多频回声测深仪在黄河小浪底库区水深测量的应用

[摘 要]随着科学技术的不断发展和提高，多频回声测深仪在水深测量、航道勘测等各个领域得到了广泛的应用。本文从多频回声测深仪的工作原理出发，分析了多频回声测深仪的工作特点、影响因素以及多频回声测深仪的具体应用，为使用多频回声测深仪进行测量提供一定帮助。

[关键词]多频回声测深仪 高频 低频

中图分类号：P716+.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0351-01

黄河进入小浪底库区后，由于水库蓄水，库区和回水段的水深及过水断面积均增大，水面坡度和流速沿流程减小，导致库区内水的流速减缓，水流挟沙能力沿流程降低，其挟带的泥沙就部分或全部地在水库库底沉积下来。因而出现泥沙淤积。库区内河底一般存在着一层流动的悬移质（淤泥），特别在库区八里胡同以下，淤泥更是一种比较普遍的现象。淤泥的存在，给库区水深的确定带来了很大困难。本文从多频回声测深仪原理出发，对它的工作特点进行了一些介绍，希望能为更好的使用测深仪提供一些帮助。

1 回声测深仪工作原理

回声测深仪是应用声波在水中传播时所具有的直线传播、传播速度基本恒定以及遇物体发射的特性，通过测量声波在水中传播的往返时间来测量水深的。船用回声测深仪由显示屏、换能器、发射系统和接收系统组成，以实现回声测深和显示深度。

1.1 声波的反射

回声测深仪所测得的水底回声声波是声波在穿越不同密度的介质时在分介面上的反射波。声波通过的声阻不同的两种介质时，在媒介面上将会产生反射，声阻抗差越大，反射的声强度越大；之，声阻抗差越小，反射的声强度越小。投射到两种声阻不同的介质分界面时，声强反射系数为：

式中，为介质密度，C为介质中的声速；为介质声阻抗。由式（2）可见，当两种介质的声阻抗时，为零，无反射；当声阻抗不同时，则有回声。

1.2 声波的衰减

声波在介质中传递一定会存在能量的衰减。当散射粒子的直径小于0.01～0.1倍的声波波长时，散射衰减较小，可忽略不计；当散射粒子的直径大于0.1倍声波波长时，散射衰减较大，则必须考虑此因素；当散射粒子的直径大于声波波长，散射衰减极大。当高频声波波长为低频声波波长的十分之一时，两者的散射衰减相差10000倍。高频声波在进入淤泥层后所有能量将很快衰减完毕，声波无法继续传递；低频声波则能传递到更深处，这就是在多频回声测深仪中增加低频声波的原因。

1.3 回声测深仪河底界定

根据声波的反射定理得出，声波的反射系数与反射界面上两种介质的声阻抗有关；声阻抗相差越大，则反射系数越大；在相同能量的波入射时，反射波能量越大。对于高频声波来说，由于淤泥层的衰减影响，高频回波只出现在清水水体与淤泥层面上。而低频声波在淤泥层衰减较小，在淤泥层下方的和个分界面也会出现回波（反射波），其各个回波的能量大小取决于到达该分界面时低频声波的能量和分界面两端的介质。具体水底情况，我们需要根据小浪底库区多年的施测经验和回声测深图加以判定。

2 淤泥对水深测量的影响

多频回声测深仪的高频、低频部分之所以会测得不同的水深，是由于在水下除了水体与淤泥层之间有分界面之外，还有各淤泥层之间在存在有不同密度的分界面。测深仪工作时，声波在传递过程中的衰减反射等声波的物理特性受水底底质因数影响较大。水底的底质大体可以统分为硬质底与软质底。

2.1 硬质底

所谓硬质底，即在水体与水底的分界面上，无论是测深仪发出的高频声波还是低频声波均不能穿越，测量声波不能在该介质中传递。硬质底的典型区域为黄河56至黄河47断之间的自然河道断面，以及各支流的末尾断面。

硬质底时，高低频电波在水体与水底分界面产生反射，两种频率都无透射现象出现。多频回声测深仪高低频电路在换能器垂水底方向均只能收到一组回波（反射波）。由于只有一组回波，测深仪无论采取何种判底算法，其结果都是一致的，并且其高低频所测量的水深数据也完全相同。

2.2 软质底

在软质底水底中，水底是按密度分层的，该类底质的典型区域为小浪底坝前至黄河12断面之间的干流及距离干流较近的支流断面，在人工清淤或调水调沙后冲积的回淤区，也会出现两层或多层的软件质底。在这种底质中是，高频声波由于受散射衰减影响，不可能穿越相对水体密度较大的水底淤泥层，即高频声波在垂直水底方向只存在一个水体与淤泥层分界面的回波（反射波）。

3 多频回声测深仪在黄河小浪底库区中的应用

在2009年黄河小浪底库区加密断面测量项目中，美国Bathy 500MF多频回声测深仪在该项目中得到应用，采用南方测绘公司的自由行导航测量软件，应用回声测深仪与GPS RTK联合作业方式，每次水深测量前均应对回声测深仪的灵敏度、声速等进行了校准，根据黄河小浪底的水深、风力风速等基本情况，吃水深设为0.50m较合适。一般情况下，在水流平稳的5米以下的浅水区用测深杆与回声测深仪比测，当互差大于0.1米时，应停止回声测深仪工作，检查原因并调节；水深超过5米的深水区，选择在流速较小且河底较为平整的区域，采用测深锤与回声测深仪同时比测，互差不宜超过0.2%米以内。测深垂线的布设应能满足测点间的距离和控制好水下地形变化情况。

测量员在读水回声仪水深图时，应注意一些特别之处。

（1）由于测量水域水下状况很差或水体中有急流、气泡等，造成测深仪高频声波大幅度衰减，高频部分无回波信号。此时使用低频声波测量，希望利用测深仪低频声波发射能量大并且传递中衰减小的特性，取得水深数据。此时，操作员可以用低频声波在水底表层的反射信号得到水深数据。

（2）使用多频回声测深仪测量关键在于增益的控制，测量员应根据经验在多个水底回波中判断真正有用的数据，因此水下回声波不能处于饱和状态。如果低频回波中有多个回波中有多个回波处于饱和状态，测深仪将无法分辨最大值，此时应将第一个饱和的回波判为水底，这需要一定的工作经验。

（3）当水下或河底有杂草或树丛影响时，此时高频虽有回波信号，但数值明显异常，此时可使用低频声波测量，取得正确水深数据，或采用测深杆或测深锤进行对比分析。这种情况一般出现在支流断面，测量员结合经验和根据回声测深图加以判断。

4 结束语

通过对比测量和回声测深仪的实际应用可以看出，回声测深仪测量水深具有以下特点：

（1）高精度：在一定含沙量范围内，回声测深仪完全可以达到仪器的标称精度，可满足河道测量规范和河段冲淤计算的精度要求。

（2）高效率：数字化测深方法，无需人工持杆、抛锤测量，有效地降低测量人员的作业强度，同进也可提高测量员的安全系数。

（3）数字化程度高：数字测深方法自动记录的数据文件，可配合水下测图软件，或导入到计算机进行数据处理后，再展点到数字化成图软件中。

（4）、多频回声测深仪的工作复杂程度远远大于两台单频测深仪的简单累加，低频数字水底易出现误判，此时就需要测量员根据情况分析调整，从而测得更准确的真实河底地形。

多频回声测深仪的两个频率相互补充，使得操作员能通过分析两个频率的回波数据顺利准确高效完成测量工作，这就是多频回声测深仪价值所在。

参考文献

[1] 陈钧，万军，施卫星，双频测深仪测深研究，《海洋测绘》，2008年11月.

[2] 周宁江，孙萍茜，刘琦，浅析多频回声测深仪在库区水深测量中的应用，《中国科技博览》，2012年3期.

作者简介

张金曦，1967年9月出生，男，汉族，籍贯：河南省南阳市，2008年1月毕业于河南工业大学，计算机科学与技术专业，现供职于黄河水利委员会三门峡库区水文水资源局，学位无，职称：工程师。邮编：472000.