基于SILAS系统的湛江港宝满港区浚前淤泥测量技术_2010年中国航海学会测绘学组学术研讨会学术交流论文

1. 引言 根据《淤泥质海港适航水深应用技术规范》(JTJ/T325-2006)的表述，床面泥沙颗粒中值 粒径＜0.03mm，淤泥颗粒之间有粘结力并在海水中呈絮凝状态的海岸港和河口港为淤泥质海 港。 因为淤泥质海港岸滩物质组成较细，絮凝状的泥沙颗粒在潮、浪作用下，主要呈悬沙输 移，沉落到水底后，在尚未密实前的一段时间内具有很强的流动性，易发生浮泥现象，浮泥 性质与水相似，几乎不存在抗剪切力，可供航行，浮泥密度的上限一般认定为 1200-1250 ㎏ [1] /m³，下限为 1030-1080 ㎏/m³ 。随着水体中悬移的泥沙沉落增多，浮泥进一步密实，逐渐 形成流泥，密度范围一般为 1250-1550 ㎏/m³。当孔隙水被排走，密度增加到 1550-1700 ㎏/m ³时，在水流作用下不会再直接悬扬，属于流塑淤泥的范畴。 现今，随着各深水港池航道挖槽水深越来越大，回淤加剧，疏浚的泥沙抛沉于航道两侧 时，床面的泥沙容重小，更易起动，在遇到合适的动力条件，则集中于航槽，浮泥回淤问题 可能更加突出。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。 由于密度分层不易界定，淤泥测量至今仍然是个较为复杂的问题。国内过去一般使用γ 射线密度计和三爪砣法测定淤泥密度。然而，操作放射性设备需要严格的技能培训和特殊的 施工许可，且工作效率低，对人员和被测区域环境有潜在的放射性危害，安全性不易控制。 [2] 三爪砣测量 ，简单灵活、价格低廉、操作安全简便，但其对测量环境要求较高，依赖于制 造、测量环境、测量员的感知和熟练程度，精度较低。由于是纯粹的人工作业，其效率也低 下。 近年来，海测大队引进荷兰 SILAS 走航式适航水深测量系统进行淤泥层厚度的测定，取 得了较好的效果。 2. SILAS 系统原理 SILAS系统利用双频测深仪发射低频声波信号，声波在通过的声阻抗不同的两种介质时， 在媒界面上将产生反射，密度差别越大，则声阻抗差别越大，反射的声强度也就越大，这种 密度上的差别被定义为“密度梯度”。由于声波的反射和密度梯度之间的关系是已知的，即 每一次反射都是因为密度的梯度变化引起的，因而可以对密度梯度进行量化处理。利用标定 过的声源信号来记录反射信号的强度， 以及根据声源信号的增益(放大倍数)及时变增益(TVG) 等参数就可以高精度地测定密度的梯度值，再根据密度梯度的变化，求取每个特定深度上的 [3] 相对密度值 。 再通过使用密度计进行单点密度测量(图一)，建立起反射强度和绝对密度之间的对应关 系，从而确定整条断面不同深度上的密度值。藉此推算出泥质属性相同的测线和每个给定密 度值所对应的水深值，同时提取各点的定位值，则相应密度层水深值减去高频水深值即为该 密度层厚度，如图二所示。
图五、厚度等值线图，以 1225 ㎏/m³密度层为例。
图六、表面图的绘制. 3.2.4. 高频水深图和低频水深图的绘制
图七、上图为 11 月高频水深表面图、下图为 6 月开挖底床面原状图 3.3. 成果分析及淤泥土方量估算方法 由以上等值线图和曲面图可以看出，航道交接处、码头前沿以及港池中间抽沙管附近几 个区域回淤比较大，结合高频水深分析，以上几处水域主要为经过部分疏浚形成的水深相对 较大的凹坑，加之附近有吹填抽沙作业，泥沙迅速汇集，回淤速率剧增，在支航道与龙腾航 道连接处，由于水深落差较大，也容易造成泥沙淤积。 此外，因为受到7‐10月几个强台风的影响，11月高频水深与6月相比，整体水深变小，而 经过一段时间的淤实，同一密度值的低频水深也有所减小，尤其是上述几个重点水域。 本次测量采用2009年6月的低频原状水深图和11月的高频水深图为依据计算得到初次数 据后回淤土方量，采用2009年11月的高低频水深图为依据计算得到11月施工前淤泥总量。 淤泥土方量计算通常采用积分近似的方法，以测得的高频水深、流泥层底部点以及淤泥 层底部点的三维坐标分别生成水下的曲面高程模型，由于空间曲面的表示方法的差异，近似 的计算方法也不一样，Surfer同时采用三种方法计算曲面：梯形法、辛普森积分法和辛普森 3/8法，最后计算得出每两层模型间的体积即为淤泥的土方量。 由几次计算结果可知， 梯形法和辛普森法计算所得土方量较为一致， 辛普森3/8法则有微 小的差值，另外，经过与采用淤泥厚度在HYPACK软件中计算所得土方量对比分析，几种方法 计算所得回淤量较为接近，在同一个数量级上。 3.4. 精度分析 淤泥测量通用的精度分析方法有两种， 一种为主检测线重合点比对， 即比较内符合精度； 一种为 SILAS 密度分划值与密度计测量绝对密度的多余观测值进行比对， 即比较外符合精度。 《淤泥质海港适航水深应用技术规范》(JTJ/T325-2006)给出以下中误差计算公式：
图四、几种常见粗差图像 上图为常见粗差图像，①为过往船只螺旋桨产生的尾流造成的体积混响，尾流中产生的 气泡存留在水体之中， 当声波辐射到气泡上， 气泡在一定程度上和入射声波一起压缩和稀疏， 气泡受入射波激发的响应与声波的频率和气泡的大小有关，在某一频率上，会发生共振，能 量的一部分被气泡向各个方向散射，导致测深数据丢失。在内业处理时，需内插水深。 ②为多重回波，通常发生在浅水区，特别是相近的船底和水底构成强反射体，容易形成 造成临近测量回波相互干扰问题。浅水测量时，水底、船底、水面形成了声波的几个反射面， 而且这些反射面的反射效果很强，非常容易造成声波在的多次反射，同时这种情况下的反射 有一个特点，那就是能量都比较集中，所以反射容易持续下去。判断多重回波有个简单的办 法，从图像上可以看出，水深整数倍深度的回波通常为假。 ③为声波在海水中遇到漂浮物，如悬沙、鱼群等，发生的反射现象。内业处理时需增加 信号强度过滤，结合人工判读进行取舍，若悬浮泥沙太多，可以参照不同水质与底质特性尝 试调节吸收参数设置。 ④为换能器振铃现象或表面噪声干扰回波造成的浅水区混响，外业测量和内业处理时均 可通过盲区控制进行过滤。 此外，在经过边坡和地形陡变水域时，由于波束角效应易造成漫反射和高低频信号不同 步，从而形成假水深，内业时可以采用降低仪器放大器的增益，使记录在换能器正下方的回 声显示较强，而漫反射的回声则显示较淡，然后通过人工判断得出较为正确深度。 3.2.3. 淤泥厚度等值线图及表参考记录纸和Acquisition模块声信号采集情况，在 主测线与副测线或检查线交叉且淤泥较厚处设置，如图三所示。
图三、测量区域与测线布设 3.1.2. 外业测量误差控制： 双频水深测量的主要误差源有： (1)安装误差；(3)时延误差；(2)姿态误差；(4)潮汐测量误差；(5)声速误差。 上述误差源中， 换能器安装误差、 仪器的时延误差均可通过校准的方法获得， 并可在SILAS 后处理软件中进行补偿；姿态误差可通过在良好的海况下进行测量、控制船速并合理使用涌 浪滤波器等方法削弱；潮位属系统外观测量，可通过外部手段提高精度；声速误差可通过采 用声速仪实测并在SILAS处理软件中根据经验公式以及采集信号强度进行改正。 除上述误差外， 一些外部环境因素， 如声波遇到鱼群、 海草等浮游生物、 回波的二次反射、 浅水混响、发射余振、过往船舶的尾流及海水中气泡的影响等，都会干扰正常声信号的获取， 容易造成粗差，因为淤泥测量采用低频声波信号，加之本次测量区域港池航道经过部分疏浚 [4] 回淤，水深差异大，不易通过常规滤波方式剔除。根据研究发现 ，浅海航道的噪声频谱分 布一般在 100Hz-30kHz 范围内，故在进行测量时，工作频率应尽量避开这个噪声范围。此外， 通过 DF-3200MK II 双频回声测深仪自动增益控制(AGC)、门限控制(THRESHOLD)、盲区控制 (BLANKING)、发射脉冲宽度调节等功能，可以有效降低海洋噪声的影响，从而提高水深数据 的准确率。 密度测量的误差主要有以下几种： 1)采样点位置偏差造成的误差 一般说来，采样点与实际测线的距离不要超过 5 米，越近越好，如果距离过远，在后处 理计算密度层时，应予以剔除。因此，一般应在完成声信号采集后进行密度采样，此时可根 据航迹线和记录纸情况选择采样点，如在测前进行采样，则应布设通过采样点的测线进行声 信号采集。此外，实际采样时，可根据水深情况尽量选择开阔区域，定位误差对结果的影响 较小。如底质变化较大，则应进行加密采集。 2)音叉采样时的倾斜误差
当音叉测量端到底后会倾斜，导致倾斜角度突然加大。基本上，如果倾斜超过 10-12 度， 说明探针已到达最大深度，须在内业处理时剔除。 3)密度计粗差 当音叉接触某些硬物或砂质层，容易导致假信号生成。单点假信号可放心删除，但两点 或三点以上的假信号需要现场根据分层的结构判断。此外，当快速放下探针或因为浮泥层很 薄，可能会采集不到数据，如外业采样时未能发现，内业处理时尽量避免使用数据删除，应 通过增加和移动点位进行内插修正。另外，外业采样时宜选择有代表性的浮泥层，按照一般 经验厚度超过 0.70 米的位置较为合适。 综上所述，在良好的海况下，按照流程操作进行作业，合理安装和设置仪器参数，控制船 速、适当进行补测，可以有效降低外业测量误差。 3.2. 内业处理及成图计算 3.2.1. 内业处理流程 淤泥测量内业处理主要有两个步骤： 1)采用密度计后处理软件 RheoEdit 模块对密度采样点进行分析处理、剔除粗差，生成密 度梯度； 2)使用 SILAS 后处理软件 Processing 模块进行外业采集地震数据与定位数据进行匹配， 生 成项目工程，然后进行声速、吃水改正及潮位改正，底跟踪生成高频水深，与测深记录纸比 对、参照，人工判断进行粗差剔除，利用软件中密度计算功能，加入密度梯度，对淤泥层按 不同密度进行分层，最后生成、输出结果，结果形式为“X 坐标，Y 坐标，高频水深，低频 水深” ，则某密度下淤泥层厚度为该密度对应低频水深与高频水深之差。 按照输出结果绘制高频水深图、1225 ㎏/m³、1550 ㎏/m³等密度对应低频水深图及厚度 等值线图。 3.2.2. 几种常见粗差的内业判别
图一、RheoTune 密度计测定密度值
图二、本次测量中某测线断面，其中蓝线为高频水深值，红线为浮泥密度层底部对应 水深值，黑色圆圈为图一测定密度梯度，最下方的圆圈处曲线为测定淤泥层分界线， 即回淤量起算面。 3. 技术应用 宝满港区位于湛江港二区南至东海岛大堤之间，水陆域宽阔，地质及水深条件较好，海 岸稳定，集疏运条件好，是湛江港发展现代物流业、建设大型集装箱码头的良好区域。该水 域底质大部以沙泥为主，部分为泥质，沙源充沛，有利于浮泥的发育，加之前期散货码头及 北部蓄泥坑进行吹填施工，导致港池及支航道水域回淤严重。根据湛江港务局宝满港区泥沙 淤积分析及数模研究项目情况，海测大队于6月对回淤水域进行测量，测定开挖底床面，11 月对固定断面进行了复测。测量区域如图三蓝色测线所示。 3.1. 外业测量与质量控制 3.1.1. 数据采集过程 声信号采集使用DF-3200MK II双频回声测深仪，频率通常选择高频200 kHz或210kHz， 低频24 kHz或33kHz.。密度采集若使用Densitune密度计，必须进行校准工作，如果选用新一 代的Rheotune产品，则不需要校准，采样前应进行音叉感温及温度、深度校正。采用DGPS进 行定位数据采集，利用Hypack软件共享内存将坐标和时间数据实时输出给Silas Acquisition 数据采集模块，进行时间同步校准。