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摘要：河底泥沙密度、粒徑等是河流动力学研究的必备物性参数。机械取样和浅地层剖面探测是获取泥沙物性的重要途径。将取样测试的泥沙粒径信息与浅地层剖面探测数据结合起来，研究了一种快速的河底泥沙物性参数（密度、孔隙度等）检测方法。利用级配结果确定表征孔隙度和渗透率关系的Kozeny-Carman公式，将该式与孔隙介质模型结合计算河底泥沙密度等参数。采用该方法获取了三门峡库区2个断面的湿密度和波速等参数。将泥沙湿密度计算值与取样测试值对比，发现2个测点的差异较小，证明了该方法的有效性。
关键词：孔隙介质；浅地层剖面；快速估算；物理特性；表层泥沙；河底
中图分类号：P332.5 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.004
研究河底泥沙物理特性（密度、孔隙度等）对河流动力学研究和库区清淤等有重要意义。目前，河底泥沙物性参数的获取方式主要有3种：简单机械取样、保真采样和声学探测。简单机械取样是在船上吊装一定质量的取样器到水底，在水底取样后将样品运送到实验室测试岩土力学参数。由于在取样过程中不可避免地对样品产生较大程度的扰动，使样品（尤其是稀软的水底表层淤积物）的原始状态发生变化，因此最终使测量结果产生较大的偏差。简单机械取样为点测方式，速度较慢，取样较浅（约为30cm），难以满足底质调查的需求。
以保真为目标的取样技术正在逐步完善和发展。为了避免沉积物样品原始层序混杂或弯曲样品形状的扰动，实现采集到的样品保压、保温、无污染，保证样品信息记录的完整性，保真采样设备研究经历了从国外研究到国内自行设计和完善阶段，浙江大学和国家海洋局第一海洋研究所设计的采样器均可实现10 m以上的岩心采样[1-2]。2013年，黄河水利科学研究院设计了针对河底淤积层的水下采样器[3-4]，采用自动切割的菊花瓣式的活塞刀口，保证了已取样品的完整性，目前在细沙区（粒径小于0.025mm）能够获取10m长的泥沙样品。
近年来，浅地层剖面仪逐步应用在河流底质调查中[5-6]。通过声学换能器向水底发射宽带调频脉冲[7]，脉冲遇到声阻抗突变界面（水底不同媒质层的分界面）反射回到接收换能器，研究人员根据接收的声呐信号可大致判断河底淤积层的结构。然而，河底泥沙淤积层的声速仍是未知参数，仅依据声学接收信号难以判断淤积层的具体厚度，淤积层的其他岩土力学参数也不能精确检测。
随着声学理论的发展，通过分析声学信号获取表层泥沙物性参数已具备可行性。本文利用保真取样获取的泥沙参数作为先验信息，结合孔隙介质声学理论快速得到水底淤积泥沙密度等参数，对提高河底淤积表层探测效率有重要意义。
1 声学模型参数
1.1 模型参数
Biot M.A.[8]的孔隙介质理论较好地解释了由泥沙颗粒和孔隙水组成的双相介质系统中的声学现象。因此，本文基于Biot孔隙介质声学模型（简称Biot模型）计算河底表层泥沙密度等参数。Biot模型包含的参数主要分两类：第一类是各组成相的参数，该类参数是物理常数，可以通过试验测定或参考相关文献，见表1；第二类是与孔隙空间中流体流动相关的参数，其中流体黏滞系数较容易测定，而渗透率、孔隙半径和有效物质常数较难精确测定，但可以通过经验公式与其他参数建立联系。
现场探测时需要接收信号有足够的时长，以便有效接收二次波信号。
2.2 泥沙物性参数计算方法
由表1确定Biot模型第一类参数，并且第二类参数相互关系已知（式（1）～式（6）），因此Biot模型里仅孔隙度和渗透率为未知参数。理论声波反射系数计算公式涉及的辅助公式较多，本文不详细列出，具体可参见文献[10]。
计算过程和方法：①利用机械取样器对表层淤积泥沙取样后，通过实验室测试得到样品的粒径d；②将粒径d代入式（7）；③从浅地层剖面数据中提取各测点的声波反射系数；④联合式（7）和式（12），以及参考文献[10]中的水-沙界面反射系数，得到孔隙度和渗透率；⑤由式（9）计算泥沙的湿密度等参数。
3 探测实例
3.1 探测仪器
利用美国Edgetech公司生产的3200-XS型浅地层剖面仪进行现场探测，仪器包括拖鱼、拖缆和甲板单元。拖鱼型号为SB-216S，由1个发射换能器、2个接收换能器组成。发射信号的波束角（-3dB）为24°。换能器之间用隔声板隔开，其作用是阻止向下传播的声波对接收信号产生干扰，且尽量减小表面反射。换能器向其正下方水底发射调频信号，该信号具有较强的地层穿透能力，在遇到阻抗不同的界面时将发生反射。接收换能器收到水底泥沙的反射信号，信号经拖缆传送到甲板单元。利用匹配滤波技术对回波信号脉冲进行压缩，并在显示器上显示出来。
试验中用船体牵引拖鱼，为了得到较稳定的信号，选择风浪较小且水面平静的情况下探测。为了降低随机噪声的影响，GPS与甲板单元的主机相连，拖鱼在行进过程中，GPS数据与反射信号被记录在同一文件中，因此可提取每个测点对应的GPS坐标。
3.2 探测结果
2015年11月，在黄河三门峡库区进行了机械取样和浅地层剖面仪探测试验。根据现场淤积泥沙特征，选取的线性调频信号频带为700～12000Hz，脉冲重复频率为5Hz，拖鱼水平行进速度约为1.2m/s。测量时根据水流情况船速作相应改变。垂直水流方向，连接左右岸的直线段为1个断面（两个断面之间的距离约为2km），取样和探测以断面为单元进行研究。
对三门峡库区断面2和断面11进行了探测，测线方向为左岸至右岸，测线长度为197m，断面2水深约为25m。图2为断面2主河槽的声纳探测图像，由图像可见清晰的河底反射信号和表层泥沙底界面的反射信号，其中表层泥沙厚度为3.8～6.0m。断面11的测线方向为右岸至左岸，测线长度约为201m，声呐图像见图30主河槽水深约为15m，可见泥沙层界面的反射和多次波。表层泥沙厚0.5～2.0m，第2层泥沙厚4.5～5.0m。 在断面2和斷面11分别选取6个、8个测点，提取到声波反射系数。泥沙参数计算结果见表2和表3。断面2的反射系数较断面11的小，对应较大的孔隙度和较低的泥沙密度。断面2的泥沙干密度大部分低于1000kg/m3，断面11的泥沙干密度为1100～1649kg/m3。在断面2和断面11进行了机械取样，取样点的位置分别为A和B，测试到的泥沙中值粒径分别为0.0110、0.0237mm。A、B点样品的测试密度分别为1270、2150kg/m3，与附近测点密度计算结果差异较小。
4 结语
在黄河三门峡库区进行了水底泥沙的机械取样和浅地层剖面探测，基于Biot模型将取样测试的级配结果和声呐数据结合起来，计算了表层泥沙的密度和波速等参数，并与取样测试的结果进行了对比，结果证明了本文计算方法的正确性。研究发现：①机械取样对泥沙的级配测试结果影响较小，因此级配测试结果可作为声学反演的先验信息；②本文提出的计算方法能够计算得到河底泥沙的密度、波速和表层淤积厚度等参数，这对取样测试结果起验证作用；③本文的探测方法能够减少取样工作量，并且得到多个泥沙物性参数。
本文采用的计算方法基于以下前提条件：①计算时考虑了声学反射信号的弱频率独立性；②在探测过程中忽略了拖鱼在水下姿态变化的影响；③利用的Kozzy-Carman方程为经验公式。考虑以上因素，计算中将产生一定误差。
获取较深层泥沙物性参数还存在一定的挑战性，期望通过进一步研究结合机械取样得到更多的泥沙（声呐图像识别的第二层和更深层）物性参数，以满足河流研究和治理的需求。
参考文献：
[1]朱亮，顾临怡，秦华伟.深海沉积物保真采样技术及应用[J].浙江大学学报（工学版），2005，39（7）：1060-1063.
[2]秦华伟，陈鹰，顾临怡，等.海底沉积物保真采样技术研究进展[J].热带海洋学报，2009，28（4）：42-48.
[3]郑军，唐华，郭维克，等.小浪底库区深层淤积泥沙物理特性分析[J].人民黄河，2014，36（10）：23-25.
[4]张雷，余孝志，郑军，等.小浪底库区深层泥沙基本特性分析[C]//中国水利学会.2014学术年会论文集（下册）.南京：河海大学出版社，2014；919-923.
[5]孙永福，董立峰，宋玉鹏.黄河水下三角洲粉质土扰动土层特征及成因探析[J].岩土力学，2仪粥，四（6）：1494-1499.
[6]许国辉，卫聪聪，孙永福，等.黄河水下三角洲浅表局部扰动地层工程特性与成因[J].海洋地质与第四纪地质，2009，28（6）：19-25.
[7]谢向文，郭玉松，张晓予，等.水声勘探中的浅地层剖面技术应用[J].港工技术，2009，46（5）：53-55.
[8]RIOT M A.Theory of Propagation of Elastic Waves in a Fluid-Saturated Porous Solid.I.Low-Frequency Range[J].Journal ofthe Acoustical Society of America，1956，28（2）：179-191.
[9]WILLIAMS K L，JACKSON D R，THORSOS E I，et al.Comparison of Sound Speed and Attenuation Measured in aSandy Sediment to Predictions Based on the Biot Theory ofPorous Media[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2002，27（3）：413-428.
[10]SCHOCK S G.A Method for Estimating the Physical andAcoustic Properties of the Sea Bed Using Chirp Sonar Data[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004，29（4）：1200-1217.
[11]Hovem J M，INGRAM G D.Viscous Attenuation of Soundin Saturated Sand[J].Journal of the Acoustical Society ofAmerica，1979，66（6）：1807-1812.
关键词：孔隙介质；浅地层剖面；快速估算；物理特性；表层泥沙；河底
中图分类号：P332.5 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.004
研究河底泥沙物理特性（密度、孔隙度等）对河流动力学研究和库区清淤等有重要意义。目前，河底泥沙物性参数的获取方式主要有3种：简单机械取样、保真采样和声学探测。简单机械取样是在船上吊装一定质量的取样器到水底，在水底取样后将样品运送到实验室测试岩土力学参数。由于在取样过程中不可避免地对样品产生较大程度的扰动，使样品（尤其是稀软的水底表层淤积物）的原始状态发生变化，因此最终使测量结果产生较大的偏差。简单机械取样为点测方式，速度较慢，取样较浅（约为30cm），难以满足底质调查的需求。
以保真为目标的取样技术正在逐步完善和发展。为了避免沉积物样品原始层序混杂或弯曲样品形状的扰动，实现采集到的样品保压、保温、无污染，保证样品信息记录的完整性，保真采样设备研究经历了从国外研究到国内自行设计和完善阶段，浙江大学和国家海洋局第一海洋研究所设计的采样器均可实现10 m以上的岩心采样[1-2]。2013年，黄河水利科学研究院设计了针对河底淤积层的水下采样器[3-4]，采用自动切割的菊花瓣式的活塞刀口，保证了已取样品的完整性，目前在细沙区（粒径小于0.025mm）能够获取10m长的泥沙样品。
近年来，浅地层剖面仪逐步应用在河流底质调查中[5-6]。通过声学换能器向水底发射宽带调频脉冲[7]，脉冲遇到声阻抗突变界面（水底不同媒质层的分界面）反射回到接收换能器，研究人员根据接收的声呐信号可大致判断河底淤积层的结构。然而，河底泥沙淤积层的声速仍是未知参数，仅依据声学接收信号难以判断淤积层的具体厚度，淤积层的其他岩土力学参数也不能精确检测。
随着声学理论的发展，通过分析声学信号获取表层泥沙物性参数已具备可行性。本文利用保真取样获取的泥沙参数作为先验信息，结合孔隙介质声学理论快速得到水底淤积泥沙密度等参数，对提高河底淤积表层探测效率有重要意义。
1 声学模型参数
1.1 模型参数
Biot M.A.[8]的孔隙介质理论较好地解释了由泥沙颗粒和孔隙水组成的双相介质系统中的声学现象。因此，本文基于Biot孔隙介质声学模型（简称Biot模型）计算河底表层泥沙密度等参数。Biot模型包含的参数主要分两类：第一类是各组成相的参数，该类参数是物理常数，可以通过试验测定或参考相关文献，见表1；第二类是与孔隙空间中流体流动相关的参数，其中流体黏滞系数较容易测定，而渗透率、孔隙半径和有效物质常数较难精确测定，但可以通过经验公式与其他参数建立联系。
现场探测时需要接收信号有足够的时长，以便有效接收二次波信号。
2.2 泥沙物性参数计算方法
由表1确定Biot模型第一类参数，并且第二类参数相互关系已知（式（1）～式（6）），因此Biot模型里仅孔隙度和渗透率为未知参数。理论声波反射系数计算公式涉及的辅助公式较多，本文不详细列出，具体可参见文献[10]。
计算过程和方法：①利用机械取样器对表层淤积泥沙取样后，通过实验室测试得到样品的粒径d；②将粒径d代入式（7）；③从浅地层剖面数据中提取各测点的声波反射系数；④联合式（7）和式（12），以及参考文献[10]中的水-沙界面反射系数，得到孔隙度和渗透率；⑤由式（9）计算泥沙的湿密度等参数。
3 探测实例
3.1 探测仪器
利用美国Edgetech公司生产的3200-XS型浅地层剖面仪进行现场探测，仪器包括拖鱼、拖缆和甲板单元。拖鱼型号为SB-216S，由1个发射换能器、2个接收换能器组成。发射信号的波束角（-3dB）为24°。换能器之间用隔声板隔开，其作用是阻止向下传播的声波对接收信号产生干扰，且尽量减小表面反射。换能器向其正下方水底发射调频信号，该信号具有较强的地层穿透能力，在遇到阻抗不同的界面时将发生反射。接收换能器收到水底泥沙的反射信号，信号经拖缆传送到甲板单元。利用匹配滤波技术对回波信号脉冲进行压缩，并在显示器上显示出来。
试验中用船体牵引拖鱼，为了得到较稳定的信号，选择风浪较小且水面平静的情况下探测。为了降低随机噪声的影响，GPS与甲板单元的主机相连，拖鱼在行进过程中，GPS数据与反射信号被记录在同一文件中，因此可提取每个测点对应的GPS坐标。
3.2 探测结果
2015年11月，在黄河三门峡库区进行了机械取样和浅地层剖面仪探测试验。根据现场淤积泥沙特征，选取的线性调频信号频带为700～12000Hz，脉冲重复频率为5Hz，拖鱼水平行进速度约为1.2m/s。测量时根据水流情况船速作相应改变。垂直水流方向，连接左右岸的直线段为1个断面（两个断面之间的距离约为2km），取样和探测以断面为单元进行研究。
对三门峡库区断面2和断面11进行了探测，测线方向为左岸至右岸，测线长度为197m，断面2水深约为25m。图2为断面2主河槽的声纳探测图像，由图像可见清晰的河底反射信号和表层泥沙底界面的反射信号，其中表层泥沙厚度为3.8～6.0m。断面11的测线方向为右岸至左岸，测线长度约为201m，声呐图像见图30主河槽水深约为15m，可见泥沙层界面的反射和多次波。表层泥沙厚0.5～2.0m，第2层泥沙厚4.5～5.0m。 在断面2和斷面11分别选取6个、8个测点，提取到声波反射系数。泥沙参数计算结果见表2和表3。断面2的反射系数较断面11的小，对应较大的孔隙度和较低的泥沙密度。断面2的泥沙干密度大部分低于1000kg/m3，断面11的泥沙干密度为1100～1649kg/m3。在断面2和断面11进行了机械取样，取样点的位置分别为A和B，测试到的泥沙中值粒径分别为0.0110、0.0237mm。A、B点样品的测试密度分别为1270、2150kg/m3，与附近测点密度计算结果差异较小。
4 结语
在黄河三门峡库区进行了水底泥沙的机械取样和浅地层剖面探测，基于Biot模型将取样测试的级配结果和声呐数据结合起来，计算了表层泥沙的密度和波速等参数，并与取样测试的结果进行了对比，结果证明了本文计算方法的正确性。研究发现：①机械取样对泥沙的级配测试结果影响较小，因此级配测试结果可作为声学反演的先验信息；②本文提出的计算方法能够计算得到河底泥沙的密度、波速和表层淤积厚度等参数，这对取样测试结果起验证作用；③本文的探测方法能够减少取样工作量，并且得到多个泥沙物性参数。
本文采用的计算方法基于以下前提条件：①计算时考虑了声学反射信号的弱频率独立性；②在探测过程中忽略了拖鱼在水下姿态变化的影响；③利用的Kozzy-Carman方程为经验公式。考虑以上因素，计算中将产生一定误差。
获取较深层泥沙物性参数还存在一定的挑战性，期望通过进一步研究结合机械取样得到更多的泥沙（声呐图像识别的第二层和更深层）物性参数，以满足河流研究和治理的需求。
参考文献：
[1]朱亮，顾临怡，秦华伟.深海沉积物保真采样技术及应用[J].浙江大学学报（工学版），2005，39（7）：1060-1063.
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[3]郑军，唐华，郭维克，等.小浪底库区深层淤积泥沙物理特性分析[J].人民黄河，2014，36（10）：23-25.
[4]张雷，余孝志，郑军，等.小浪底库区深层泥沙基本特性分析[C]//中国水利学会.2014学术年会论文集（下册）.南京：河海大学出版社，2014；919-923.
[5]孙永福，董立峰，宋玉鹏.黄河水下三角洲粉质土扰动土层特征及成因探析[J].岩土力学，2仪粥，四（6）：1494-1499.
[6]许国辉，卫聪聪，孙永福，等.黄河水下三角洲浅表局部扰动地层工程特性与成因[J].海洋地质与第四纪地质，2009，28（6）：19-25.
[7]谢向文，郭玉松，张晓予，等.水声勘探中的浅地层剖面技术应用[J].港工技术，2009，46（5）：53-55.
[8]RIOT M A.Theory of Propagation of Elastic Waves in a Fluid-Saturated Porous Solid.I.Low-Frequency Range[J].Journal ofthe Acoustical Society of America，1956，28（2）：179-191.
[9]WILLIAMS K L，JACKSON D R，THORSOS E I，et al.Comparison of Sound Speed and Attenuation Measured in aSandy Sediment to Predictions Based on the Biot Theory ofPorous Media[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2002，27（3）：413-428.
[10]SCHOCK S G.A Method for Estimating the Physical andAcoustic Properties of the Sea Bed Using Chirp Sonar Data[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004，29（4）：1200-1217.
[11]Hovem J M，INGRAM G D.Viscous Attenuation of Soundin Saturated Sand[J].Journal of the Acoustical Society ofAmerica，1979，66（6）：1807-1812.