探讨回声测深仪在黄河河道泥沙淤积测验中的应用

探讨回声测深仪在黄河河道泥沙淤积测验中的应用
摘要：本文首先介绍了回声测深仪的工作原理，然后分析了回声测深仪测深误
差来源，最后探讨了回声测深仪在黄河河道泥沙淤积测验中的应用。

关键词：回声测深仪；黄河河道；泥沙淤积测验；应用
黄河是一条举世瞩目的多沙河流，其干支流水资源开发均面临着一个重要的无法逾越的
难题—水库泥沙淤积，泥沙淤积将是水库运用面临的突出问题之一，其泥沙问题也备受国内
外水利专家的关注。

1回声测深仪的工作原理
回声测深仪的型式繁多，但其基本的工作原理却都是一样，即在已知声速的条件下，将
声波发射和回收之间的时间测量出来，则距离就等于测得时间的1/2乘以声波在水中的速度。

D=t×c/2
式中:D—水深(距离），米；t-接收回波信号对发射脉冲的延时时间；c-声波在水中的速度。

声速(c)与水介质的温度(T)压力(P)含盐度(S)及泥砂等因素有关，根据维尔森公式:
c=1449.22+4.623T-0.0546T2+0.1605P+1.391(S-35) (m/s)
式中:T—水温(℃)；P—静水压力(MPa×10）；S—含盐度(‰）。

2测深误差来源分析
2.1水温、声速对测深精度的影晌
获取准确声速的办法是使用声速仪现场实测，由于水深较小，所以水温影响非常微弱，
可以忽略，但对于水深超过五十米的黄河河道，尽可能用声速仪，以获得更高精度的水深，
且结合使用测深杆、测深锤等工具进行比测。

2.2波浪对测深精度的影响
波浪对传统测深方法的影响是显而易见的，因为水面的起伏对于准确读取测深杆或测深
锤的数值是困难的。

但是，对于结合GPS进行实时测量、自动记录水面高程和水深的回声测
深仪来说，波浪并不影响最终通过水深和水面高程计算的河底高程。

因为，当测船随波浪上
下起伏时，实时测量记录的水面高程和水深也是同时变化且互补的。

在波浪谷底时的情况与
此类似，只是测量的水面高程和水深都偏小一个相同的值。

因此，可以说测船随波浪的上下
起伏对于通过水深和水面高程来计算河底高程的库区淤积断面测量来说没有影响，但测船的
左右摇晃会造成探头倾斜，从而影响测深的准确性。

所以测量时应尽量保持测船稳定，避免
测船倾斜，风浪较大时最好停止测深作业。

2.3吃水和天线高对测深精度的影响
测量前，一般要测量吃水(即探头至水面的距离)和天线高(卫星天线至水面的距离)，不管
在什么情况下这两者相加一定等于安装杆的顶端刻度数值。

测量时只需读取安装杆在水面的
读数就可得出吃水和天线高数值，如读数不准，则吃水影响水深，而天线高影响水面高程，
但却不影响最后计算的河底高程。

因为，水深=探头测量至水底的距离+吃水；水面高程=GPS
测量高程-天线高。

如果吃水增大一个值(△b)，天线高就要减小一个相同的值(△b)。

那么相
应地，测得的水深(H)就必然偏大(H+Ab)，而水面高程(Zf)则由于天线高少减数值△b而同样必
然偏大(Zf+△b)。

因此，两个相同的差值(△b)抵消后，实际河底高程(Zb)仍没有变化：
Zb=(Zf+△b)-(H+△b)=Zf—H。

2.4测深杆测量误差
测深杆测深受客观因素影响较大，特别是在风浪和流速较大的条件下，容易造成读数不
准和测深杆不垂直读数问题。

同时，测深又是一个集力量、技巧和经验于一体的技术工种，
对测深人员的素质要求较高，存在的不确定因素较多，因此测深精度会因人而异。

3回声测深仪在黄河河道泥沙淤积测验中的应用
3.1河底回波的结构
(1)对于正入射声波的情况，河底回波由3部分组成，并且这3部分互相统计独立与沉积
物交界处的镜面反射r(t)；(2)声波照射区起伏的分界面上的反向散射s(t)；(3)不均匀河底内部
的散射和分层结构的反射l(t)。

若是平坦的水底，回波从时间上可以分成3个阶段。

回波的起始阶段A为镜面反射部分
r(t)；中间阶段B则由表面散射s(t)和河底内部散射与反射l(t)共同形成；最后阶段基本只有为
水底内部分量l(t)。

这3个阶段的能量组成比例随底质类型和内部的不均匀(有分层或散射体)
程度而不同。

如果忽略多次反射的影响，则每一时刻的回波都是一个有厚度的球壳状声波照
射区内河底的散射与反射贡献之和，而该厚度为反射脉宽的一半。

对于回声测深仪而言，声
波发射脉宽很窄，则r(t)和l(t)时间上重叠部分很小。

而当水底不平整时，这3个阶段将混在一起，从时间上难以区分。

视水底表面的粗糙程度不同，s(t)可以从回波的前沿开始到任意位置结束。

3.2水底反射损失
这里谈论的水底均认为是液态水底。

即可用平面波在液态介质介面上反射系数来建立水
底反射损失的关系。

则液态界面上平面波反射系数为:
式中Ii为入射声强；c1为第1层介质声速；Ir为反射声强；ρ1为第1层介质比重；c2
为第2层介质声速；ρ2为第2层介质比重。

可以看出ρ2c2与ρ1c1的差别越大，反射系数越大，当ρ2c2=ρ1c1时，R=0，T=1，也就
是不产生反射，全部透射。

声信号的能量在沉积地层中传播时会产生吸收损失，吸收系数:α≈kf。

式中f为声波频率；k为与沉积层物质孔隙度有关的系数，当孔隙为35%-60%时，k≈0.5。

可以看出吸收系数α与
声波频率f成线性关系。

另一方面，在淤泥河底中，还存在散射系数，它与河底的泥沙粗糙度有着重要的关系。

即粗糙度比波长大的河底反向散射系数与频率无关；而河底粗糙度谱中有相当一部分粗糙度
小于波长时，散射强度随频率而增大。

回声测深仪通过其换能器向正下方发射一束圆锥形声波束，声波到达水底时一部分能量
被水底反射回来，得到一个很强的回波(海底回波对应声图的水底线)，一部分能量透入水底，在淤积层内继续向地层深处传播，地层内由于固体物质的散射和吸收，部分能量损耗，其中
部分能量反向散射回换能器，这部分的大小包涵了地层成分的信息。

声传播特性是由其介质
的密度(ρ)和声速(c)决定的，当遇到ρ、c发生剧烈变化的地层界面时会产生较强的反射，所
以可以在一定程度反映地层的分层结构。

从水体到淤泥，从淤泥到硬泥，ρ、c都发生变化，
所以在这两个界面上形成较强的反射，水体中的ρ、c变化很小，因此几乎不产生回波，而淤泥的结构不像水体那样均匀，因此其回波信号比水体的回波略强，但比容重较大的淤泥界面
回波弱；而当信号进入淤泥，特别是硬泥后，信号迅速衰减，无法进一步穿透，也就不能形
成回波。

由于不同频率的信号在介质中有不同的衰减规律，频率越高，其衰减越迅速，但分
辨率也越高。

则频率越低，衰减愈小、穿透率越大。

4结语
利用回声测深仪技术进行黄河河道泥沙淤积测验，使得泥沙淤积测验这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济，所以不失为一种先进的测量技术，必将得到更加广泛的应用。

参考文献：
[1]顾金海.水声学基础[M].北京:国防工业出版社，2003.
[2]SL257—2000《水道观测规范》[S].。