 日 MKIII 低频测量和 X 月 29 日多波束测量均已穿透浮泥层探测至实际海底面。4 浮泥层测量方法分析高浓度悬砂海水经相关文献资料表明，此类水体密度介于 1.021.26g/cm3，天津新港和连云港都采用容重来定义浮泥的界限，下限为 1.031.05g/cm3，上限为 1.251.30g/cm3，本次案例测量过程中对浮泥进行取样，水样化验结果显示水体密度与相关文献的浮泥定义数据吻合，符合浮泥特性2。在适航深度等相关文献中表明，双频测深仪低频上界面所对应的浮泥水体密度介于 1.255g/cm3左右，所测深度超过 1.255g/cm3 的浮泥层面值厚度都20cm，低频回波界面与淤泥重度之间没有绝对关系，且浮泥重度呈垂线变化，所以低频声波可否穿透浮泥到达海底淤泥上表面，与低频频率无绝对关系，具体案例中需采用测深水砣对测区全局进行验证3。5 结 论本文通过具体航道疏浚案例中出现的水深异（上接第 60 页）常现象的研究，采用不同类型频率声波在不同时间进行测量互检，发现疏浚过程中水深变浅系航道不间断疏浚引起的浮泥影响。利用低频测深仪穿透力强的特点，可穿过浮泥层，通过水砣测深数据与双频测深仪的低频数据进行对比，可知，双频测深仪的低频声波在该航道泥沙浓度范围内已穿透浮泥层探测到海底面。可以采用具有低频声波的双频测深仪进行航道疏浚工程的过程测量，同时通过双频测深仪的高频数据与低频数据进而可得出浮泥层厚度。当浮泥浓度与案例差别较大且实际测量过程中低频声波测量数据与测深水砣数据成果有差异时，可通过停止作业静置浮泥，待浮泥层沉淀一定程度