多波束測(cè)深系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用

朱良康

摘 要：介紹多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理，其在水利工程建設(shè)及后期運(yùn)行中的應(yīng)用，探討影響其測(cè)量精度的主要因素及改善措施，展望其未來發(fā)展。

關(guān)鍵詞：多波束測(cè)深；水利工程；水下地形測(cè)量

水力發(fā)電作為一種可再生、無污染的清潔能源被廣泛開發(fā)利用，人們興建水利工程可滿足防洪、排澇、供水、發(fā)電、航運(yùn)、旅游等多方面的需求，從而有效抵御洪澇旱災(zāi)、促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面發(fā)展、保護(hù)水土資源和改善生態(tài)環(huán)境。但是，水利工程的興建，人為改變了河流原來的發(fā)展演變規(guī)律，從而對(duì)河流的水文形勢(shì)，河流生態(tài)等產(chǎn)生各種持續(xù)而深遠(yuǎn)的影響。[1，2]

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成及工作原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的組合設(shè)備，系統(tǒng)本身由發(fā)射接收換能器、信號(hào)控制處理器、運(yùn)動(dòng)傳感器等組成，還需配備羅盤，姿態(tài)儀，定位GPS，數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)，并且一般需要安裝在導(dǎo)航船上工作。多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理和單波束回聲測(cè)深儀基本相同，即測(cè)量每個(gè)波束聲波信號(hào)的旅行時(shí)間和反射角度，結(jié)合定位數(shù)據(jù)、測(cè)量船的姿態(tài)數(shù)據(jù)、聲速數(shù)據(jù)來計(jì)算每個(gè)波束測(cè)得的水深。[3]

2 多波束測(cè)深系統(tǒng)在水利建設(shè)中的應(yīng)用

分析、了解、評(píng)價(jià)和解決水利工程建設(shè)對(duì)河流的影響，從而實(shí)現(xiàn)水利工程與河流流域的協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。水下地形測(cè)深系統(tǒng)是了解、掌握河流水下地形變化，解決水利工程修建帶來的不利影響的有效工具之一。目前，利用多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量水下地形已成為普遍采用的重要手段，國(guó)內(nèi)外運(yùn)用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形的測(cè)量的原理和方法均已成熟。

2.1 水庫(kù)淤積及沖刷測(cè)量

我國(guó)的大江大河大多泥沙含量較大，在河流上修建水庫(kù)，導(dǎo)致河流水位提升，流速降低，必然造成泥沙淤積[4]，而在水庫(kù)下游，由于發(fā)電尾水及汛期泄洪的沖刷，對(duì)河床及河底都會(huì)造成一定程度的改變，威脅著水庫(kù)的運(yùn)行安全和效率。利用多波束測(cè)深系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)水下地形的變化，可為水庫(kù)上游的清淤工程及水庫(kù)下游的河床保護(hù)提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，節(jié)省成本，提高工作效率。張壯志[5]利用多波束測(cè)深系統(tǒng)完成葛洲壩水電站上游導(dǎo)沙坎前區(qū)域清淤前后的水下地形測(cè)量，從而全面反映清淤前后水下地形的變化情況及對(duì)清淤工作量進(jìn)行精確計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

2.2 航道水下地形測(cè)量

航運(yùn)作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾緩街唬S著水利工程的修建，極大地改變了河道原有的水位變化，包括水流形態(tài)，沖淤方式改變等，水庫(kù)上游水位上升，原有急流險(xiǎn)灘可隨著水位抬高而被淹沒，航道水深增加，航道等級(jí)提高，而下游水量減少，水流形勢(shì)發(fā)生較大改變，下游的航運(yùn)能力降低，從而對(duì)整個(gè)河段的航運(yùn)造成一定程度的改變[6]。這些變化極大地增加了航道運(yùn)行的安全隱患，及時(shí)，準(zhǔn)確的掌握這些變化，并作對(duì)應(yīng)的調(diào)整可有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，利用多波束測(cè)深系統(tǒng)可以準(zhǔn)確清晰的了解、掌握水下地形，對(duì)水深，水下暗礁，淺灘等影響航運(yùn)的因素準(zhǔn)確掌握，提高航運(yùn)安全。

張從奎[7]運(yùn)用SEABAT 8101多波束測(cè)深系統(tǒng)在三角磧河段卵石沙波運(yùn)動(dòng)觀測(cè)中對(duì)一段航道試驗(yàn)段做了2次重復(fù)水深測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的分析表明，多波束測(cè)量的水深資料可反映水下微地形和分析局部沉積物運(yùn)移趨勢(shì)，且具有傳統(tǒng)單波束測(cè)深不可比擬的優(yōu)勢(shì)；付偉[1，8]利用RESON SeaBat 7125多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)丹東大東港航道進(jìn)行水下地形測(cè)量并與單波束測(cè)量的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其應(yīng)用于航道測(cè)量是可行的，其測(cè)深精度完全可以滿足航道管理和航標(biāo)維護(hù)的要求。

2.3 水流場(chǎng)模擬

水利工程的修建，改變了原來河流的生態(tài)環(huán)境，尤其是水流流速的改變，導(dǎo)致部分水生生物的生存環(huán)境發(fā)生巨大改變，為了了解生態(tài)環(huán)境改變對(duì)水生生物的影響，降低其對(duì)水生生物的影響[1]，模擬水流流速改變十分必要。獲取水下地形數(shù)據(jù)則是進(jìn)行模擬的前提，利用多波束測(cè)深系統(tǒng)，可以快速、高效獲得準(zhǔn)確的水下地形數(shù)據(jù)。莫偉均利用EchoSweep300多波束測(cè)深系統(tǒng)獲得北盤江支流打幫河的部分河段水下地形數(shù)據(jù)，導(dǎo)入FLOW3D得到三維實(shí)體河道模型，結(jié)合走航式聲學(xué)多普勒流速儀（ADCP），最后利用FLOW3D數(shù)值模擬，得到了打幫河生境下魚類對(duì)流速的適宜性曲線。

3 影響多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量精度的因素及改善措施

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究狀況，結(jié)合多波束測(cè)深系統(tǒng)實(shí)際操作應(yīng)用，筆者發(fā)現(xiàn)所獲得的水下地形地形測(cè)量的精度和質(zhì)量會(huì)受到多種因素的影響，影響多波束測(cè)量質(zhì)量和精度的主要因素如下[9，10]。

3.1 設(shè)備因素

多波束測(cè)深系統(tǒng)是組合設(shè)備，每一個(gè)儀器的本身精度和系統(tǒng)安裝精度都會(huì)對(duì)最終的成果精度造成一定的影響。

由于多波束換能器安裝在導(dǎo)航船上，這很容易導(dǎo)致儀器實(shí)際位置不可能完全水平，同時(shí)在測(cè)量過程中受風(fēng)、涌、波浪等因素影響，換能器與真實(shí)水平面總會(huì)存在夾角，我們通常把換能器與船只水平面縱向的夾角稱為縱搖偏差，換能器與船只水平面垂直方向的夾角為橫搖偏差。每一個(gè)橫搖角與縱搖角都包含一個(gè)動(dòng)態(tài)分量和靜態(tài)分量。

動(dòng)態(tài)分量可以通過姿態(tài)儀予以校正；靜態(tài)分量是由于設(shè)備安裝在導(dǎo)航船造成的，稱之為橫搖偏角和縱搖偏角。羅經(jīng)安裝的指向與船艏指向可能存在偏差，我們稱這個(gè)偏差叫艏向偏差；由于定位系統(tǒng)與測(cè)深系統(tǒng)不同步，使測(cè)深點(diǎn)產(chǎn)生位移，導(dǎo)致測(cè)得的河底地形發(fā)生變形，這種效應(yīng)通常稱為定位時(shí)延誤差。

對(duì)于這些影響因素，通常在條件允許下選用更加精準(zhǔn)的定位儀器，而儀器安裝時(shí)產(chǎn)生的橫搖偏差，縱搖偏差，定位時(shí)延誤差及艏向偏差，需要在實(shí)地測(cè)量前，選擇合適的已知地形進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)計(jì)算的校準(zhǔn)步驟，有效提高測(cè)量精度。

3.2 環(huán)境因素

多波束測(cè)深系統(tǒng)在實(shí)地測(cè)量過程中，受到當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響，也會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定的不利影響，主要因素有水面的風(fēng)速，浪涌，船速，水下地形的復(fù)雜程度等，而且它們之間是相互關(guān)聯(lián)，通常影響導(dǎo)航船的穩(wěn)定包括水面風(fēng)速過大引起浪涌較大、船速過快，導(dǎo)致接收的回波信號(hào)減少包括水下地形的復(fù)雜程度、船速過快。為減少這些環(huán)境因素帶來的不利影響，在實(shí)地測(cè)量時(shí)，通常會(huì)選擇在天氣良好，風(fēng)浪較小時(shí)間段，保持船體平穩(wěn)慢速行駛，適當(dāng)增加測(cè)量回次從而盡量提高測(cè)量精度。

4 應(yīng)用展望

水下地形測(cè)量技術(shù)受益于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料工藝技術(shù)等高新技術(shù)的高速發(fā)展。多波束測(cè)深是在20世紀(jì)70年代在單波束測(cè)深儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從單點(diǎn)測(cè)量改變成線式測(cè)量，并可以得到三維立體圖，使水下地形測(cè)量技術(shù)發(fā)展到新的高度。多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種有著高分辨率，高穩(wěn)定性，全覆蓋的水下地形設(shè)備，能更快更精準(zhǔn)的繪制水下地形，大大減少了用戶測(cè)量時(shí)間與成本，是當(dāng)今水深測(cè)量和水底地形勘測(cè)最先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備，必將成為水下地形測(cè)量主要工具之一[11，12]。

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