青草沙水庫圍堤龍口截流工程水文監(jiān)測系統(tǒng)的研制

杜亞南,吳敬文,李 保

(長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局,上海 200136)

青草沙水庫圍堤龍口截流工程水文監(jiān)測系統(tǒng)的研制

杜亞南,吳敬文,李 保

(長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局,上海 200136)

為確保青草沙水庫圍堤龍口截流工程的順利進(jìn)行,設(shè)計(jì)并研制了專用于高流速、高落差水域進(jìn)行水位、流速及流向測量的水文監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)將GPS移動(dòng)臺置于密封的浮球內(nèi),浮球內(nèi)安置姿態(tài)傳感器、數(shù)字羅經(jīng)以及數(shù)據(jù)存儲設(shè)備,利用GPS實(shí)測數(shù)據(jù),結(jié)合浮球姿態(tài)參數(shù)、GPS天線在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)、船體坐標(biāo)系到水面的垂直距離,通過PPK解算、姿態(tài)改正等處理,聯(lián)合確定水面的高程和流速。實(shí)際監(jiān)測結(jié)果表明,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,測量結(jié)果與實(shí)際情況一致,有效地解決了高流速、高落差龍口水域流速、流向和水位難以確定的問題。

龍口截流工程;水文監(jiān)測系統(tǒng);流速;流向;水位;青草沙水庫

長江口青草沙水庫原水工程是造福上海市民飲用水安全的民生工程。青草沙水庫圈圍面積近70 km2,新建圍堤長達(dá)22 km,工程于2007年12月正式開工,2009年1月新建大堤合龍,2010年12月完工。截流是工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),截流順利與否直接關(guān)系到工程建設(shè)的整體進(jìn)度。因此,在截流期對龍口進(jìn)行實(shí)時(shí)水文監(jiān)測,掌握龍口水文要素的動(dòng)態(tài)變化,可以為施工組織決策提供重要的科學(xué)依據(jù)。

目前龍口水域的流速、流向測量多采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic doppler current profilers, ADCP),但ADCP難以提供水面流速和流向[1],且載有ADCP的測量船難以在龍口高流速(最大流速達(dá)6 m/s[2])、高落差(最大落差達(dá)1.1 m[2])的水域進(jìn)行測量。目前國內(nèi)外還沒有能夠在高流速、高落差水域進(jìn)行水位、流速和流向測量的方法和系統(tǒng),國內(nèi)諸多截流工程均因技術(shù)原因難以實(shí)施水位、流速及流向的測量,因此,必須開展相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新。為此,組織成立了專門的科研隊(duì)伍和測量小組,研制了專用于高流速、高落差水域進(jìn)行水位、流速及流向測量的水文監(jiān)測系統(tǒng),并通過GPS動(dòng)態(tài)后處理(post processed kinematic,PPK)解算、姿態(tài)改正等處理,聯(lián)合確定水面的高程和流速。

1 水文監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 水文監(jiān)測系統(tǒng)的組成

截流區(qū)龍口水域流速和水位落差均較大,改變了自然河流水位和流速的特性,形成了復(fù)雜的局部水文特征,使水力學(xué)指標(biāo)發(fā)生變化,帶來較顯著的泥沙沖刷和明顯的河床變遷,并給截流工程帶來安全隱患[3-4]。龍口水域流速和落差大,測量船航行不安全,難以采用船載GPS進(jìn)行潮位測量[5-6]以及水面流速、流向測量。為確保項(xiàng)目的順利實(shí)施,設(shè)計(jì)了專用于該特征水文條件下的浮標(biāo)測量系統(tǒng)。水文監(jiān)測系統(tǒng)的組成如下:浮球3個(gè)(大浮球2個(gè),小浮球1個(gè)),用于承載測量設(shè)備和漂流;配重塊5個(gè)(每個(gè)大浮球有2個(gè)配重塊,小浮球有1個(gè)配重塊),用于穩(wěn)定浮球;GPS雙頻接收機(jī)2臺,一臺在基準(zhǔn)站,另一臺在流動(dòng)站,進(jìn)行GPS PPK測量;姿態(tài)傳感器TSS 1套,其功能是檢測浮球姿態(tài)變化;數(shù)字羅經(jīng)1個(gè),用于檢測航向;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)1套,用于采集和存儲浮標(biāo)內(nèi)各傳感器的測量數(shù)據(jù);全站儀及附屬設(shè)備1套,用于測量浮球內(nèi)各設(shè)備在浮球坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)及船體坐標(biāo)系到水面的垂直距離;吊車1輛,用于下放和吊起浮球。

1.2 水文監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝

水文監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示,將一臺GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上,將另一臺GPS接收機(jī)天線安置在浮球水面上,主機(jī)置于浮球內(nèi)。在浮球下底面中心位置安裝姿態(tài)傳感器MRU(motion reference unite),將數(shù)字羅經(jīng)安置在MRU上方,然后安置數(shù)據(jù)存儲設(shè)備,并將配重塊懸浮于水面下。

圖1 水文監(jiān)測系統(tǒng)

水文監(jiān)測系統(tǒng)安裝后,需要做好以下準(zhǔn)備工作:①定義浮球坐標(biāo)系(buoy frame system,BFS);②測定浮球頂部GPS天線ORP點(diǎn)在BFS中的相對坐標(biāo);③確定浮球吃水線位置;④浮球自然懸垂時(shí),測定浮球吃水線相對浮球頂部GPS天線相位中心的垂距以及相對MRU中心的垂距;⑤對MRU進(jìn)行初始化,確定MRU的安裝偏差;⑥對數(shù)字羅經(jīng)進(jìn)行初始化,為數(shù)字羅經(jīng)提供真北方位。

2 水文監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理和數(shù)據(jù)處理

水文監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是利用GPS實(shí)測數(shù)據(jù),結(jié)合浮球姿態(tài)參數(shù)、GPS天線在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)、船體坐標(biāo)系到水面的垂直距離,通過PPK解算、姿態(tài)改正等處理,聯(lián)合確定水面的高程和流速。

2.1 PPK定位

考慮到龍口截流期施工條件復(fù)雜,使用RTK技術(shù)差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈容易被遮擋而失鎖。PPK與RTK工作模式不同,基準(zhǔn)站與流動(dòng)站只需將GPS的原始數(shù)據(jù)記錄下來,無需數(shù)據(jù)通訊。事后利用國際GPS服務(wù)組織(IGS)提供的精密星歷、原始記錄數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo),解算出基準(zhǔn)站的相位改正數(shù)。由于基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間的定位誤差具有很好的空間相關(guān)性,因此,利用基準(zhǔn)站的相位改正數(shù)對流動(dòng)站的相位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行改正,進(jìn)而獲得流動(dòng)站的準(zhǔn)確三維位置[3-6]。

2.2 姿態(tài)改正

浮標(biāo)自由漂流時(shí),由于風(fēng)浪的作用會發(fā)生橫搖、縱搖等姿態(tài)變化。這些變化改變了GPS天線在理想船體坐標(biāo)系VFS下的坐標(biāo),為了獲得準(zhǔn)確的瞬時(shí)水面高程,必須進(jìn)行姿態(tài)處理。姿態(tài)參數(shù)利用MRU獲得,姿態(tài)改正在船體(浮球)坐標(biāo)系下進(jìn)行[7-9]。

若GPS接收機(jī)天線在浮球坐標(biāo)系BFS下的坐標(biāo)為(dXG,dYG,dhG),瞬時(shí)姿態(tài)參數(shù)橫搖和縱搖分別是R、P,則GPS天線在BFS下的瞬時(shí)坐標(biāo)(dXG-BFS,dYG-BFS,dhG-BFS)為

式中:RP和RR分別為由橫搖和縱搖構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣。

理想情況下,若BFS原點(diǎn)ORP在水面的投影點(diǎn)p的坐標(biāo)為(dXp,dYp,dhp),則p在BFS下的瞬時(shí)坐標(biāo)(dXp-BFS,dYp-BFS,dhp-BFS)為

上述姿態(tài)改正起到了以下3方面的作用:①獲取瞬時(shí)海面高程,用于后續(xù)在航水位的提取;②獲取GPS在水面上的投影,用于后續(xù)流速和流向的確定;③消除姿態(tài)影響,提高定位精度,用于后續(xù)水位、流速、流向的精確確定。

2.3 水面高程、流速、流向的確定

根據(jù)姿態(tài)改正結(jié)果,獲得了GPS天線相位中心、GPS天線在浮球吃水面上投影點(diǎn)相對BFS的坐標(biāo),利用坐標(biāo)之間的關(guān)系,可以得到GPS天線在水面投影點(diǎn)的坐標(biāo),根據(jù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算,水面投影點(diǎn)p在地理坐標(biāo)系GFS中的坐標(biāo)為

t時(shí)刻投影點(diǎn)實(shí)際上是水面某質(zhì)點(diǎn),該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性反映了水面的運(yùn)動(dòng)特征,基于此,從該質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)序中提取出不同位置的水位。

a.水位的確定[3-9]。水位提取主要利用p點(diǎn)的高程序列來實(shí)現(xiàn)。理想狀態(tài)下,p點(diǎn)的高程序列反映了水面的起伏變化,但由于波浪、浮球自身因?yàn)樗w的沖擊造成的上下起伏變化,該點(diǎn)高程序列并不完全代表水位,需要進(jìn)行濾波處理,以消除波浪等因素的影響。由于波浪的周期遠(yuǎn)小于水位的變化周期,因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器。采用快速傅里葉變換(FFT)來設(shè)計(jì)低通濾波器,以實(shí)現(xiàn)水位的提取。越接近龍口,水位變化周期越短,落差越大,該特征決定了基于FFT低通濾波提取水位不能采用單一截止周期,需根據(jù)區(qū)段水位變化自適應(yīng)地給出截止周期,因此對漂流區(qū)域的時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)段劃分和頻譜分析,并計(jì)算相應(yīng)的截止周期。獲得了各個(gè)區(qū)段的截止周期后可實(shí)現(xiàn)水位的提取。確定了水位后,根據(jù)式(3)提供的平面坐標(biāo),換算到經(jīng)過姿態(tài)改正后的地理坐標(biāo)系GRF下的坐標(biāo)(Xp-GRF,Yp-GRF),便可以得到不同位置處的水位。

b.流速的確定。利用式(3)獲得不同時(shí)刻投影點(diǎn)p的三維坐標(biāo),進(jìn)一步換算得到經(jīng)過姿態(tài)改正后的GRF坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Xp-GRF,Yp-GRF,hp-GRF),便可確定該質(zhì)點(diǎn)在相鄰兩個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度v:

由于GPS采樣更新率為20Hz,則得到的p點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度更新率也為20 Hz,這樣的更新率完全可以反映水面的瞬時(shí)流速和流向。

c.流向的確定。水流的方向即浮球的航向,可以通過GPS來確定,也可以通過數(shù)字羅經(jīng)確定。水流方向A為

式中:AG為GPS確定的浮標(biāo)航向,(°);AC為數(shù)字羅經(jīng)確定的航向,(°);QGA和QCA分別為加權(quán)融合給出的GPS航向和羅經(jīng)航向的權(quán)值。

3 水文監(jiān)測系統(tǒng)測量步驟及驗(yàn)證

3.1 測量步驟

步驟1:在測區(qū)內(nèi)岸邊已知點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站,利用GPS進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集,采樣頻率設(shè)置為20 Hz。

步驟2:每次測量前,浮球上GPS接收機(jī)進(jìn)行PPK測量,采樣頻率設(shè)置為20 Hz。在將設(shè)備置入浮球之前需要進(jìn)行GPS初始化和羅經(jīng)初始化。

步驟3:將GPS主機(jī)、MRU和數(shù)字羅經(jīng)安放在浮球內(nèi),安置時(shí)要確保數(shù)字羅經(jīng)的軸向與MRU的X軸平行;用隔離板隔離,確保其不被水浸入。

步驟4:利用吊車將浮球吊起,并觀測數(shù)據(jù),用于MRU安置偏差的探測。

步驟5:在將浮球放入水中之前采集MRU姿態(tài)數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)。

步驟6:封閉浮球上口,懸掛配重塊,在急流水道始端下放浮球,讓其自然漂流。

步驟7:完成龍口急流水道漂流后,收回浮球,停止數(shù)據(jù)采集,關(guān)閉GPS、MRU及數(shù)字羅經(jīng)。

步驟8:確認(rèn)數(shù)據(jù)正確后,提取數(shù)據(jù)。

步驟9:處理數(shù)據(jù),計(jì)算不同時(shí)刻和不同位置的流速、流向及水面高程。

步驟10:提交成果。

3.2 水位比較

為了驗(yàn)證上述理論和方法的正確性,在漂流開始和結(jié)束時(shí)刻將每期浮球測得水位與庫區(qū)內(nèi)、外設(shè)立的潮位站水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,見表1。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,除某個(gè)別時(shí)間因潮位站附近船只活動(dòng)引起水位異常,并導(dǎo)致較大水位偏差外,其他時(shí)刻水位偏差均在10 cm以內(nèi)。

表1 浮球水位與潮位站水位的比較

相對潮位站水位,浮球水位最大偏差為13.0 cm,最小偏差為0 cm,平均偏差為3.2 cm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.7cm。這表明系統(tǒng)所采用的技術(shù)路線和實(shí)施方法是正確的,保持了較高的水位測量精度,可滿足實(shí)際工程需求。

3.3 流速和流向比較

為了進(jìn)一步說明該系統(tǒng)確定流速的準(zhǔn)確性,將利用本文系統(tǒng)測得的GPS流速與高速流速儀測得的流速進(jìn)行比較。從比較結(jié)果來看,基于GPS浮球的水文監(jiān)測系統(tǒng)測得的流速與高速流速儀測得的表層流速保持了很高的一致性,將二者差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,見表2,可知最小偏差為0.01 m/s,最大偏差為0.07 m/s,平均偏差為0.02 m/s,系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.037 m/s。

由此可知,基于GPS浮球的水文監(jiān)測系統(tǒng)測量青草沙水庫龍口水域的水位和流速具有很高的精度,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,可以承擔(dān)龍口高流速、高落差水文條件下的水面水位、流速和流向的測量。

4 水文監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

2008年12月18—24日在龍口截流期間共進(jìn)行了18次浮球漂流監(jiān)測,成功計(jì)算出結(jié)果的測次為14次,成功率為78％,其余幾個(gè)測次由于儀器的碰撞和施工船只的干擾未能計(jì)算出結(jié)果。

每次漂流流程如下:在每次測量前安置基準(zhǔn)站。漂流前首先對流動(dòng)站進(jìn)行初始化,時(shí)間為10 min;將設(shè)備置于浮球內(nèi),用密封層隔離,并用外蓋密封。將密封好的浮球系在船舷邊,拖到施放點(diǎn)施放,浮球隨水流自然漂流,直至進(jìn)入緩水區(qū)。監(jiān)測結(jié)束后將浮球拖曳到船舷邊,停止數(shù)據(jù)采集,提取測量數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果。各測次水文監(jiān)測時(shí)間、潮汐特征、水位變化、流速變化以及流向變化如表3所示。由表3可知,測量結(jié)果與實(shí)際情況一致,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)處理方法正確,有效地解決了高流速、高落差龍口水域流速、流向和水位難以確定的問題。

表2 GPS流速與高速流速儀表層流速的比較

表3 不同測次時(shí)間安排及統(tǒng)計(jì)參數(shù)

5 結(jié) 語

水文監(jiān)測系統(tǒng)的研制提供了一種水面流速、流向自動(dòng)獲取的方法,有效地解決了高流速、高落差龍口水域流速、流向和水位難以確定的問題。該系統(tǒng)采用集成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),利用GPS實(shí)測數(shù)據(jù),結(jié)合浮球姿態(tài)參數(shù)、GPS天線在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)、船體坐標(biāo)系到水面的垂直距離,通過PPK解算、姿態(tài)改正等處理,聯(lián)合確定水面的高程和流速。系統(tǒng)采用多源信息融合技術(shù),彌補(bǔ)了單一設(shè)備測量的不足,增強(qiáng)了參數(shù)計(jì)算的可靠性和穩(wěn)定性,且操作簡單、耗費(fèi)低廉,是一項(xiàng)技術(shù)革新。該系統(tǒng)在青草沙水庫龍口高流速、高落差水文條件下的水位、流速、流向測量結(jié)果表明,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)處理方法正確,測量方法可靠,測量成果與實(shí)際一致,獲取的數(shù)據(jù)可為龍口截流期的科學(xué)施工與數(shù)模反演提供原型觀測資料,可在其他工程龍口水文監(jiān)測中推廣應(yīng)用。

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·簡訊·

水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室接受科技部現(xiàn)場評估

2013年3月,受國家科技部委托,國家自然科學(xué)基金委組織專家對水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場評估。專家組召開了評估報(bào)告會,實(shí)驗(yàn)室主任彭世彰教授就5年來實(shí)驗(yàn)室的研究水平與貢獻(xiàn)、隊(duì)伍建設(shè)與人才培養(yǎng)、開放交流與運(yùn)行管理等作了工作匯報(bào),張建云院士、任立良教授、唐洪武教授、陸永軍教高、顧沖時(shí)教授分別作代表性成果學(xué)術(shù)報(bào)告。河海大學(xué)校長王乘教授、副校長徐衛(wèi)亞教授、南京水利科學(xué)研究院院長張建云院士、副院長李云教高、副院長戴濟(jì)群教高等依托單位領(lǐng)導(dǎo)出席了現(xiàn)場評估報(bào)告會,吳中如院士和團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人以及研究骨干參加會議。在現(xiàn)場考察中,評估專家組分別考察了實(shí)驗(yàn)室公共實(shí)驗(yàn)平臺、水環(huán)境綜合治理實(shí)驗(yàn)廳和水工新材料試驗(yàn)廳以及鐵心橋試驗(yàn)基地等,對實(shí)驗(yàn)室的工作狀態(tài)、研究工作情況、儀器設(shè)備運(yùn)行和共享、人才隊(duì)伍建設(shè)和對外開放、管理工作等進(jìn)行檢查,核實(shí)科研成果,抽查實(shí)驗(yàn)記錄,并進(jìn)行個(gè)別訪談等。

國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在本評估期圍繞5個(gè)研究方向開展水科學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究,突出重大工程關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)室主持了“973”計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大計(jì)劃項(xiàng)目等一批具有重大影響的國家級科研項(xiàng)目,在水資源演變及其對氣候變化的響應(yīng)評估、不同陸面特征的水文過程機(jī)理及模擬、平原河流水動(dòng)力過程及防洪安全調(diào)控、河口海岸灘涂高強(qiáng)度開發(fā)與治理關(guān)鍵技術(shù)、重大水工程服役風(fēng)險(xiǎn)分析與調(diào)控理論和方法等方面取得了突出研究成果,尤其在氣候變化和人類活動(dòng)對流域水文過程的影響規(guī)律的探索、產(chǎn)匯流理論與水文模型的發(fā)展方面,為水文學(xué)領(lǐng)域的研究作出了重要貢獻(xiàn),在本學(xué)科領(lǐng)域具有突出的學(xué)術(shù)地位。

(本刊編輯部供稿)

Development of hydrological monitoring system for closure gap engineering of Qingcaosha Reservoir

//DU Yanan, WU Jingwen,LI Bao(Yangtze River Estuary Survey Bureau of Hydrology and Water Resource,Changjiang Water Resources Commission,Shanghai 200136,China)

To ensure the running smoothly of closure gap engineering of Qingcaosha Reservoir,a hydrological monitoring system was designed for measuring water levels and flow velocity and direction of water surface with high speed and high drop.In this system,a mobile GPS station,attitude sensors,digital compass,and storage devices are all installed in a sealed float.Based on the GPS observed data,attitude parameters of the sealed float,coordinates of GPS antenna in the hull coordinate system,and the vertical distance from the hull coordinate system to water surface,the water surface elevation and velocity were obtained using PPK calculating and correcting methods.The results show that the monitoring data of the system is in good agreement with the actual situation,indicating that the system is reliable,and can solve the problems of measuring water levels and surface velocity of closure gap water area with high speed and high drop.

closure gap engineering;hydrological monitoring system;flow velocity;flow direction;water level; Qingcaosha Reservoir

10.3880/j.issn.10067647.2013.03.012

TV123

A

10067647(2013)03005405

2012-11-29 編輯:駱超)

杜亞南(1970—),男,江蘇如皋人,高級工程師,主要從事水文測繪技術(shù)研究。E-mail:cjkduyn@126.com