ARC-船的研發(fā)及應(yīng)用

[] D.K.

河流、河口以及水庫中的測量工作歷來是耗時費(fèi)力的事，然而由于ARC-船的誕生，使一切都發(fā)生了改變。由瓦林福德水力研究機(jī)構(gòu)國際環(huán)境水力學(xué)專家研制的ARC-船，是一種遙控船，可以用來收集河流、河口和水庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如流速、水深和懸移質(zhì)泥沙濃度等。該船在國際上已經(jīng)得到較為廣泛的使用，用戶包括英國環(huán)境署、加拿大的水調(diào)查局以及新西蘭的水和大氣研究所(NIWA)等監(jiān)管機(jī)構(gòu)。

1 滿足使用者的需求

為了滿足英國環(huán)境署的需求，瓦林福德水力研究機(jī)構(gòu)于2011年開始研制ARC-船。與以前的工藝相比，要求該船在性能、可靠性和易用性等方面應(yīng)有所提高。為此，這兩個組織共同合作以保證所研制的船能夠滿足使用者的要求。

造船工程師設(shè)計的ARC-船為V形船體，可以達(dá)到最佳的操縱靈敏性以及最小的空氣夾帶量，以確保收集到的數(shù)據(jù)具有效高的質(zhì)量。該船可以配備GPS，而且配置了開放式基底的密封支架，這樣，可以在其上裝設(shè)各種儀器，包括聲學(xué)多普勒水流剖面儀，淺底地層剖面儀以及回聲測深器等。該船還可以攜帶多參數(shù)探測系統(tǒng)，以進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

船的長度約為2 m，船頭可以快速地被拆下，以使其長度減少到1.2 m。這樣可以將船分成2個部分來運(yùn)輸，且只需使用一輛中等長度的車就能拖運(yùn)，省去了拖車或?qū)Ｓ密囕v。

在船的上層甲板上安裝有扶手，這樣即使是在最困難的地方，也能使船上的一些配置很安全；另外，該船還具有獨(dú)立控制螺旋槳和雙舵，即使是在最惡劣的條件下，也可以提供卓越的操作靈敏性。該船采用的是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的遙控設(shè)備，控制范圍可達(dá)200 m，借助于藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳到陸地上的筆記本電腦。

2 操作優(yōu)勢

ARC-船在經(jīng)過嚴(yán)格的測試(包括在北威爾士的巴拉國家白浪漂流中心進(jìn)行漂流測試以后，于2012年正式下水投入使用。環(huán)境署首批定制了17艘，ARC-船隨后被環(huán)境署授予優(yōu)秀項(xiàng)目獎。由于ARC-船已證明了其自身在操作中的價值，環(huán)境署的船隊所需要的船數(shù)量在不斷增加，因此現(xiàn)在在英格蘭和威爾士每一個區(qū)域辦事處中，至少會使用一條ARC-船。

ARC-船提供了真正的運(yùn)行效率，環(huán)境署的水文測量和遙感勘測隊技術(shù)顧問尼克埃弗拉解釋道，該船的裝置和操作非常容易，因此利用它可以在更短的時間內(nèi)測量更多的地點(diǎn)。在ARC-船發(fā)明之前，需要四五個人在一整天的時間里來測量一個地點(diǎn)，而現(xiàn)在只需要2個人在1d時間里最多可以完成6個地點(diǎn)的測量工作。

由于ARC-船可以只需要一個人操作，一旦它進(jìn)入水中，一個人便能獨(dú)立完成一項(xiàng)測量任務(wù)，多出的一個人可以開展其他工作。這樣一來，在原先需要借助于載人船和大型團(tuán)隊才能完成工作的地方，其生產(chǎn)率可以提高近10倍。

ARC-船也為環(huán)境署顯著地節(jié)約了成本。因?yàn)樵摯瑤缀蹩梢圆贾迷诤由系娜魏蔚胤剑瑴y量人員現(xiàn)在可以選擇能提供最好數(shù)據(jù)的地點(diǎn)，而不會局限于測量人員可以更方便達(dá)到或者是具有適當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)。這種輕松的布置可以減少對昂貴的固定式索道系統(tǒng)的投資及維護(hù)費(fèi)用，后者需通過在河面上牽引流量測量設(shè)備來為流量計量站收集標(biāo)定數(shù)據(jù)。

與ARC-船不同的是索道被固定在一個地點(diǎn)。索道的修建和維護(hù)相對來說費(fèi)用昂貴。大型索道的安裝費(fèi)用在5萬～10萬英鎊之間，而且需要投入持續(xù)的維護(hù)費(fèi)用。

從河邊的安全方面來看，ARC-船的使用也有助于提高環(huán)境機(jī)構(gòu)從業(yè)人員的安全性。為了開展測量工作，他們不再需要到河里或是穿過橋梁及其他潛在的危險地段。

3 防洪反應(yīng)快速

2013年12月，英國各地的暴雨造成一些沿海建筑物較嚴(yán)重的損壞，其中包括賽德和林肯郡的防洪堤壩。環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)向這兩個地方派出了ARC-船來評估建筑設(shè)施的損壞程度，并迅速地提供評估資料，以便研究和采取補(bǔ)救措施。

在賽德，惡劣天氣和洶涌的風(fēng)暴造成150 a來最高浪潮記錄，這對白金漢附近的封砂防洪堤造成了嚴(yán)重的損壞。由于沖刷作用，致使在建筑物中形成一個跨度達(dá)70～80 m的漏洞，從而導(dǎo)致大量的海水進(jìn)入一個具有特殊科學(xué)價值的生物自然保護(hù)區(qū)，并對當(dāng)?shù)氐墓I(yè)生產(chǎn)和居民的生活造成了威脅。

由于安裝了聲學(xué)多普勒水流剖面儀，所以ARC-船能夠通宵地開展測量工作，根據(jù)其測量和收集的數(shù)據(jù)，工作人員在現(xiàn)場即可繪制出漏洞的三維圖。這使環(huán)境署能迅速行動，以有效地修復(fù)損壞部位。

在過去，這種類型的測繪工作一直是由一個團(tuán)隊在船上使用安裝在桿上的儀器來完成的。在賽德和林肯郡這次水災(zāi)事故中，ARC-船的應(yīng)用獲得了巨大成功，它能夠快速地進(jìn)行測量并收集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，以便工作人員迅速采取行動來保護(hù)這些受災(zāi)地區(qū)。更重要的是，自從有了ARC-船，工作人員可以安全地待在陸地上。

4 庫容及其淤積程度評估

ARC-船也可用于庫區(qū)的測量工作。因?yàn)橛芾頇C(jī)構(gòu)要求對水庫及湖泊的評估已擴(kuò)大到包括較小的水域，瓦林福德水力研究機(jī)構(gòu)借助于ARC-船，能夠快速、安全、經(jīng)濟(jì)地收集測探數(shù)據(jù)。

ARC-船都配備有一個聲學(xué)多普勒水流剖面儀或者是回聲測深儀，當(dāng)船被引導(dǎo)穿過水面時，可以對庫區(qū)河床進(jìn)行掃描，對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以后，即可以得到準(zhǔn)確的測量深度，還可以形成整個水體的三維圖。在GIS或CAD中經(jīng)過少量的三維后處理，即可以確定準(zhǔn)確的水量。

除了可用于對較小水庫的測量，對于較大的水庫，也可以利用這個新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來輔助完成諸如創(chuàng)建泥沙淤積模型之類的工作。這種模型可以防止庫容損耗，通過沖沙、開挖和疏浚等方式來延長水庫的使用壽命。

同樣，ARC-船可以用來進(jìn)行水下水電站調(diào)查或者是抽取管道中的進(jìn)水量來評估其淤積程度。這項(xiàng)工作極其重要，因?yàn)槟嗌硶?yán)重?fù)p壞水輪機(jī)，或?qū)_刷管道的運(yùn)行或者對供水管道從水庫中抽水造成很大的影響。