智慧無人船在丹江口水庫水文泥沙監測中的應用

李振鵬 涂進

摘要：丹江口水庫上游河流沖刷、泥沙淤積沉淀使水庫庫容發生了變化，進而影響水庫的供水效益和生態效益，有必要對水庫泥沙進行監測。提出在無人船平臺上，采用雙頻回聲儀配合千尋系統獲取高、低頻兩種水深的水下地形圖，然后根據兩種水深的水下地形圖相減獲得淤泥厚度圖，完成對水庫的水文泥沙監測，并在丹江口水庫實地測試。結果表明，該方法具有較高的精度和效率，可為丹江口水庫水文泥沙監測提供技術支持，以更好地發揮水庫的綜合效益。

關鍵詞：智慧無人船;水文泥沙監測;克里金插值;水面高程;淤泥厚度;丹江口水庫;漢江

中圖法分類號：TV149

文獻標志碼：A

DOI：10. 15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.003

1 研究背景

丹江口水利樞紐是漢江開發的第一個控制性大型骨干工程，位于湖北省丹江口市。該工程距碾盤山240 km，距河口652 km，控制流域面積95 217km2（約占漢江全流域的60%[1-2]，具有防洪、供水、發電、航運等綜合利用效益，是漢江開發治理的關鍵工程，同時也是南水北調中線工程的水源工程[3]。樞紐于1958年開工建設，初期工程于1973年建成。2005年9月，丹江口大壩加高工程開工建設，2013年5月加高工程主體工程完工，同年8月通過國務院南水北調辦公室組織的蓄水驗收。

近年來，由于上游來沙和水庫泥沙淤積沉淀，丹江口水庫底部泥沙狀況發生了較大變化，直接影響了水庫庫容，甚至會影響水庫水質和綜合利用效益。因此，對丹江口水庫開展水文泥沙監測很有必要。

水庫水文泥沙精細化監測主要通過對水庫底部淤泥探測和分析實現。目前國內外對水庫底部淤泥探測的方法主要有人工潛水探摸和鉆探取樣、雙頻測深儀探測、Silas淤泥探測法等[4]。人工潛水探摸和鉆探取樣屬于點探測式，效率低且工作量大。Silas淤泥探測法成本高，且探測淤泥厚度有限。雖然國內有學者研究雙頻測深儀探測方法，但基于無人船平臺的雙頻測深儀探測法尚未在水庫深水區域內開展應用。針對這一情況，本文提出基于智慧無人船平臺的雙頻回聲儀淤泥探測法，并在丹江口水庫中應用，效果良好，可為今后大型水庫水文泥沙監測提供參考。

2 智慧無人船系統組成

本文試驗采用的智慧無人船長1.5 m，寬0.7 m。結構主要包含岸基控制系統和勘測船體兩個部分。岸基控制系統包含筆記本電腦、遠程控制軟件、通訊單元等;勘測船體包括無人船主體、無線傳輸系統、控制系統、推進排水系統、測量系統和電源系統[5]。船體安裝了千尋差分定位系統及雙頻回聲儀測深系統。千尋差分定位系統能實時獲取測點三維信息，具有定位精度高、定位速度快、全國覆蓋、全天候服務等諸多優點[6]。而雙頻回聲儀可同時發射208 kHz和24 kHz兩個頻段的超聲波信號，獲取淤泥頂部和底部的深度數據，二者同步采集數據能實現水文泥沙的實時監測。

3 工作原理與工作流程

3.1 測深工作原理

水深測量系統由負責聲波發射與接收的換能器和負責聲波信號處理的微電腦組成。換能器集成于無人船船底，垂直向下發射一束聲波，聲波在水底發生反射折回，并由測深儀換能器接收，根據聲波發射和接收的時間差△t以及聲波在水中的傳播速度V，微電腦自動計算出測點的水深D[7]。

D =（Vx △t）/2

（1）

3.2 淤泥厚度計算方法

HY1602回聲儀裝置同時使用208 kHz和24 kHz兩個工作頻率。其中，由于波長長、穿透力強，低頻能夠到達河床底部;高頻的穿透能力較弱，只能到達淤泥頂部。利用兩者高程差，計算淤泥厚度[8]：

H淤泥頂高=H水面高程一H高頻

（2）

H淤泥底高=H水面高程一低頻

（3）

H淤泥厚度=H淤泥頂高一H淤泥底高

（4）

3.3 工作流程

水文泥沙監測工作流程見圖1。

（1）測量準備。主要包括設備安裝與調試以及測區信息錄入。在施測前，需對千尋差分定位系統和測深儀的精度及穩定性進行測試，并做好比測記錄。無人船的控制系統也需要進行穩定性測試。測區信息錄入包括預制計劃線，根據比例尺設置偏航距和測點間距等。

（2）聲速測定與測點三維信息采集。2014年12月南水北調中線工程正式通水后，水庫正常蓄水位從157 m提高至170 m，最深處水深超過80 m，水體出現溫躍層，在夏季表現尤為明顯。溫躍層的出現使聲速沿水深呈現較大變化，必須用專用的聲速剖面儀來精確測定水下聲速，進而得到精準的水深值，然后采用后處理軟件完成聲速改正。在測量過程中，量取的表層水溫為25.8℃，聲速設定為1 494 m/s。聲速剖面測量則是在航標船上采用HY1203聲速剖面儀施測，每0.5 m水深記錄一次聲速值，記錄如圖2所示。

所有參數設置完畢并上傳信息成功后，無人船遙控器撥到手動模式，控制測船偏航距，開啟數據采集模塊，采集測點的三維信息。

（3）數據預處理。包括聲速改正計算和水面高提取。結合聲速剖面數據，聲速改正在長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局研發的河道勘測數據處理系統平臺下完成。采用GNSS三維水深測量方式，水面高程提取在河道勘測數據處理系統平臺下實現。測前需輸入測區七參數，并精確量取GNSS接收機天線高，測量過程中保持測船平穩。

（4）河底高程計算。包括淤泥頂部高程計算和淤泥底部高程計算。計算方法見式（2）和式（3），其中H水面高程通過GNSS三維水深測量獲得。河底高程計算在河道勘測數據處理系統平臺下完成。

（5）柵格數據生成。提取離散的淤泥頂部高程和淤泥底部高程。分別通過克里金插值計算得到生成高頻和低頻格網的柵格數據，

（6）淤泥厚度計算與表達。利用地圖代數方法，求取淤泥頂部和淤泥底部的差值，從而獲得淤泥厚度，在ArcGIS平臺下輸出淤泥厚度圖。

4 試驗與結果

本文選擇在丹江口水利樞紐附近試驗。測區為400 mx400m的正方形水域，水深40 - 55 m，共布設測線20條。平面坐標系統采用1954年北京坐標系，高程系統采用1985國家高程基準。采用的儀器設備包括：智慧無人船1艘，HY1602雙頻回聲儀1臺，HY1203聲速剖面儀1臺，GNSS接收機1臺，筆記本電腦1臺;軟件包括Hypack Max導航軟件，ArcGIS軟件以及河道勘測數據處理軟件等。數據采集接收后，在河道勘測數據處理系統中完成聲速改正，計算出河底高程，在ArcGIS平臺下完成數據格式轉換。

在實際生產中，有準確數值的采樣點數量有限，不能滿足泥沙精細化監測的需要，需要獲取大量的未采樣點的信息，只能采取插值的方式獲取。常用的插值方法主要有：反距離權重法、樣條函數法、克里金法等。本文采用克里金法插值，插值得到的低頻面和高頻面柵格數據如圖3所示。

為檢驗插值精度，預留40個樣本點不參與柵格文件構建。柵格文件構建完成后，在ArcGIS平臺下完成精度檢測，檢測結果滿足SL 257-2017水道觀測規范[8]要求。檢測結果見表1。

完成精度檢測后，在ArcGIS平臺下使用低頻面和高頻面的數據，通過地圖代數運算，計算淤泥厚度并成圖，得到的結果如圖4所示。使用4級分級圖顯示，藍色區域淤泥厚度最薄，綠色區域淤泥最厚。從圖4可知，兩側的淤泥厚度較薄，而中央的淤泥厚度則相對較厚。

低頻面、高頻面以及淤泥厚度面的統計值見表2。從表2可知：低頻面可以近似指代淤泥底部，均值為95.63 m;高頻面可以近似指代淤泥頂部，均值為95.19 m。淤泥平均厚度0.44 m，分布較為均勻。

5 結語

使用智慧無人船進行河底淤泥厚度探測，可以一站式獲取水庫底部淤泥信息。同時無人船使用的蓄電池屬于清潔燃料，節能環保，不會污染水質，代表了水文泥沙監測的發展趨勢。

目前本文方法僅在丹江口水利樞紐附近進行了測試，尚未進行大規模河底淤泥厚度測量，因此還缺乏更多實驗樣例。在下一步的研究中，將會在丹江口水利樞紐工程附近進行多測次試驗，進一步改進該方法的相關技術，切實為水文泥沙監測提供技術支持。

參考文獻：

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[2] 褚應丹，丹江口水利樞紐綜合效益巨大[J].中國三峽，2018（6）：64-73.

[3]穆青青，何曉東，丁洪亮，等.2017年丹江口水庫精細化調度實踐與探討[J].人民長江，2018，50（3）：41-46.

[4] 張惟河，梁思明，楊仁輝.側掃聲納和淺地層剖面儀在表層淤泥探測中的應用[J]港口工程，2014（10）：86-91.

[5]譚凱婷.梁昭陽.無人船測量系統在水庫地形測量中的應用[J].城市勘測，2018（1）：132-135.

[6] 江木春，王柱，洪劍.千尋位置在江烏航道測量中的應用[J].水運工程，2019（7）：191-195.

[7]王智明，張文峰，白艷超.無人船在水庫庫容監測中的應用[J].城市勘測，2019（2）：126-128.

[8]

SL 257-2017水道觀測規范[S].

（編輯：唐湘茜）

作者簡介：李振鵬，男，工程師，主要從事河道勘測和航道監測工作。E-mail： yilianchouzi4251@ 163.com