利用浅层剖面仪测定深圳茅洲河淤泥量研究Word文件下载.docx
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毕业设计（论文）外文摘要
Abstract:
ThisthesismainlyconductsaseriesofstudiesonShenzhenMaozhouriverwaterdepth,underwatertopography,amountofsilt.TheadvancedshallowstratumprofiledetectiontechniqueisusedtosetthemeasuringlinewiththehighprecisionGPSsystemtorealizethethree-dimensionaldetectionofthesiltlayerintheShenzhenriver.UsingISEsoftwaresystemofdataacquisitionforsiltlayerspaceofthestatusquoanalysis,andtheprocessingandanalysisofthedetectionresultsandtheimagereconstructionarerealizedbyusingthehighresolutiondataprocessingtechnique,lookingforclearandconsistentstratigraphicboundary,finallyintheimagemeasurementthicknessofsilt.Usingthemethodoftrianglecolumntocalculatetheamountofsilt.
Keywords:
Sub-bottomProfiler;
Siltcontent;
Underwatertopographicsurvey
目录
1绪论…………………………………………………………………………1
1.1研究目的及意义………………………………………………………1
1.2国内外现状和发展趋势………………………………………………1
1.2.1国内现状…………………………………………………………1
1.2.2国外现状…………………………………………………………2
1.2.3发展趋势…………………………………………………………2
1.3研究内容………………………………………………………………3
2浅地层剖面测量……………………………………………………………3
2.1仪器介绍………………………………………………………………3
2.1.1浅地层剖面仪……………………………………………………3
2.2功能及应用领域………………………………………………………4
2.3工作原理………………………………………………………………4
3SES-2000compact水下测量………………………………………………7
3.1验潮……………………………………………………………………7
3.1.1潮汐原理…………………………………………………………7
3.1.2验潮方法…………………………………………………………8
3.1.3验潮数据…………………………………………………………9
3.2仪器操作………………………………………………………………10
3.2.1仪器检测…………………………………………………………9
3.2.2仪器安装…………………………………………………………9
3.3三角网图………………………………………………………………11
3.4ISE处理………………………………………………………………12
3.4.1软件系统特点……………………………………………………13
3.4.2数据成图…………………………………………………………13
3.5淤泥量计算……………………………………………………………16
结论…………………………………………………………………………18
致谢…………………………………………………………………………19
参考文献……………………………………………………………………20
1绪论
1.1研究目的和意义
茅洲河为深圳市第一大河，是深圳与东莞的界河。
由于上游地形多属丘陵台地，植被受破坏，水土流失较严重，造成中下游河床逐年淤积，河道弯曲浅窄，加上受海潮顶托，行洪不畅，江海堤围单薄、低矮，每遇台风暴雨，泛滥成灾。
图1-1深圳茅洲河示意图
自中华人民共和国成立以来，当地政府多次对茅洲河综合治理，采取工程措施和疏通上中下游，大江截流采取顺，挖深河床加宽堤防加高加厚，低洼地区排水涵洞等配套工程。
这一系列的工程措施控制洪水灾害早钓鱼威胁，促进农业生产的茅洲河流域和副业的发展。
然而，茅洲河治理尚未实现的目标，并经常维修工作跟不上要求，现在河床低路堤薄淤积越来越严重，继续整治茅洲河水利工作的主要任务。
为了恢复河道正常功能，促进经济社会的快速持续发展。
我单位受深圳某单位委托，对深圳茅河淤泥量以及开挖深度的测定，进行河道清淤疏浚前期的淤泥量测量工作。
显示探测区域的水深、淤泥层各层深度。
精确计算出淤泥量，为后期河道清淤提供准确、科学的依据。
1.2国内外发展现状和发展趋势
1.2.1国内现状
我国对浅地层剖面仪的研制是从上个世纪70年代开始的，在“八五”期间，我国科学院和地质矿产局计划研制出穿透性能较强的中地层剖面仪，在“十五”期间，研制一种深拖式超宽频的海底剖面仪在国家“863”计划之后开始展开。
到目前为止，在我国HQP-1型浅剖、HDP-1型浅剖、CK-1型浅剖、QPY-1型浅剖、SES-96型浅剖、GPY-1型浅剖、DDC-1型浅剖、PGS型浅剖、PCSBP型等浅层剖面仪相继研制成功。
在这些剖面仪中，PCSBP型脉冲压缩式浅地层剖面仪是中国科学院声学研究所研制的，并且达到了国际先进水平。
1.2.2国外现状
地层剖面仪的研究始于20世纪始于60年代。
50多年来，声学技术、电子技术、数据攴集与信号处理等技术的迅速发展以及人们对我地层探测技术设备的需求，促进了地层剖面探测方法在理论上和技术上的不断发展。
目前已广泛应用的地层剖面仪有美国产PTR-106型、Bathy2000P型和Edge-tech公司的X-Star型地层剖面仪、英国SES的浅剖、英国AAE公司的浅剖系列声源和震源产品、荷兰GEOMarineSurvey公司的浅剖系列声源和震源产品、挪威的挪威的TOPASPSO18型地层剖面仪等。
1.2.3发展趋势
随着水声学、电子技术和各种新算法的不断兴起和发展，海底声学探测技术正在由基础结构探测向地质属性探测与识别的方向发展，随之推动了水底浅地层探测技术新思路的提出，同时对各种先进技术的融合，随着技术的不断进步，人们对浅地层剖面仪的探测性能也有了越来越高的要求。
（1）多波束技术应用
提高地层剖面仪的穿透深度与分辨率是一直都在探讨的问题，以往的研究提出了各种的观点和方法，而多波束技术的应用是增强浅地层剖面仪性能的另一种有效途径，同时也将浅地层剖面仪的使用拓展到了新的应用领域。
能够发射窄波束的多波束浅地层探测系统特别适合用于复杂水下地形和沉积层倾角随距离变化的情况，它可以接受并分辨自不同方向的浅地层回波信号。
多波束浅剖系统可以接受到包括垂直方向在内的多个角度方向上的散射回波信号，工作效率高，获取信息量大，可以得到较大面积水域底层沉积物信息，在水底地形全覆盖测量方面有着非常广阔前景。
（2）接受基阵的改进
国外参量阵多波束浅地层剖面测量技术以发展到了较高的程度。
为了达到更好得探测效果，很多参量多波束浅地层探测设备采用了大尺寸低频接受基阵，这就造成了信号接受系统复杂、成本太高、不利于推广应用等缺点。
由于参量接受基阵的基本原理和构成都很复杂、成本很高，从而至今不能像参量发射基阵那样能够对多波束浅地层探测系统进行改进，这应该是未来应该重点着手解决的一个问题。
1.3研究内容
研究采用的是先进的浅地层剖面探测技术，利用SES-2000compact向水底发射的声波，经过水下地形以及不同介质的淤泥层反射，经接收阵列接收水底的反射和散射波并处理成像。
利用高精度的GPS系统设定测线，实现深圳茅洲河水下淤泥层的三维探测，用ISE软件系统对采集数据进行淤泥层空间现状进行分析，并采用高分辨率数据处理技术实现对探测结果的处理分析和图像重建。
经过开挖验证，确认淤泥成分，并且验证该实验方法的可行性。
通过对当地验潮数据的采集，最终对淤泥开挖深度的确定。
2浅地层剖面测量
2.1仪器介绍
2.1.1浅地层剖面仪
当我们需要探查海床、河床以下浅部底层、灾害地质因素、埋设物的等分布情况时，需要使用一种工作频率相对较低，对水下底层有一定穿透能力的设备来实现，这就是地层剖面仪，又称地层地震剖面仪，主要是指利用声波在水中和水下淤泥间或者不同介质之间传播和反射的特性来测量水底地层剖面结构性质的设备。
正常采用走航式测量方法，其主要特点是探查水下地层各个介质的组织结构及性质。
浅地层剖面仪的地层探测深度通常为几十米，大多数的浅地层剖面仪穿透地层的功率比较差，但是纵向分辨率却比较高，目前主流产品纵向分辨率可达0.1m。
浅地层剖面仪的声信号发射器为一般为压电式和电磁式也有少量采用电火花放电式。
图2-1浅地层剖面仪图示
中层和深层剖面仪地层探测深度分别为几百米和数千米。
中、深地层剖面仪功率较强，分辨率则较低。
深地层剖面仪的声信号发射器一般为电火花放电式和高压气枪式。
另一种分类方法：
也可按载体安装方式的不同分为船载型和拖体型两种。
2.2功能及应用领域
地层剖面仪是在回声测深技术的基础上发展起来的，其原理与测深仪相同，只是采用的频率和发射功率不同。
其换能器需安装走航船上或拖曳体中，工作的时候，发射器向水下不断地发射大功率的低频声波，每当声波遇到水底或者水下地层界面不同的介质时，部分声波会反射返回接收器，部分声波继续向下传递。
在声波穿透地层时能够达到的深度受到多方面因素的影响。
比如发射声波的振动频率，以及水底表层对声波的反射系数和散射系数，水下沉积物的组成密度等性质以及沉积物对声波吸收系数等因素的影响。
当发射声源一定时，仪器能够探测达到的最大的深度跟仪器的最高工作频率成反比。
仪器根据接受发射器发射的声波经过水下各地质层的反射的时间差来探测水深，接收到的回波信号经处理后，仪器会自动绘制出水下及沉积物的剖面结构图。
浅层剖面仪探测的优点：
（1）探测速度快；
（2）操作简便；
（3）记录图像连续且经济等优点，
目前，浅地层剖面仪在港口建设、航道疏浚、海洋地质调查、海底管线布设等许多方面有着广泛的应用。
2.3工作原理
浅地层剖面仪的主要是利用声波在不同的介质中传播和反射的性质的一种声学探测技术方法。
测量时，发射器会对水下地层发射连续不断的声波，对水下的分层结构进行连续不断地探测,经过回波的接收、成像，获得直观明确的浅地层剖面的组织结构。
从声学机理上，我们可以将浅地层剖面仪划分为线性声源以及非线性声源两大类，线性声源具有较大的功率并且穿透深度较深,但是体积比较大。
非线性声源的体积小比较轻便,但是穿透深度比较浅。
图2-2SES2000compact示意图
现在，在我国使用频率较高的浅地层剖面仪主要有以下几种：
（1）我国中科院等单位研制出的GPY系列的浅地层剖面仪；
（2）德国的SES96浅地层剖面仪；
（3）美国生产的DPS系列,ORE型和EG&
G型等浅地层剖面仪；
声波是由物质运动产生的，它是一种物质运动形态的一种，通过分子间相互间的作用力的作用将粒子间的振动不断地传递，由近及远。
在不同的介质中，声波的传播速度是不同的。
声波传播速率主要受介质密度和压力的影响。
浅地层剖面仪的工作方式与回声测深仪的工作方式相似，工作频率相对较低。
然而深度探测仪器只能测量到水底的深度，而浅层剖面仪不仅可以探测到水底的深度，还能探测到发射器下方地层或者底部沉积物的深度，反映水下介质各层分层情况以及各层介质的特征。
浅地层剖面仪发射机按照一定的时间间隔的垂直向下的发射声波，声波到达水底的底部，部分声波反射，返回到接收机，被接收机接收。
另一部分声波将继续穿透到深层，达到不同的介质层时，声波又会返回被接收，如此反复，声波能量逐渐消损，直到耗尽为止。
当声波的反射系数比较大时，接收到的回波信号强，相，则相对较弱。
所以，浅地层剖面仪接收到的回波信号中存储了大量的有用的地质信息。
浅地层剖面仪是利用回声测深原理设计的。
在工作过程中，改装后的测量船上固定主机和定位系统。
利用GPS导航，按照预定方向的路线航行。
测量船按照一定的速度匀速行驶，发射和接收阵列放置在水面以下，通过记录、观察和分析，声波在不同介质中的反射，可以了解沉积物的性质特征，我们可以直接识别地层的地质构造经过主机的放大增益和滤波处理后，它可以实时探测水下地质条件，并用通过纸张输出或数字形式输出。
图2-3浅地层剖面仪工作原理图解
测量水下沉积物的厚度,实际上就是直接测量计算出声波穿过各地层传播来回的时间差,从而间接求出淤泥层的厚度。
例如ΔT表示声波在穿过两个不同界面时的时间差,表示的是声波往返两次穿过该介质的上下两个界面的时间,C表示穿过该地层时的声速,这样就可按以下公式算出该地层厚度。
（公式2-1）
（2-1）
w表示地层厚度（m）；
C表示穿过该地层时声速（m/s）；
ΔT为声波来回穿过地层的时间（s）
声速c随着介质的不同而不同,为当声波向下传播时,声波达到水底后,部分声波经过反射返回到接收器，被接收器接收；
另一部分声波将穿透地层，向深处传播，当声波达到不同的介质层时，发生反射和透射，声波又会返回被接收，如此反复，声波能量逐渐消损，直到耗尽为止在达到不同的介质层时,它的反射强度和地层的反射系数R有关。
反射系数R见公式（2-2），
（2-2）
P2V2,P1V1分别表示声波穿过两层介质的密度和声速,由上面的式子可知道，要使得声波能够反射，介质之间必须有较大的密度差以及较大的声速差,也就是说介质的组成成分要不一样才能反射。
如果相邻两层有一定的密度和声速差,其两层的相邻界面就会有较强的声强,剖面仪显示会明确清晰的反映介质层。
根据声学原理，采用浅层地层剖面仪探测了淤泥的厚度。
从声学反射理论的角度来看，当声波在介质中的散射和反射时，如果介质是不一样的，部分的声音会介质层上反射，而另一部分声波会穿透到介质内部。
另外,国内外在对水底浮泥重度和深度方向上的变化得出过相应的结论:
自浮泥上界面起向下,浮泥重度P以一定梯度k1线性递增,在增加过程中会遇到拐点,拐点以后重度以另一个梯度k2线性递增,当重度增加到一定程度时,浮泥层就很快过渡到硬泥或者沙层。
图2-4水下声波传导图解
3SES-2000compact水下测量
3.1验潮
潮汐观测通常称为水位观测，又称验潮。
它的主要目的是通过所测量得到的潮汐观测数据资料来计算该地区的潮汐调和常数、平均海平面、深度基准面等重要内容，并了解当地的潮汐性质。
潮汐观测是海洋工程勘察，水文工作的一个重要组成部分。
3.1.1潮汐原理
受月球和太阳吸引力的作用，海水产生一种规律性的升降运动，称之为海洋潮汐。
海洋潮汐是海水的一种周期性运动，经过一段时间以后，又反复的变化着。
在多数情况下，潮汐运动的平均周期为半天左右，一昼夜内越有两次海面涨落运动。
潮汐产生的主要原因是随着地球的转动，地球上各点距离月球和太阳的相对位置不断变化而引起海平面的升降现象。
通过在海边水中设立一个固定标尺观测海面高度在数天内的变化。
3.1.2验潮方法
潮汐测量，就是测量某固定点的水位随时间的变化。
（1）水尺验潮
一种类似于用水准尺测量的一种验潮方式。
一般将水尺固定在码头上、岩壁或者海滩上。
水尺跟水准尺一样有一定的刻度，直接人工方法读取水位数据。
水尺验潮的方法具有以下优点：
工作简单、易于操作、技术含量较低、机动性较强、造价低，常常用于临时验潮的情况。
（2）井式自记验潮仪验潮
主要由验潮井、浮筒、记录装置等结构组成。
工作原理是通过在水面的变化来带动漂浮在井内水面的浮筒，浮筒带动上面的记录滚筒转动，从而使得记录针在装有记录纸的记录筒上来回划线，最终可以记录水面变化情况，达到自动记录潮汐水位的目的。
目前，这种通过机械运动获得潮位的过程可以通过数字记录仪完成。
其特点是：
坚固耐用，滤波性能较为良好。
缺点：
连通导管容易堵塞，成本比较高，机动性能很差。
3.1.3测得深圳当地验潮数据（单位cm）
表1验潮数据表
2016.03.19
2016.03.20
2016.03.21
2016.03.25
13：
00
-91.4
08：
20
180.6
06:
40
08:
50
222.6
13:
10
-82.4
30
173.6
07:
200.6
09:
225.6
-80.4
160.6
215.6
240.6
-76.4
151.6
220.6
245.6
-70.4
09：
140.6
217.6
248.6
-61.4
133.6
214.6
250.6
14:
-52.4
115.6
203.6
-43.4
109.6
190.6
10:
-35.4
90.6
175.6
-29.4
75.6
153.6
241.6
-22.4
10：
65.6
125.6
244.6
-13.4
45.6
95.6
15:
-4.4
30.6
60.6
7.6
10.6
11:
25.6
209.6
20.6
-2.4
-6.4
197.6
32.6
-12.4
-34.4
185.6
44.6
11：
12:
-64.4
167.6
54.6
-44.4
-90.4
16:
-54.4
78.6
-72.4
92.6
-74.4
105.6
117.6
12：
130.6
-103.4
142.6
12.20
-115.4
15：
152.6
-125.4
3.2仪器操作
3.2.1仪器检查
（1）设备配套的发射器、接收器以及主机系统。
（2）主机内有发射单元，计算机，模拟及数字处理单元。
（3）换能器阵列
3.2.2仪器安装
（1）将换能器的连接端口对准换能器的输入端接口进行正确连接；
USB接口和笔记本相连接；
运动传感器的输入接口和外置GPS的接口相连接。
（2）固定传感器如下图所示：
图3-1仪器安装示意图
（3）要注意的是，由于声波声束较窄，为了使换能器在航船测量中稳定有序的进行测量，一定要将传感器垂直固定并保证固定牢固。
换能器必须全程地淹没在水面以下。
（4）换能器必须安装在适当位置，在测量的过程中避免水流和气泡在换能器下面影响声波的发射和接收对，结果造成影响。
如果在浅水区测量，换能器不能低于该船的最低点。
（5）如果声波换能器发射部分触碰到水底或其他障碍物很容易受到破坏。
所以最好将换能器如果安置在侧弦，应确保发射的声波不要触及到船体对结果造成影响。
如图所示：
图3-2浅地层剖面仪安装位置示意图
（6）为了减少航船测量过程中仪器受船只摇晃或者发动机震动的影响，传感器的放置位置应该尽量远离发动机。
因为发动机（螺旋桨）大多是在船只的后面，所以应该将传感器放在靠船只得前面。
（7）换能器安装的位置应该尽量减少机械碰撞，为了减少碰撞而产生的噪声或者其他的干扰，特别是在金属杆与金属的连接处，最好用塑料或橡胶进行安装，从而达到减震的目的。
（8）为了减少主发电机发射声波时产生的噪音的影响，在仪器安装时，换能器与SES一2000应该独立连
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