丹江口水库回声仪测深比测精度分析-论文

1 / 9 丹江口水库回声仪测深比测精度分析（夏定华 李华山 马胜虎 李光辉 王荣新） 摘要 : 丹江口水库是南水北调中线工程水源地，水库淤积状况备受世人关注，淤积规律研究对三峡水利枢纽等工程有重大借鉴作用。通过总结影响回声仪测深精度的仪器性能、传播介质、反射位置、反射界面等 4 大基本因素，认识到水库床面分强、弱、中反射面。通过对多种回声仪在重点淤积库段同步进行定点测深并结合淤积物容重、粒径分布等观测数据，对比测数据进行了统计分析。 关 键 词 : 回声仪 ;测深 ;水下地形 ;勘测 ;泥沙 ;淤积 ;丹江口水库 中图分类号 : P33 文献标识码 : A 1 比测目的 采用超声波回声仪施测水下地形具有很大的优越性，但在实际应用中，由于客观条件的影响，其测量精度很难达到实验室鉴定精度。为了探索丹江口水库的泥沙淤积规律，长江水利委员会汉江局采用回声仪对库区淤积进行了数 10a 的观测研究，积累了大量基础资料和丰富的观测经验。为了保证丹江口水库泥沙淤积观测质量，同时比较不同回声仪的实用性能，长江委汉江局组织实施了丹江口水库回声仪测深比测作业，并对比测数据进行了统计分析。 观测与比测仪器 2 / 9 丹江口水库于 1967 年 11 月下闸蓄水后，库区近 40a 来淤积 测量分别采用不同型号的回声仪，主要型号相继为 :长江 56 型、 CH2 型、 CJ1801 型、 MS21 型、 S26 型、南实 型、南实 型、南实 型、 DE-719 型、 SDH-13A 型、 SDH-13D 型等。 这次参与测深比测的仪器分别是 DE-719型、 SDH-13A型、CSS 型、南实 型、南实 型。 水库回声仪测深的特殊性 .1 影响回声仪水库测深精度的主要因素 由于水库的自然环境与鉴定槽中的环境显著不同，经鉴定合格的回声仪在进行水库水深测量时往往不能反映水库的真实水深。如水库中的水温分布、床面声波反射能力、水体含盐度等与 鉴定槽都有区别。综合而言，影响回声仪测深精度的主要因素如下 : 仪器性能。包括仪器发射超声波的功率、频率、发散角、仪器感应回波的灵敏度、仪器内部本身的设计与制造工艺及其稳定性等因素。 传播介质。包括水温分布、含盐度等，直接影响超声波传播速度，另外，还有水流速度的影响。 反射位置。包括测船稳定度、回声仪换能器安装的铅垂度、回声仪发散角、床面地形坡度、测船移动速度、测深信号与定位系统的同步度等。测船倾侧时船宽影响回声仪换能3 / 9 器入水深改正数。 反射界面。不同河床质结构层面反射声波的能力不同。 .关于水库床面回波强度的 概念 上述影响因素中除反射界面外，仪器性能、传播介质、反射位置因素可以通过选用合格仪器、观测水温分布、控制或调整测船姿态等方法予以修正。而反射界面是水库泥沙淤积部位最重要也最敏感的测深精度影响因素。一般而言，反射界面可分为强反射面、弱反射面和中反射面 3 种，可分别作如下定义 : 强反射面。坚实床面，如基岩、卵石、砂质床面、淤积固结面等，回波反射比较强。 弱反射面。松软床质，如稀软淤泥、絮泥等，回波反射微弱，其表面无承重能力。 中反射面。密实床质，介于强、弱反射面之间，如半固结淤泥面，回波反射一般。 表面无承重能 力的弱反射面不能视为床面，哪怕在施测时某些回声仪能够接收到它的有效回波信号，也应视作“伪信号”。强反射面、中反射面应该视为床面。如果中反射面在施测时不能够反射有效回波信号，则应采取适当方法测出其有效回波信号，使之能代表床面。中、弱反射面的划分界限较模糊，是否可以将床面定量为干容重不小于 1000kN/m或承重能力定量为不小于 100kg/m，待研究。 4 / 9 比测的侧重点和方法 .1 比测的侧重点 影响回声仪测深精度的因素很多，本次比测的侧重点是选择不同淤积库段定点比测不同型号回声仪的测深精度，供分析历史观测资料和未来 丹江口水库及其它大中型水库淤积测量参考，同时也为今后的水库淤积测量及回声仪测深精度研究提供有价值的参考资料。 .比测方法 比测作业分单点定点分级比测、多点定点分级比测。 .2.1 单点定点分级比测 选定坝前深水区，锚定测船，每 5m 分段下放比测板并绳测水深、仪测水深，从水面下 5m 开始一直至库底。仪测河底比测板后提起比测板，再仪测河底床面。 比测时，每一级水深均施测其测深区间的平均水温以改正仪器测深数据。对床面用滚轴式采样器采取河床质现场称重，并将沙样带回进行室内颗粒分析。 .2.多点定点分级比测 这是比测的重 点，作业较复杂，具体步骤如下。 选点。在丹江口水库汉江库区常年回水段内，选定水深1 20m 的比测点 18 点、 20 45m 水深比测点 19 点，测点分布于汉江库区中、下游。 定位。所选测点要尽量位于床面平坦处，测船要抛锚定5 / 9 位。 采样。采用滚轴式采样器在比测点采取河床质沙样。 测温。垂线平均温度按 0.1 相对水深测，取加权平均值。 测深。首先放下比测板至床面，同时绳测比测点水深两次，取其平均值 ;其次以各种回声仪对放置于床面的比测板进行水深测量两次，取其平均值 ;最后收起比测板，以各种回声仪直接对床面分别采用低敏、高敏各施 测水深两次。 比测数据分析 .1 水深测量精度标准 根据水利水电工程测量规范，回声仪测深的读数精度应为 0.1m，对回声仪比测精度没有具体要求、对水下地形等高线中误差的要求是不大于 2/3h。 水道观测规范对回声仪比测精度要求是 20m 以下水深不大于 0.2m， 20m 以上水深不大于实际水深的 1%。 .比测数据采集 本次比测投入 4 种型号共 5 部回声仪，分别为 DE-719型、 SDH-13A 型、 CSS 型、南实 型、南实 型。两部南实 型仪器均已老化，性能很不稳定。其中南实 型在开始的单点定点比测时施测了 4 点测板、 1 点床面，因误差较大退出比测。南实 型在完成第 16 点的比测后也因部件故障无法修复，中途退出比测。 单点定点分级比测，仅在汉库选定了一个比测点，根据6 / 9 每 5m 分级的原则在水下 5.00 38.95m 间分 8 级进行比测。 多点定点分级比测共选定 37 个比测点，分布于汉库 0汉库 17 号断面之间水深 1.55 40.88m 范围内。除 CSS 型回声仪无增益功能外，其它各型回声仪均分别采用高、低两种增益水平分别进行施测。 从比测数据汇总可见，各比测点最大床沙湿容重为1.683g/mL 、 中 值 粒 径 0.017mm ， 最 小 床 沙 湿 容 重 为1.242g/mL、中值粒径 0.002mm。说明比测点均处于小粒径低容重淤泥库段。 .测板比测数据分析 除用南实型仪器实际比测 22 点外，其它仪器均比测了 44 点。主要统计参数包括比测水深、绝对误差、相对误差及各项数据的最大及最小值、算术平均值、平均偏离值、比测中误差。其中 SDH-13A、 CSS 两型仪器性能良好，中误差小于 0.1m。 DE-719 型较差，中误差最大的是南实 型的0.51m，且两型仪器均呈系统偏小的趋势。 回声仪测板比测分析数据统计详见表 1表 3。 考虑到数据的可比性，统计时又分别对各型仪器的同步比测点进行 了统计，包括把南实型仪器的比测点单独剥离出来进行同步统计，数据显示各型仪器的性能还是存在同样的差别。 将比测数据按 20m 为界分为大、小水深两组。比测数据7 / 9 显示南实 型系统偏小、南实 型系统偏大，两者平均则无明显系统误差。南实 型中误差为 0.30m，较 DE-719 回声仪的 0.35m 偏小。根据水深 20m 以内回声仪测深限差 0.2m， 20m以上测深限差 1%的标准，除南实 型呈超限状态外，包括DE-719 回声仪在内的其它各型回声仪性能均基本满足规定要求。 .床面比测数据分析 南实型仪器实际比测 16 点比测 15 点）， DE-719 型回声仪比测 37 点， SDH-13A 和 CSS 回声仪均比测了 38 点。统计数据显示，各种仪器性能与测板比测结果类似，即SDH-13A、 CSS 两型仪器性能良好，中误差在 0.1m 左右。 同一种仪器在高增益状态时所测水深系统偏小，证明仪器在低增益状态时对床面淤泥反应不灵敏。但从各仪器高增益状态中误差偏大的情形看，过于灵敏地反应床面淤泥回声信号与比测板绳测水深并不相符。这一数据证实弱反射面不能被视为床面，但这也不足以定量地界定床面承重能力或床沙容重。 考虑到数据的可比性，分别对各型仪器的同步比测点进行了统计。 数据显示各型仪器还是存在同样的性能差别，总体性能 CSS 型最好，南实 型最差。但单就南实 型而言，实测性能反而略好于 DE-719 型。 从按 20m 水深分级统计数据看，包括南实 型仪器在内8 / 9 的各型比测回声仪均能满足规定的实用性能要求。 SDH-13A、 CSS 两型仪器比测性能稳定，大、小水深均有较高比测精度 ;DE-719 型回声仪性能亦较为稳定但误差偏大，低增益时误差参数介于限差值附近。南实 型回声仪，受增益影响的情形一样。 分析结论 SDH-13D、 CSS 两型回声仪无论是在比测测板或床面时，还是在不同水深级的统计数 据中，均显示出稳定的性能和较高的精度，满足有关规范对回声仪测深精度的要求。其中测板比测精度相对更高。这说明当床面稳定时仪器显示出更好的性能。 DE-719 型回声仪因元器件老化，性能不太令人满意。但比测数据表明其测深数据没有系统偏大，从其测板比测与床面比测数据统计来看，该回声仪对淤泥层没有表现出 “ 穿透 ” 性，其总体精度显示能基本满足使用要求。 两部南实型回声仪的比测情况不佳，主要原因是仪器老化。所以比测中途就因元器件故障无法修复而退出比测，比测数据量不足，统计参数仅作参考。 本次比测特别考虑了床面比测时回声仪增 益调整的问题，高增益时水深系统偏小、低增益时与绳测水深吻合更好。这种现象在 DE-719 型、南实 型、 SDH-13A 型回声仪上的表现相同，说明具有普遍性。 SDH-13A 型、 CSS 型回声仪的测板比测较床面比测精度9 / 9 更高，从两仪器稳定的性能看，说明水库床面较测板更具复杂性、对超声波的反射不稳定。 从床面泥沙取样分析，泥沙粒径与容重并无直接相关关系。实际上，由于受采样器和人为操作影响较大，所采沙样未必正是床面处沙样，所以统计数据中找不出测深误差与床沙粒径和容重的对应关系。 丹江口水库淤积回声仪测量的实用效果 003 年秋冬季节，为配合实施南水北调中线工程水源地施工规划、论证与设计工作，长江