長江中下游崩岸監測技術應用研究

(1.長江水利委員會水文局, 湖北 武漢　430012；2.長江水利委員會水文局 荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州　434000)

1　概　述

水體崩岸是河床演變過程中水流對堤岸沖刷、侵蝕發生、發展積累產生的突發事件，也是沖積河流河道演變主要表現形式之一。受水沙條件、河勢調整及人類活動等因素影響，河道沿岸的險工險段崩塌現象時有發生。三峽工程蓄水以來，清水下泄，長江中下游河段受到持續沖刷，崩岸險情時有發生，嚴重影響長江堤防安全，對長江沿江經濟建設帶來不利影響[1]。為及時掌握長江崩岸險情的變化情況，發現或預報潛在崩岸險情，必須宏觀掌握長江崩岸險情的發展動態，收集的崩岸地形數據需具有全面性、系統性和連續性，同時做到對正在發生或即將發生的崩岸險情段的快速監測，第一時間收集險情數據，迅速掌握崩岸發展近況，并通過河道演變分析及數學模型計算，提出最佳方案，及時采取工程措施，遏制或減緩險情的發展，有效保護沿江人民生命和財產的安全[2]。

2　崩岸監測內容

崩岸地形監測主要內容一般包括崩岸巡查(根據實際情況可采取定期和不定期兩種形式)、大比例尺半江地形測量(一般要求測過河道主泓線)、水文測驗(包括近岸水位、水溫、流量、流速、表面流速流向及水文泥沙)等。

崩岸巡查主要分日常巡查和應急巡查兩種。日常巡查主要在汛前、汛期高洪退水后及汛后枯季，一般汛前、汛后枯季各安排一次，汛期安排不少于兩次。應急巡查為遇特殊情況下(如遭遇大洪水、大暴雨、河道水位驟變、險工險段突發重大崩岸險情等)進行的全面、專門或連續性的巡查，巡查測次主要根據水情變化持續時間或崩岸發生程度而定。大比例尺地形監測一般采用1∶200～1∶2 000測圖比例尺，對重點監測的險工險段、已發重大崩岸險情段及預警段進行多測次、連續性的半江地形測繪，快速獲得相應地形圖資料[3]。通過對近期多測次、年內及年際地形圖資料變化分析，初步判定險工險段的穩定性和安全性，為下一步護岸整治、水體綜合治理提供基礎資料。險工險段除近岸河床地形測量外，還需要對水流動力、河床邊界條件等項目進行監測，以便分析崩岸進一步發生的可能性和崩岸發生的內在機理。監測主要包括水位、流速、表面流速流向、懸移質含沙量、懸移質顆粒級配、河底床沙、崩岸岸線物質成分分析等內容。

3　崩岸監測技術

3.1　崩岸巡查

一般采用快艇、越野車作為水、陸交通工具，通過技術人員現場實地巡視檢查，目測了解河道主流線、水流頂沖點、漩渦等變化情況；查看了解迎水坡護面或護坡是否有裂縫、剝落、滑動、隆起、松動、塌坑、沖刷等現象；查看背水坡及堤內腳是否有散滲、滲水坑、管涌等現象。對已經發生的崩岸段進行拍照、攝影，并采用激光測距儀、鋼卷尺等量測崩岸縱橫方向的長度和寬度，初步判斷崩岸進一步發生的可能性，查找出潛在的崩岸險情段，以避免重大崩岸險情進一步惡化。

每次巡查應詳細填寫現場檢查表，及時整理現場記錄，并與照片、影像等其他輔助資料一一對應。巡查完畢后，應與前一次或歷次檢查結果進行對比分析，若發現異常情況，需立即提交巡查簡報。巡查人員應具備相關專業知識，且應相對固定，以便準確了解和掌握異常情況。

3.2　大比例尺險工段地形測繪

3.2.1陸上地形測繪

傳統險工段陸上地形測量方法，一般包括方向交會法、距離交會法、經緯儀測繪法、平板儀測圖法、經緯儀配合小平板儀測圖等。目前陸上地形測量一般采用全站儀電子平板、草圖編碼法(GNSS RTK或全站儀極坐標法采集數據)等測圖方法。

(1)全站儀電子平板測圖。全站儀電子平板測圖系統包括全站儀、計算機及配套的數據采集編輯軟件。現場測圖時，在測站上通過全站儀觀測地物點，并通過終端連接線將測量數據實時傳送給計算機，計算機屏幕實時顯示點位和圖形，測量人員可對其進行現場編輯和繪制。該系統內置了測圖規范中定義的圖式符號，生產人員也可自行定義，既提高了成圖速度，又提高了測圖的準確性和真實性。相較于其他測圖技術，電子平板技術的優勢在于現場測圖、現場成圖，能更準確地把握地形地貌，在很大程度上減少了地物錯繪漏繪。

(2)草圖編碼法。草圖編碼法是指測量人員在現場通過GNSS RTK等采集測量數據，同時繪制草圖或者進行地物編碼記錄，內業繪圖人員導出采集數據后，根據草圖或編碼信息完成地形圖繪制及編輯工作。該技術的主要優點是工作效率高、分組靈活，但由于地形圖不是在現場繪制，與傳統的現場白紙測圖及電子平板技術比較，易于錯繪、漏繪地物，因此一般用于地形相對簡單、地物較少的情況。

(3)無人機低空攝影測量技術。采用無人機低空攝影測量技術，能獲取高分辨率數字影像，以無人駕駛飛機為飛行平臺，高分辨率數碼相機為傳感器，通過3S技術在系統中集成應用，可以快速獲取小面積、真彩色、大比例尺、現勢性強的航測遙感數據[4]。

由于長江崩岸地形監測一般在局部河段開展，且現勢性要求較高，因此無人機低空攝影測量技術相對于衛星遙感和普通航空攝影更具有實用性。另外，無人機具有靈活機動的特點，可獲取比衛星遙感和普通航攝更高分辨率的影像，屬于近景航空攝影測量，其精度能夠滿足一般崩岸監測精度要求。總之，無人機低空航攝系統使用成本低、耗費低、機動靈活，尤其適合面積較小的局部河段地形監測任務，相對于全野外數據采集方法成圖，該方法將大量的野外工作轉入內業，既能減輕勞動強度，又能提高作業的效率，是當前長江崩岸陸上地形監測的一個新的發展方向。

3.2.2數字化水下地形測繪

數字化水下地形測繪技術一般包括單波束和多波束測量技術。單波束測量系統一般包括GNSS平面定位設備、單波束數字測深儀、計算機及配套的數據采集軟件；多波束測量系統一般包括GNSS平面定位設備、姿態傳感器、多波束測深系統及配套的導航、數據采集、處理軟件。單波束測深系統安裝方便、技術成熟，廣泛應用于當前的水下地形測量、斷面測量工作。與單波束測深儀相比，多波束測深系統具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優點，它將測深技術從點、線擴展到面，并進一步發展到立體測深和自動成圖，適合進行面積較大的大比例尺水下地形測量。

3.2.3EPS全息測繪系統

EPS全息測繪系統是集成多源測圖方法及數據庫管理、內業編輯、查詢統計、打印出圖、工程應用于一體的面向GIS的野外數據采集軟件。EPS所采集的數據不僅符合國家圖式規范的數字成圖和專業制圖的需求，同時滿足GIS對基礎地理數據信息化和地理信息的完整性、拓撲性、圖屬一致性等各項性能要求，滿足系統的查詢、統計、分析應用的需求。其中數字化測圖模塊是全息測圖系統的核心部分，它作為儀器與計算機結合的媒體，并通過軟件實現即測即顯，做到野外現場測圖、實時展點、實時編輯，及時繪制與屬性錄入，使每一測點在幾何信息、屬性信息及點與點的拓撲關系得到準確的測定和描述，從而保障了數字地形圖在位置精度、屬性精度、邏輯一致性、完整性及現勢性等方面的成果質量。

3.2.4船載一體化水邊測量技術

傳統河道邊界水邊形狀的施測是以點形式進行數據采集，一般以全站儀極坐標法或GNSS RTK方法為施測手段，但由于安全風險等問題，在崩岸河段往往難以獲得真實、準確的水邊形狀。

船載數字雷達和數字近景攝影方式同步使用對河道水邊界高精度測繪方法具有顯著優勢，雷達連續掃測水邊界圖像數據，后處理進行圖像校正、拼接并自動提取水邊界數據。近景攝影系統在慣導系統(GNSS+IMU)的支持下，以像方控制的方式在船上安裝普通數碼相機，獲取河岸近景多基線序列影像，并基于數字近景攝影測量、視覺測量理論和數字圖像處理等技術，對序列影像進行空間量測化處理，實現水邊界的精確提取。其優勢體現在：該技術具有嚴密的理論基礎，能獲取目標精確的二維和三維空間信息和物理信息；該技術屬于非接觸式測量技術，能有效克服觀測目標難以到達的問題；隨著近年來高精度POS系統的普及，有效解決了雷達掃描和攝影測量對控制點依賴問題，大大提升了該技術的靈活性，極大降低了勞動強度；該設備安裝在船上，非接觸式對水邊界掃描和攝影測量，既能有效克服陸地測量植被高密度覆蓋造成的視線遮擋問題，又便于實現水下地形測量與水邊界測量的一體化。

3.3　水文測驗

3.3.1水沙條件變化監測

水沙條件變化監測一般包括來水來沙條件監測、崩岸段半江一級水文斷面監測、懸移質泥沙含沙量分布觀測、岸坡波浪觀測等4個方面內容。

(1)來水來沙條件監測。利用了上游河段水文、水位站監測成果，包括水位漲落率(各水位站)、洪峰過程、沙峰過程及來量等。

(2)半江一級水文斷面監測。不同流量下崩岸段近岸水沙條件會發生變化，監測內容主要包括水溫、水位、流速分布、水面流速流向、比降、含沙量及床沙、懸移質顆粒級配等。半江一級水文斷面同固定斷面，橫向測至深泓外100 m。水面流速流向半江范圍內布設3線。半江一級水文斷面監測與地形變化監測同步進行。

(3)懸移質泥沙觀測。按選點法測驗，取樣垂線及測點布置與測速垂線、測點保持一致，計算測點、垂線平均、斷面平均含沙量及斷面輸沙率，以便掌握近岸含沙量的分布及崩岸上下游含沙量特性的變化情況。

(4)波浪觀測。在布置的監測斷面上觀測波高、周期、波向、波型、水面情況等，輔助要素為風速和風向，采用目測或浮球式加速度型測波儀、聲學測波儀和重力測波儀等自記測波儀觀測。

3.3.2河道邊界條件監測

近岸河槽部分的床沙、河岸土壤成份結構、級配、孔隙度及含水量監測，可采用內部形態觀測造孔的土柱樣品并進行分析。對有拋石護岸的河段，利用淺地層剖面儀、側掃聲吶結合GNSS、綜合集成軟件等對河床底質及淺地層進行探測。通過淺地層及表層探測，一方面了解護岸及崩岸河床淺地層的地質結構及表面形態，另一方面跟蹤護岸護底及近岸拋石受水流影響的后續分布情況。

4　地形測量成果簡要分析方法

地形測量成果簡要分析方法包括沖刷坑特征值統計分析及特征斷面套匯疊加分析等方法。沖刷坑的特征值統計分析是按照觀測年份，對沖刷坑最深點高程、縱向相對位置、距標準線距離、與岸線距離、沖刷坑面積及水下坡比等特征參數進行統計，基于沖刷坑特征值的變化進行系統分析和統計；特征斷面套匯疊加分析是在崩岸沖刷區典型區段提取斷面，套匯疊加，通過分析比較多年來斷面的變化形態、趨勢，總結岸線、深槽、頂沖點、岸坡比的變化趨勢。

以某險工險段崩岸監測為例，在沖刷坑和崩岸段分別取5個斷面對護岸監測資料進行分析，對應于護岸段樁號分別為4+474、3+194、3+057、2+967、2+932。該險段水下坡比統計及河床特征值變化統計分別見表1和表2。從表1可以看出該段水下坡比在2002年后有所增大，2004年后呈大幅增大態勢，岸坡趨于不穩定，特別是4+474、3+057和2+967的水下坡比最大，2008年和2011年水下坡比甚至大于1∶2.50，岸坡逐漸失穩。崩岸段水下坡比變陡，其水下坡比極值是2+967斷面，其次為3+057中斷面，第3為4+474斷面，第4為2+932斷面，最小為3+194起點斷面。2002年前后比較各斷面水下坡比明顯變陡，朝不穩定方向發展，有潛在的崩岸險情。

表1　某險工險段水下坡比統計

從表2沖刷坑特征值的變化來看，近岸河床2008年年內變化特點為汛前淤積，汛期沖刷；沖刷時沖刷坑范圍迅速擴大拉長，垂向沖深幅度為5～6 m；2011年年內變化特點為汛前沖刷，汛后淤積，變幅較小。年際變化總體呈沖刷發展狀態，表現為先沖刷后淤積再沖刷，沖刷坑最深點高程和面積最大值均出現在2008年汛期，2011年與2008年同期較汛前沖刷坑面積有所增大，相應地最深點高程有所沖深，汛后面積有所減小，相應地最深點高程有所淤高。從總體來看，沖刷坑最深點的相對位置變化不大，最深點高程值變小，沖刷坑面積增大。4+474附近水下坡比大幅度變陡，朝不穩定方向發展。

表2　某險工險段近岸河床特征值變化

綜合分析半江斷面的年際變化情況(見圖1與圖2)，由該險工段所取5個斷面自上而下的變化可以看出其動態演變過程：處于上部的4+474斷面位于彎頂偏下，多年來斷面形態不穩定，變化主要表現為右岸的崩退及右槽的右移、沖深，右岸的北門灘逐漸沖刷消失，自1993年以來汛后深槽呈逐年沖深態勢，2006年達近期最低值-11 m，累計沖深達26 m，2006～2011年有所淤高，淤積幅度為5.6 m，水下坡比較大并趨于不穩定。處于險工段中上部的崩岸起點斷面主要表現為蓄水前岸線的崩退和深槽的右移沖深，蓄水后深槽累積沖深，但岸線相對穩定。處于險工段中、下部的其他3個斷面近年來的年際變化規律基本一致，均表現為蓄水前岸線的崩退和深槽的沖刷右移，蓄水后深槽則表現為先沖刷后淤積再沖刷并達近期最低值，深泓緊貼岸邊，特別是該崩岸中斷面和止點斷面的岸坡坡比增大并趨于不穩定。

圖1　4+474半江斷面年際變化

圖2　4+474半江斷面年內變化

綜上所述，該險工段年際近岸河床表現為2002年前岸線的崩退和深槽的沖刷右移，2002年后深槽總體沖刷下切，2008年出現歷年最低值，頂沖點下移，深泓緊貼岸邊，特別是崩岸中斷面和止點斷面的岸坡坡比增大并趨于不穩定[5]。

5　結　語

20世紀90年代以前，險工險段的監測方法以光學儀器和紙質記錄為代表的常規觀測方法為主。進入21世紀，隨著測繪技術和電子技術的飛速發展，主流的崩岸監測技術主要由全站儀、電子水準儀、GNSS、單波束測深系統、多波束測深系統等電子儀器來實現。當前測繪技術逐漸向多元化方向邁進，無人機航空攝影測量、無人船遙測水深等測量技術日趨成熟，在崩岸監測、險工險段監測中都具有很高的實用價值，相信在未來幾年將會有更廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]余文疇，盧金友. 長江河道崩岸與護岸[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

[2]長江水利委員會． 長江中下游護岸工程40 年[C]∥長江中下游護岸工程論文集(4).武漢: 水利部長江水利委員會，1990．

[3]陳祖煜，孫玉生. 長江堤防崩岸機理和工程措施探討[J].中國水利，2000(2)：28-29.

[4]張惠均． 無人機航測帶狀地形圖的試驗及分析[J]．測繪科學，2013，38 (3) : 100-102.

[5]龍慧，彭玉明，彭嚴波等.2011年荊江河段重點險工沖淤變化分析[R].荊州市：長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，2011年.