不同探测方法在水库淤积测量中的应用探讨

李斌 郝晓伟 柯勰 章继元 吴静 陆小蕾

【摘要】为了探讨不同探测方法在水库淤积测量中的实际效果，分别采用了三种不同设备进行水下地形测量，通过不同设备测量数据对比，分析三种设备在水库淤积测量中的适用性和效果。

【关键词】水库；淤积；水下地形；库容曲线。

1、绪言

水库库容和淤积量是水库调度的重要参数，其准确与否直接影响到水库的防洪安全与蓄水兴利。大多数水库经过多年蓄水运用后，入库泥沙大部分甚至全部淤积在库内，建库时绘制的库容曲线在一定时间后会发生明显的变化，久而久之会对水库产生诸多影响，主要表现为：（1）水库防洪能力下降、发电和灌溉等综合效益降低，甚至导致水库不能正常运行；（2）淤积向上游扩展，造成上游地区淹没，带来生态环境问题；（3）坝前淤积会影响大坝等建筑物的安全运行；（4）水库下泄清水对下游河道冲刷的影响；（5）泥沙上附着的污染物对水库水质的影响等。

水库淤积测量的目的，是通对水下地形测绘，计算出各特征水位对应的库容与水库建成时各特征水位对应得库容进行比较，进而分析出各特征水位对应泥沙淤积的量，为水库清淤扩容提供数据支撑，减少淤积对水库安全运行的影响。

2、国内外应用发展情况

国内外学者对对水库淤积的研究主要集中在泥沙丰富的流域以及库区植被较差地区的水库，如我国黄河流域小浪底工程，在水库入库口和重要支流进行含沙量监控，预测入库水流中的含沙量，同时在水库大坝底部开设底孔，每年定期进行调水调沙；另外，冯家山水库建立的水库泥沙跟踪测报系统，是一种无人值守的实时水文数据测报系统，它的建成实现了对入库泥沙运行、推移全过程的跟蹤监测，这种方式投资较大，比较适用于含沙量大的大型水库，而对于中小型水库和含沙量较少的河流则不具有性价比。

水库淤积测量的主要基础工作就是水下地形测量，就是利用测量仪器确定水底点的三维坐标。水下地形测量的方法相对较多，常见测绘水下地形图的方法有：经纬仪测记法、 SAR法、基于GPS及GIS+测深仪法等，此类方法工作量较大，效率较低；近年来国内外对水库水下地形的测量，主要集中在采用多波束等先进海洋测量设备进行全区域扫描，获得出水下地形图，但是多波束设备投资较大，且多为进口产品，设备使用维修成本以及对专业技术人员等方面要求较高。

对于水库建设年代比较久远的水库，尤其是库容较小的水库，基础资料比较缺乏，很难通过两次测量库容曲线的方法获得淤积量，目前可以对淤积量进行直接的测量方法，主要采用浅地层剖面仪进行库区扫描，得出库区水下地质结构断面，从而判断库区淤积程度。

3、设备原理

3.1浅地层剖面仪

浅地层剖面仪（Sub-bottom ProfilerSystem）又称浅地层地震剖面仪，利用声波在介质中传播时遇到不同声学特性的分界面时会发生反向散射，接收反向散射声波并按回波的时间先后、并用灰度等级或色彩来表征回波的强度在平面上绘制出剖面图，这种平面图可以直观的看到水底以下地质构造情况。该仪器在地层分辨率和地层穿透深度方面有较高的性能，并可以任意选择扫频信号组合，现场实时地设计调整工作参量，可以在航道勘测中测量河（海）底的浮泥厚度，也可以测量在海上油田钻井中的基岩深度和厚度。在水文地质调查，地球物理勘探和海洋工程，海洋观测，航道港湾工程，库底管线铺设等方面应用比较广泛，近些年逐步利用在内河、水库的水下地形和淤积测量中。

利用浅地层剖面仪的工作特性，可以探测出水库水下地形和地质分层情况，获取水库淤积厚度，在缺乏原有库容曲线数据的情况下可以直接水库淤积量。

3.2三维声纳系统

三维实时声学成像声纳系统EchoScope（以下简称ES），ES主要由声纳头、电脑终端（PC）、电源等组成。该系统依靠声纳设备发出的声波，以及该声波触碰到目标物后反射的回波进行定位和成像，能够实时、准确地生成水下结构三维图像，实现对水下结构等目标物的实时探测，测距范围1～150m。

3.3双频测深仪

双频测深仪的工作原理与浅地层剖面仪类似，有2个工作频率，例如200 kHz（高频）和20 kHz（低频），其中低频声波的穿透能力要好于高频声波，但穿透能力也是非常有限的。由于低频声信号比高频声信号更容易穿透柔软的水底沉积物，即在有水底沉积物的地方，同一位置所获得的低频回声测深值（h1）和高频回声测深值（h2）是不一样的，可用低频回声测深值和高频回声测深值的差值 dh= h1- h2，来测量水底沉积物的厚度，双频回声测深仪常用高频通道探测较浅的界面，用低频通道探测较深的界面，但由于低频穿透能力有限，一般只用于测量水下地形，且效果较好。

4、工程实例

4.1水库概况

某小（二）型水库以灌溉为主，坝址位于某河道小支流上，库区范围为中低山区，植被较好，水库坝址以上主流全长约1.13Km，主峰高程约400m（黄海高程系），水库于1963年修建完工，灌溉面积675亩，防洪保护人口1500余人，保护耕地面积约1200亩。

水库坝址以上集雨面积F=0.58Km2，主流全长约1.13Km，主流平均坡降J=0.164；水库总库容为15万m3，正常库容12万m3。

4.2测量方法

（1）设备安装连接：根据设备探测要求，做好设备连接。

（2）设备布放：根据现场情况采用船载布放方式，整体架设在船舷一侧，并没入水中1.0m左右。

（3）测量过程：根据现场情况，确定15米为间隔，采用往返式进行现场探测，获取探测数据。

4.3探测成果

通过对比探测成果，发现浅地层剖面仪测量数据与双频测深仪吻合度较高（图1），而三维声纳与双频测深仪测量数据偏差较大（图2）。说明浅地层剖面仪测量数据与双频测深仪可靠度较高，可以作为淤积测量的计算数据，三维声纳数据可以利用其三维成像的特点，比较直观的反映水下地形变化情况。

5、结语

（1）三种设备各有特点，浅地层剖面仪可以同时获得水下地形和地质分层，可以获得淤积厚度；双频测深仪由于穿透能力有限，可以用于水下地形测量，但不能进行淤积厚度测量；三维声纳可以反映水下地形变化趋势，但对水深较浅区域测量误差较大。

（2）从数据分析情况看，浅地层剖面仪比较适合进行淤积测量，三者中效果最好；三维声纳与双频测深仪数据偏差较大的原因，可能与水深、设备参数设置等因素有关，还有待进一步分析和探讨。

（3）水库淤积测量比较复杂，单靠设备探测很难准确获得淤积数据，最好结合钻探等传统方法进行数据对比分析会更加可靠。

参考文献：

[1] 张红梅，赵建虎，水库库容和淤积测量技术研究，水利学报，2002.12，p33-37

[2] 刘仙玉，毛小平，多波束测深系统在水库库容曲线复核与淤积测量中的应用，大坝与安全，2013.6，p24-26

[3] 杨立晋，李晓飞，水库泥沙淤积测量方法及淤积库容计算的分析，甘肃水利水电技术，2011.6，47（6），p22-24

[4] 马引妮，赵亚芳等，泥沙跟踪测报系统在冯家山水库工程管理中的运用，大坝与安全，2008，（4），p20-21