海洋技术▏参量阵浅地层剖面仪在航道港池浚后测量中应用

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浮泥是在淤泥质海岸及河口由悬沙絮凝沉降形成的、近底层具很大流动性的高浓度细颗粒悬浮沉积体。一般来说，浮泥层多存在于淤泥质海岸的港口航道或河流人海口处。在我国渤海、长江口等海域均有大面积的浮泥赋存在海底，自然状态下，由于海底平坦、水域宽阔，波浪、潮流等海洋动力因素影响较大，浮泥的厚度通常不会很大，一般在0.1～0.4m左右。但是在人工开挖的港池、航道中，由于地形的陡然变化，在港池、航道的底部会存留大量浮泥。国内外许多航道里浮泥层都比较厚。

例如，1976年在长江口浮泥调查中，在长江口铜沙航道挖槽内浮泥层厚度达到1.2m，挖槽两侧300～500m范围内浮泥层厚度0.3～0.6m，浮泥透镜体纵长达到28km，体积达到1.52×10⁷m³；广东珠海市九州港1987年10月港池浮泥层平均厚度1.8m，同期内航道浮泥层平均厚度1.3m；连云港庙岭港区1979年9月18日试挖槽内浮泥层厚度约3.4m，外航道内约1.0m；委内瑞拉奥利诺科河博卡格朗德河口浮泥层厚度6m，卢瓦尔河口的浮泥层厚度2～3m；泰晤士河，塞汶河、吉伦特河河口浮泥层厚度一般是2～4m；黄河口烂泥湾浮泥层厚度很大。由于浮泥层几无力学强度，它的存在对航行并无明显影响，但又因为其高含沙浓度而致使，传统的测深设备无法穿透浮泥层而获得实际水深数据，从而无法揭露真实的海底水深地形情况，如果加大疏浚深度，施工成本又会急剧增加。因此，选择何种手段准确测绘浮泥层厚度以及水深地形成为确定适航水深的关键问题。

一、浮泥探测原理与方法

⒈声学探测原理

当前水下探测主要借助于声学手段，即利用声波在穿越不同密度的介质时在分界面上的反射波。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，声阻抗差别越大，反射的声强度越大。反射能量与入射能量之比值，称为反射系数，即：

反射系数＝入射的声波能量/反射的声波能量    ⑴

当声波垂直投射到两种声阻不同的介质分界面时,声强反射系数Rl为:

R₁＝（ρ₁C₁－ρ₂C₂）/（ρ₁C₁＋ρ₂C₂）   ⑵

式中：ρ为介质密度，C为介质中的声速；ρC为介质声阻抗。由式⑵可见，当两种介质的声阻抗ρ₁C₁＝ρ₂C₂时，R_l为零，无反射；当声阻抗不同时，则有回声。该回声的大小与入射的声波能量及分界面上两种声阻抗不同的介质有关。

⒉浮泥探测方法

当前，应用比较广泛的浮泥探测设备为单波束双频测深仪。双频测深仪是一种单波束双频测深设备，相对于原来的单频高频测深仪增加了低频工作部分。低频声波在介质中的衰减较高频声波慢，穿透性更好，可以穿过反射系数较小的界面，传递到更深处，即高频信号可以探测浮泥顶界面，而低频信号则可穿透浮泥层探测其底界面，从而得到准确的浮泥的空间分布状态。但是双频测深仪的低频信号频率为几十千赫兹，当介质中悬浮颗粒浓度高且悬浮颗粒粒径大时，声波能量在介质中的散射衰减亦很快。声波在介质中的散射衰减经验公式为：

а＝nd^3as/λ^2a   ⑶

式中：а为常数，n为单位体积内所具有的颗粒数，d为颗粒直径，s为散射因子。

由经验公式可知：当悬浮颗粒的直径小于0.01～0.1倍的声波波长时，散射衰减不大，可以忽略；当悬浮颗粒的直径大于0.1倍的声波波长时，必须考虑散射衰减；当悬浮颗粒的直径大于声波波长时，散射衰减极大。因此，当浮泥中悬浮颗粒粒径较大时，如港池航道疏浚过程中扰动悬浮的粗颗粒泥沙，双频测深仪的低频信号会较快的散射衰减而无法穿透浮泥层抵达浮泥层底界。这种情况皆因前测深仪的技术规格的局限性所致，要解决这一问题唯有增大发射功率并采用频率更低的声波信号。此种情形下，兼具测深功能的参量阵浅地层剖面仪对浮泥探测的优势凸显。

声参量阵是利用水介质的非线性特性，使用两个沿同一方向传播的高频初始波在远场中获得的差频和频波的声发射装置。参量振声纳在高压下同时向水底发射两个频率接近的高频声波信号(f1，f2)作为主频，声波在水介质中传播时由于水的非线性效应而形成差频波，改变两个主频频率就可以控制差频波的频率，当换能器发射声波作用于水体时，在换能器以下会产生一系二次频率，如f1、f2、（f1+f2）、(f1-f2)、2f1、2f2等声波信号，因f1、f2的频率非常接近，所以差频(f1-f2)的频率很低，可低至几千赫兹，具有很强的沉积层穿透力，可以用来探测海底浅部地层结构，反射的主频声波信号用于精确的水深测量。

由于主频的频率高，换能器可以制作得很小。产生的差频声波信号强度比主频声波强度稍高，衰减较慢，传播达到一个衍射单位长度时，声强最大，然后逐渐衰减。差频声波信号与高频时的波束角非常接近，且没有旁瓣，因此波束指向性好，具有较高的分辨率，可控的差频声波信号可以反映更多的沉积层信息，以便于对沉积层的分类识别。

二、参量阵浅地层剖面仪在浮泥探测中

的应用

德国Innomar公司生产的SES-96参量阵浅地层剖面仪其发射震源与接受信号为同一换能器，换能器尺寸0.2m×0.2m，重约20kg，通过安装杆可以方便安在单侧船舷上，GPS定位仪可直接固定在安装杆上，定位点与测量点为同一点，不需校正。SES-96参量阵浅地层剖面仪采用两个100kHz的频率作为主频，由于100kHz的换能器有一定的带宽，因此利用二者之差可以获得多个低频。测量时可以根据测区的具体情况，通过软件来选择所需的频率，SES-96的可选频率有4kHz，6kHz，8kHz，10kHz，12kHz等。当前，SES-96参量阵浅地层剖面仪已在港口勘察、海底管线探测等方面广泛应用，但是应用于港池航道的浚后水深测量则比较少见。

⒈工程实例

2010年4月，青岛海西湾某码头进行了港池开挖。疏浚区位于海西湾湾顶西岸（图1），天然水深介于2.0～6.0m之间，海域相对封闭，水动力条件较弱，浅层沉积为流塑-软塑状态淤泥质粉质粘土。疏浚方案要求开挖至12m水深，边坡按1∶5放坡。

图1  疏浚港池位置示意图

港池疏浚完毕，随后用双频测深仪（高频200kHz，低频24kHz）进行水深测量，并辅以水坨测量。结果发现，测深仪所测水深均较相应的坨测点水深明显偏小0.5m左右，无法满足疏浚方案设计要求，而坨测疏浚则显示港池疏浚后水深已满足设计要求。为查明这一问题并获得准确的水深数据，施工单位及业主单位委托国家海洋局第一海洋研究所运用SES-96参量阵浅地层剖面仪再次对疏浚后的港池水深进行了测量，并在11.0m、12.0m深度处浮采取泥样。

SES-96测量结果显示，其高频信号反射界面（R0）连续平缓，与双频测深仪所测数据吻合，在R0之下约0.5m处存在一不规则反射界面（R1），发射能量较强，界面连续。R0、R1之间存在一声学透明层，层内没有明显回波信号，表明该层内部物理性质均匀（图2）。

 图2  港池浚后剖面典型声学影像

浮泥层厚度在港池内分布无明显规律，其顶界面呈水平状，底界面则随疏浚深度变化而变化。因此，浮泥层厚度取决于疏浚底界的深度，在局部“漏挖”区，浮泥随疏浚面的变化逐渐尖灭，而在“过挖”区，浮泥层局部厚度则可达1.0m。

浮泥样品的室内试验采用激光粒度仪对不同深度取得的5个浮泥样进行了粒度分析，分析成果见表1。

表1  浮泥主要物理性质成果表

注：h为取样深度，□为浮泥重度，ρ₀为悬浮体浓度，D₅₀为中值粒径

由表1可以看出，粒径小于0.004mm的粘土组分是构成浮泥的主体，其含量介于62.15%～82.32%之间。浮泥样品的重度均明显大于海水10.25kN/m³的平均重度；不同深度处样品的悬浮体浓度也表现出了明显差异，即11.0m深度处（3、4号样）的悬浮体浓度明显低于12.0m深度处的悬浮体浓度，这表明浮泥在港池疏浚过程中因扰动形成，在重力、自重的作用下不同颗粒组分会缓慢沉降固结，粒径较粗的粉砂组分会率先沉降，而粒径极细的粘土组分则因絮凝作用以及环境动力的影响而长时间处于悬浮状态，从而使其重度区别于海水，产生明显的声学界面。此外，即使12.0m处的浮泥重度达到12.0kN/m3左右，仍远小于淤泥28～32kN/m³的重度，此差异便可产生明显的声学界面而被低频声波信号捕捉。且根据国内外的相关研究，当浮泥重度在11.51～13.47kN/m³时，不会对船舶航行安全产生不利影响，满足“适航深度”的要求。

基于以上分析，辅以水砣验证数据，即可准确识别出港池疏浚底界。后期船舶通航情况证明，该方法获取的港池深度满足船舶航行的要求。

⒉讨论

第一，仪器的选择。港池航道疏浚过程中因扰动产生的浮泥区别于自然状态下的浮泥，其悬浮体浓度更高，粒径稍粗，且悬浮体一般以絮凝状胶粒的形态存在，因此而一般单波束双频测深仪的低频信号在浮泥层内快速衰减，无法探测到浮泥底界面。参量阵浅地层剖面仪能够灵活的选择声波频率，发射能量较测深仪更高，选择合适的信号频率则可穿透浮泥层抵达浮泥底界，从而识别出浮泥层底界面的分布状况。实践证明，SES-96参量阵浅地层剖面仪青岛海西湾某港池浚后测量的应用效果良好，所识别的港池水深与水砣验证数据吻合度极高。

第二，关于航道的设计。浮泥具有很高的流动性，易受潮流、波浪的影响而运动。由SES-96揭露的浮泥分布情况可以看出，在“漏挖区”的浮泥无法赋存，而“过挖区”浮泥厚度则更大，这表明浮泥在港池内的分布受海洋环境动力的控制。因此，在港池航道设计时应考虑浮泥的运动特性，航道港池长轴向尽量与潮流主流向一致，且要适当增大港池面积，降低边坡坡度，增强港池内水体与外界水体的交换能力，减轻浮泥在港池内的淤积程度。

三、结语

⑴泥探测手段的选择要根据具体情况而定。对于因航道港池疏浚扰动产生的浮泥，因悬浮体浓度大，悬浮颗粒较粗，常规的单波束测深仪因声波频率、发射功率等因素限制而无法探测浮泥底界面。SES-96参量阵浅地层剖面仪发射功率较测深仪更大，低频信号可低至几千，可穿透浮泥层而揭露港池疏浚底界面的形态，是进行浮泥探测的有效方法。

⑵浮泥含沙量高，流动性强，其在海底的赋存状态与周边海洋动力环境密切相关。港池航道开挖后水深明显大于周边自然水深，港池内部水体相对封闭，与外界水体的交换困难，从而导致浮泥在航道港池底部赋存。鉴于此，建议港池航道的设计过程中应考虑设计方案对浮泥的影响，尽量加大港池疏浚面积，减小开挖边坡坡度，以利于港池内水体与外界的交换，减轻浮泥在港池内的淤积。

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END

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【作者简介】文/陶常飞 胡光海 刘敦武 徐永臣 吴永亭 张海泉，分别来自自然资源部第一海洋研究所和中国海洋大学；第一作者陶常飞，1981年出生，男，工程师，主要从事海洋调查与观测、海洋基础科学；文章来自“第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集”（2011年8月出版），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，本文编发获得了作者授权。

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