GNSS測深儀在河道清淤測量中的應用

劉風學 劉寶貴 郭金星 吳瀟 張佳

GNSS測深儀在河道清淤測量中的應用

劉風學 劉寶貴 郭金星 吳瀟 張佳

（黃河水利委員會濟南勘測局 山東濟南 250108）

本文根據實際工程的應用情況，闡述水下地形測量與淤泥測量的過程及淤泥量的計算方法，通過此次淤泥測量的方法和計算，闡明工作過程和注意事項，針對相同的項目在測量方法的選擇上提出自己的建議。

淤泥測量 生態清淤

1 引言

溫瑞塘河位于甌江以南、飛云江以北的溫瑞平原，是溫州市境內十分重要的河道水系。長期以來，溫瑞塘河擔負著防洪、排澇、供水、航運、灌溉等綜合功能，被喻為溫瑞平原的“母親河”。近年來，由于塘河沿岸工業發展、人口增加，導致排入塘河的污染物日趨增加，引起河水黑臭，河岸臟亂現象給人們的生活、生產帶來很大影響。

依據2005年《浙江省水功能區、水環境功能區劃分方案》，溫瑞塘河瑞安段水域為一般工業用水區、農業用水區和一般景觀要求水域，水環境功能區劃為Ⅳ類，執行《地表水環境質量》（GB3838-2002）中的Ⅳ類標準。由于塘河沿岸近年各種污染物恣意排放入河，塘河水質已經受到嚴重污染，大部分河道不能滿足水體功能區劃的水質要求。

2001年瑞安市開展了一次規模宏大的河道清淤工作，短期內有效解決了河道底泥淤積的現象。但是，由于缺乏長效管理機制，加之近5年來，瑞安市工業發展，人口膨脹帶來的工業和生活廢水、固體廢物的增加，使得排入塘河的污水和固體廢物量進一步增加，河道淤積現象有增無減。

針對塘河的實際情況，對塘河應進行環保疏浚工作，這給水下地形與淤泥測量和計算工作提出了新的要求，認真研究和探討水下淤泥測量和計算有利于為環保疏浚工作提供更準確的第一手資料。

2 水下地形測量與淤泥測量17

2.1水下地形測量

對于疏浚工程而言，水下地形測量就是測量淤泥表面高程，淤泥上表面高程測量與普通水下地形測量相同。以RTK定位模式為例，水下地形測量包括以下幾個部分：

2.1.1 水下地形測量儀器

用于水下地形測量的儀器應包括：一套1+2配置的RTK型GNSS接收機、一套數字測深儀、一臺計算機和一套水上導航測量軟件。常用輔助儀器、測具包括：水溫計、測深桿、鋼卷尺、水深—聲速校正器等。

2.1.2 基準站的控制點

用于架設GNSS基準站的控制點，平面等級一般為D級；地面不易沉降的地區，基點埋設較穩固的，可放寬到E級。高程為三等水準點，測定或校測時間不超過三年。校測點平面一般為E級；高程為四等，應為當年測定或校測的水準點。甲方在測區控制范圍內提供了5個地方坐標系高等級控制點。

2.1.3 坐標值參數求解

用測區內已知控制點的WGS84坐標與測區的測量坐標系解算出兩個坐標系統轉換關系。轉換關系的正確性將直接影響定位精度，因此，已知點最好布設在測區四周和中心，甲方提供的控制點能有效控制測區，如果已知點在測區一側，應計算與滿足精度控制的范圍。

2.1.4 測深原理

用豎直波束回聲儀進行水深測量是目前水深數據采集的主要手段，它安裝在測量船底的發射換能器垂直向水下發射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C在水中傳播到水底后產生回波，回波被接收換能器所接收，發射聲波與接收回波的時間為t，則換能器表面至水底的距離(水深)為：H = 1／2·ct

2.1.5 換能器安裝要求

（1）測深儀換能器應盡量遠離發動機和螺旋槳，安裝在距船頭1/3～1/2船長處，靜態吃水深度以0.3～0.5m為宜，以避免和減小測船航行產生的氣泡干擾；

（2）換能器可固定在測船底部或船舷一側，尖頭逆向流向；

（3）盡可能保持換能器安裝桿處于垂直、穩定狀態，防止出現松動、搖晃和傾斜、俯仰現象；

（4）水面平靜時，換能器可盡量減小吃水，以最大限度地發揮測深儀作用。但換能器吃水不得過小，尤其在風浪較大時要適當加大吃水，以免產生氣泡影響測深的準確性；

（5）GNSS天線中心應與換能器中心設置在同一條鉛垂線上。

2.1.6 連接桿的安裝

安裝GNSS天線和測深儀換能器的連接桿，應固定長度并標有距離刻度，以換能器底端為0.00m。

2.1.7 天線高的計算

天線高可以用鋼卷尺由天線底部量至水面，或根據連接桿頂端和水面的讀數相減，然后按式

（1）計算：

式中：

L——天線高（m）；

h——天線底部至水面的垂直距離（m）；

p——天線底部至相位中心的距離常數（m）。

2.1.8 換能器靜態吃水

應用鋼卷尺由水面量至換能器底部，或直接在安裝桿上讀取。

2.1.9 天線高和吃水的關系

任何情況下，天線高加吃水應等于天線相位中心至換能器底部的距離。如天線高量測不準，則會影響水面高程；吃水量測不準，則會影響水深數值，但最終不會影響最后計算的河底高程。天線高和吃水的關系，可用式（2）表示：

式中：

R—天線相位中心至換能器底部的距離（m）；

d—換能器吃水，即水面至換能器底部的垂直距離（m）。

2.1.10 水位測量

當水面為靜態時，勿需布設水位站，左、右兩岸水位可用GNSS RTK、全站儀或光學水準儀測得水面高程即可；本次項目我們用以下兩種方法進行：第一種方法是用GNSS RTK放樣圖根點，用全站儀進行測量，與水下斷面線相銜接。第二種方法是用GPS RTK直接采取水位，與水下斷面線相銜接。一般河道直線段50米左右取一水位點，當岸邊變化較大時適當加密，可以詳細繪制水邊線。

2.1.11 水下地形測量的具體實施

此次測量在確定水下地形測圖規格后，應用水深測量的專用軟件，先確定了水下地形圖的范圍與比例尺，在甲方提供的塘河河道總圖上按20m間隔設定橫斷面，摘錄左、右岸端點坐標。設定測量斷面線后，將斷面數據灌入測量手簿，根據放樣斷面線把測量船導航至斷面位置，再按指定的時間（或者間距）進行測點的定位與測深，并實時修正測量船的航向。

（1）GNSS流動站接收機作業的有效衛星數應≥5顆，PDOP值應≤6，衛星截止高度角≥13°。

（2）設置好儀器及坐標系統轉換參數之后，應對測量的數據進行校核，在校核無誤后方可進行測量。用于測深定位的流動站的測量模式、基準參數、轉換參數等應與基準站相一致，并應采用固定解模式測量。

（3）測深儀測深過程中，測船航速宜控制在10km/h以內，且應盡量保持穩定；測船進入淺水水域和接近岸邊時，航速宜控制在2km/h以內。

（4）換能器露出水面時，禁止啟動儀器，否則可能對換能器造成損壞。

（5）水下地形測量，應根據天氣、風浪、潮汐等情況，合理安排時間，作業中，如遇大風大浪、船只搖擺幅度過大，造成換能器安裝桿傾斜超過3°時，應暫停測深作業。

2.2水下淤泥測量

水下測量不僅局限在水下地形測量還包括淤泥測量，而淤泥深度的測量正是水下測量的一個難題。現在淤泥深度的測量方法很多，但各有其優缺點，所以在不同的情況下必須選擇不同的測量方法。

這次工作我們采用靜力觸探法，使用專用測桿進行，其原理是通過單點測定淤泥層對測桿的比貫入阻力來計算淤泥的承載力，從而確定淤泥厚度；簡單的做法是采用測桿兩次讀數來確定淤泥的厚度，及當測桿觸及淤泥表面的時候讀取一個深度，用力將測桿往下，當達到一定阻力，測量人員判斷測桿已經觸及淤泥的下表面時再讀取一個深度，兩個深度之差即為我們所需要的淤泥厚度值。使用此種方法測量時，測桿的形狀、大小，測桿所承受的力的大小，直接影響到測量的精度，同時靜力觸探／測桿法無法測定淤泥的絕對密度，也無法查明浮泥和流泥的分布。

3 水下淤泥土方計算

水下淤泥厚度的測量最終目的是為了計算水下所淤積的土方量，為工程設計規劃或工程施工提供依據，所以必然要涉及到淤泥量的計算。

外業所采集的數據必須經過后處理形成規范的數據文件才能用于土方計算，一旦規范的數據文件形成后，淤泥量的計算與普通的土方計算并無多大區別。數據文件所應該包含的信息就是X、Y、Z，而X、Y兩個數據不難理解就是采樣點的平面坐標，Z數據可以是淤泥的厚度也可以是淤泥上表面或下表面的高程，通常在淤泥方量計算中我們取Z為淤泥厚度，通過軟件就可以計算出淤泥量來。

對于手工測量來說制作數據的工作量相對大些，如果由儀器測量，現在都有相配套的數據后處理軟件，可以根據用戶的要求生成包含不同要素的數據文件供不同用途的人使用，這樣不僅工作量相對小，而且效率要高很多倍。對于淤泥量計算來說只要設置好參數就可以一步到位的計算出來。所以淤泥測量主要是方法的選擇，也就是外業測量的方式決定了整個測量的效率和可靠性，而數據處理和土方計算相對簡單。

為改善溫瑞塘河水質狀況，做好主塘河生態清淤工程設計工作，對該水域進行1:1000水下地形測量、河底淤泥深度測量。考慮各方面因素，先進行水下地形測量，再選擇靜力觸探法，按100m間距采集淤泥的深度，并同時記錄探測點平面位置和河底高程，確保所測淤泥點具有平面、水深、淤泥三維一體性。用靜力觸探法采集的數據作為初步設計應用，清淤后，二次進行了水下地形測量，兩次測量計算差值即為淤泥的清淤量。

4 結論與建議

根據上述測量方法的討論及幾年來從事水下地形及淤泥深度測量的經驗得出如下結論與建議：

（1）根據目前測量領域現狀，筆者認為對于水下地形測量，測深儀+GNSS（RTK、RTD、COR等模式）是最佳選擇，不僅效率高、勞動強度低，而且節省資金。

（2）淤泥深度測量，可視情況選擇測量方法，對于小區域或對精度要求不高的項目可使用手工測量方法；對于大面積或對淤泥量精度要求比較高的項目最佳的選擇是雙頻超聲波測量法。

（3）因為水下測量不確定因素很多，建議在實際工程項目中采用下列方法實施：

①對于規劃設計階段可選擇適當的方法對淤泥量進行估算，估算結果僅作為規劃設計階段的依據。

②項目具體實施前可用測深儀器+GPS定位精確測量出水下淤泥表面的高程，測量結果經相關各方簽字確認，等施工結束后再使用同樣的方法測量施工后的水下地形。兩次測量分別生成兩個不同的曲面，兩曲面間所圍成的空間即為所清除淤泥的精確工程量。因為現在電腦運用廣泛，各種專業土方計算軟件很多，而且簡單易學，很容易推廣。

③建議有條件的項目，在測區內將水排干的情況下使用免棱鏡的全站儀器對淤泥表面的高程進行測量，等施工結束后再使用同樣的方法對淤泥底部的高程進行測量，這樣才能準確的計算出水下的淤泥量。

1. 王毅.水下地形與淤泥厚度測量[ J] . 測繪與空間地理信息, 2006, 29( 3) : 10-13.

2. 蔣志文，丁若冰，孫雪琦.GPS在水庫淤積測量中的應用 [ J] .水利建設與管理, 2010, (6): 47-49.

3. 張留柱，張民琪.GPS在水庫河道測繪系統中的應用[ J] . 人民黃河, 1997, （7) : 52-55.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.03.017

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1672-2469（2014）03-0048-03

17作者簡介：劉鳳學（1967年—），男，高級工程師。