GNSS測深儀在河道清淤測量中的應(yīng)用

劉風(fēng)學(xué) 劉寶貴 郭金星 吳瀟 張佳

GNSS測深儀在河道清淤測量中的應(yīng)用

劉風(fēng)學(xué) 劉寶貴 郭金星 吳瀟 張佳

（黃河水利委員會濟(jì)南勘測局 山東濟(jì)南 250108）

本文根據(jù)實(shí)際工程的應(yīng)用情況，闡述水下地形測量與淤泥測量的過程及淤泥量的計(jì)算方法，通過此次淤泥測量的方法和計(jì)算，闡明工作過程和注意事項(xiàng)，針對相同的項(xiàng)目在測量方法的選擇上提出自己的建議。

淤泥測量 生態(tài)清淤

1 引言

溫瑞塘河位于甌江以南、飛云江以北的溫瑞平原，是溫州市境內(nèi)十分重要的河道水系。長期以來，溫瑞塘河擔(dān)負(fù)著防洪、排澇、供水、航運(yùn)、灌溉等綜合功能，被喻為溫瑞平原的“母親河”。近年來，由于塘河沿岸工業(yè)發(fā)展、人口增加，導(dǎo)致排入塘河的污染物日趨增加，引起河水黑臭，河岸臟亂現(xiàn)象給人們的生活、生產(chǎn)帶來很大影響。

依據(jù)2005年《浙江省水功能區(qū)、水環(huán)境功能區(qū)劃分方案》，溫瑞塘河瑞安段水域?yàn)橐话愎I(yè)用水區(qū)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)和一般景觀要求水域，水環(huán)境功能區(qū)劃為Ⅳ類，執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量》（GB3838-2002）中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。由于塘河沿岸近年各種污染物恣意排放入河，塘河水質(zhì)已經(jīng)受到嚴(yán)重污染，大部分河道不能滿足水體功能區(qū)劃的水質(zhì)要求。

2001年瑞安市開展了一次規(guī)模宏大的河道清淤工作，短期內(nèi)有效解決了河道底泥淤積的現(xiàn)象。但是，由于缺乏長效管理機(jī)制，加之近5年來，瑞安市工業(yè)發(fā)展，人口膨脹帶來的工業(yè)和生活廢水、固體廢物的增加，使得排入塘河的污水和固體廢物量進(jìn)一步增加，河道淤積現(xiàn)象有增無減。

針對塘河的實(shí)際情況，對塘河應(yīng)進(jìn)行環(huán)保疏浚工作，這給水下地形與淤泥測量和計(jì)算工作提出了新的要求，認(rèn)真研究和探討水下淤泥測量和計(jì)算有利于為環(huán)保疏浚工作提供更準(zhǔn)確的第一手資料。

2 水下地形測量與淤泥測量17

2.1水下地形測量

對于疏浚工程而言，水下地形測量就是測量淤泥表面高程，淤泥上表面高程測量與普通水下地形測量相同。以RTK定位模式為例，水下地形測量包括以下幾個部分：

2.1.1 水下地形測量儀器

用于水下地形測量的儀器應(yīng)包括：一套1+2配置的RTK型GNSS接收機(jī)、一套數(shù)字測深儀、一臺計(jì)算機(jī)和一套水上導(dǎo)航測量軟件。常用輔助儀器、測具包括：水溫計(jì)、測深桿、鋼卷尺、水深—聲速校正器等。

2.1.2 基準(zhǔn)站的控制點(diǎn)

用于架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站的控制點(diǎn)，平面等級一般為D級；地面不易沉降的地區(qū)，基點(diǎn)埋設(shè)較穩(wěn)固的，可放寬到E級。高程為三等水準(zhǔn)點(diǎn)，測定或校測時間不超過三年。校測點(diǎn)平面一般為E級；高程為四等，應(yīng)為當(dāng)年測定或校測的水準(zhǔn)點(diǎn)。甲方在測區(qū)控制范圍內(nèi)提供了5個地方坐標(biāo)系高等級控制點(diǎn)。

2.1.3 坐標(biāo)值參數(shù)求解

用測區(qū)內(nèi)已知控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)與測區(qū)的測量坐標(biāo)系解算出兩個坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性將直接影響定位精度，因此，已知點(diǎn)最好布設(shè)在測區(qū)四周和中心，甲方提供的控制點(diǎn)能有效控制測區(qū)，如果已知點(diǎn)在測區(qū)一側(cè)，應(yīng)計(jì)算與滿足精度控制的范圍。

2.1.4 測深原理

用豎直波束回聲儀進(jìn)行水深測量是目前水深數(shù)據(jù)采集的主要手段，它安裝在測量船底的發(fā)射換能器垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C在水中傳播到水底后產(chǎn)生回波，回波被接收換能器所接收，發(fā)射聲波與接收回波的時間為t，則換能器表面至水底的距離(水深)為：H = 1／2·ct

2.1.5 換能器安裝要求

（1）測深儀換能器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)和螺旋槳，安裝在距船頭1/3～1/2船長處，靜態(tài)吃水深度以0.3～0.5m為宜，以避免和減小測船航行產(chǎn)生的氣泡干擾；

（2）換能器可固定在測船底部或船舷一側(cè)，尖頭逆向流向；

（3）盡可能保持換能器安裝桿處于垂直、穩(wěn)定狀態(tài)，防止出現(xiàn)松動、搖晃和傾斜、俯仰現(xiàn)象；

（4）水面平靜時，換能器可盡量減小吃水，以最大限度地發(fā)揮測深儀作用。但換能器吃水不得過小，尤其在風(fēng)浪較大時要適當(dāng)加大吃水，以免產(chǎn)生氣泡影響測深的準(zhǔn)確性；

（5）GNSS天線中心應(yīng)與換能器中心設(shè)置在同一條鉛垂線上。

2.1.6 連接桿的安裝

安裝GNSS天線和測深儀換能器的連接桿，應(yīng)固定長度并標(biāo)有距離刻度，以換能器底端為0.00m。

2.1.7 天線高的計(jì)算

天線高可以用鋼卷尺由天線底部量至水面，或根據(jù)連接桿頂端和水面的讀數(shù)相減，然后按式

（1）計(jì)算：

式中：

L——天線高（m）；

h——天線底部至水面的垂直距離（m）；

p——天線底部至相位中心的距離常數(shù)（m）。

2.1.8 換能器靜態(tài)吃水

應(yīng)用鋼卷尺由水面量至換能器底部，或直接在安裝桿上讀取。

2.1.9 天線高和吃水的關(guān)系

任何情況下，天線高加吃水應(yīng)等于天線相位中心至換能器底部的距離。如天線高量測不準(zhǔn)，則會影響水面高程；吃水量測不準(zhǔn)，則會影響水深數(shù)值，但最終不會影響最后計(jì)算的河底高程。天線高和吃水的關(guān)系，可用式（2）表示：

式中：

R—天線相位中心至換能器底部的距離（m）；

d—換能器吃水，即水面至換能器底部的垂直距離（m）。

2.1.10 水位測量

當(dāng)水面為靜態(tài)時，勿需布設(shè)水位站，左、右兩岸水位可用GNSS RTK、全站儀或光學(xué)水準(zhǔn)儀測得水面高程即可；本次項(xiàng)目我們用以下兩種方法進(jìn)行：第一種方法是用GNSS RTK放樣圖根點(diǎn)，用全站儀進(jìn)行測量，與水下斷面線相銜接。第二種方法是用GPS RTK直接采取水位，與水下斷面線相銜接。一般河道直線段50米左右取一水位點(diǎn)，當(dāng)岸邊變化較大時適當(dāng)加密，可以詳細(xì)繪制水邊線。

2.1.11 水下地形測量的具體實(shí)施

此次測量在確定水下地形測圖規(guī)格后，應(yīng)用水深測量的專用軟件，先確定了水下地形圖的范圍與比例尺，在甲方提供的塘河河道總圖上按20m間隔設(shè)定橫斷面，摘錄左、右岸端點(diǎn)坐標(biāo)。設(shè)定測量斷面線后，將斷面數(shù)據(jù)灌入測量手簿，根據(jù)放樣斷面線把測量船導(dǎo)航至斷面位置，再按指定的時間（或者間距）進(jìn)行測點(diǎn)的定位與測深，并實(shí)時修正測量船的航向。

（1）GNSS流動站接收機(jī)作業(yè)的有效衛(wèi)星數(shù)應(yīng)≥5顆，PDOP值應(yīng)≤6，衛(wèi)星截止高度角≥13°。

（2）設(shè)置好儀器及坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)之后，應(yīng)對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，在校核無誤后方可進(jìn)行測量。用于測深定位的流動站的測量模式、基準(zhǔn)參數(shù)、轉(zhuǎn)換參數(shù)等應(yīng)與基準(zhǔn)站相一致，并應(yīng)采用固定解模式測量。

（3）測深儀測深過程中，測船航速宜控制在10km/h以內(nèi)，且應(yīng)盡量保持穩(wěn)定；測船進(jìn)入淺水水域和接近岸邊時，航速宜控制在2km/h以內(nèi)。

（4）換能器露出水面時，禁止啟動儀器，否則可能對換能器造成損壞。

（5）水下地形測量，應(yīng)根據(jù)天氣、風(fēng)浪、潮汐等情況，合理安排時間，作業(yè)中，如遇大風(fēng)大浪、船只搖擺幅度過大，造成換能器安裝桿傾斜超過3°時，應(yīng)暫停測深作業(yè)。

2.2水下淤泥測量

水下測量不僅局限在水下地形測量還包括淤泥測量，而淤泥深度的測量正是水下測量的一個難題。現(xiàn)在淤泥深度的測量方法很多，但各有其優(yōu)缺點(diǎn)，所以在不同的情況下必須選擇不同的測量方法。

這次工作我們采用靜力觸探法，使用專用測桿進(jìn)行，其原理是通過單點(diǎn)測定淤泥層對測桿的比貫入阻力來計(jì)算淤泥的承載力，從而確定淤泥厚度；簡單的做法是采用測桿兩次讀數(shù)來確定淤泥的厚度，及當(dāng)測桿觸及淤泥表面的時候讀取一個深度，用力將測桿往下，當(dāng)達(dá)到一定阻力，測量人員判斷測桿已經(jīng)觸及淤泥的下表面時再讀取一個深度，兩個深度之差即為我們所需要的淤泥厚度值。使用此種方法測量時，測桿的形狀、大小，測桿所承受的力的大小，直接影響到測量的精度，同時靜力觸探／測桿法無法測定淤泥的絕對密度，也無法查明浮泥和流泥的分布。

3 水下淤泥土方計(jì)算

水下淤泥厚度的測量最終目的是為了計(jì)算水下所淤積的土方量，為工程設(shè)計(jì)規(guī)劃或工程施工提供依據(jù)，所以必然要涉及到淤泥量的計(jì)算。

外業(yè)所采集的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過后處理形成規(guī)范的數(shù)據(jù)文件才能用于土方計(jì)算，一旦規(guī)范的數(shù)據(jù)文件形成后，淤泥量的計(jì)算與普通的土方計(jì)算并無多大區(qū)別。數(shù)據(jù)文件所應(yīng)該包含的信息就是X、Y、Z，而X、Y兩個數(shù)據(jù)不難理解就是采樣點(diǎn)的平面坐標(biāo)，Z數(shù)據(jù)可以是淤泥的厚度也可以是淤泥上表面或下表面的高程，通常在淤泥方量計(jì)算中我們?nèi)為淤泥厚度，通過軟件就可以計(jì)算出淤泥量來。

對于手工測量來說制作數(shù)據(jù)的工作量相對大些，如果由儀器測量，現(xiàn)在都有相配套的數(shù)據(jù)后處理軟件，可以根據(jù)用戶的要求生成包含不同要素的數(shù)據(jù)文件供不同用途的人使用，這樣不僅工作量相對小，而且效率要高很多倍。對于淤泥量計(jì)算來說只要設(shè)置好參數(shù)就可以一步到位的計(jì)算出來。所以淤泥測量主要是方法的選擇，也就是外業(yè)測量的方式?jīng)Q定了整個測量的效率和可靠性，而數(shù)據(jù)處理和土方計(jì)算相對簡單。

為改善溫瑞塘河水質(zhì)狀況，做好主塘河生態(tài)清淤工程設(shè)計(jì)工作，對該水域進(jìn)行1:1000水下地形測量、河底淤泥深度測量?？紤]各方面因素，先進(jìn)行水下地形測量，再選擇靜力觸探法，按100m間距采集淤泥的深度，并同時記錄探測點(diǎn)平面位置和河底高程，確保所測淤泥點(diǎn)具有平面、水深、淤泥三維一體性。用靜力觸探法采集的數(shù)據(jù)作為初步設(shè)計(jì)應(yīng)用，清淤后，二次進(jìn)行了水下地形測量，兩次測量計(jì)算差值即為淤泥的清淤量。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)上述測量方法的討論及幾年來從事水下地形及淤泥深度測量的經(jīng)驗(yàn)得出如下結(jié)論與建議：

（1）根據(jù)目前測量領(lǐng)域現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為對于水下地形測量，測深儀+GNSS（RTK、RTD、COR等模式）是最佳選擇，不僅效率高、勞動強(qiáng)度低，而且節(jié)省資金。

（2）淤泥深度測量，可視情況選擇測量方法，對于小區(qū)域或?qū)纫蟛桓叩捻?xiàng)目可使用手工測量方法；對于大面積或?qū)τ倌嗔烤纫蟊容^高的項(xiàng)目最佳的選擇是雙頻超聲波測量法。

（3）因?yàn)樗聹y量不確定因素很多，建議在實(shí)際工程項(xiàng)目中采用下列方法實(shí)施：

①對于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段可選擇適當(dāng)?shù)姆椒▽τ倌嗔窟M(jìn)行估算，估算結(jié)果僅作為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的依據(jù)。

②項(xiàng)目具體實(shí)施前可用測深儀器+GPS定位精確測量出水下淤泥表面的高程，測量結(jié)果經(jīng)相關(guān)各方簽字確認(rèn)，等施工結(jié)束后再使用同樣的方法測量施工后的水下地形。兩次測量分別生成兩個不同的曲面，兩曲面間所圍成的空間即為所清除淤泥的精確工程量。因?yàn)楝F(xiàn)在電腦運(yùn)用廣泛，各種專業(yè)土方計(jì)算軟件很多，而且簡單易學(xué)，很容易推廣。

③建議有條件的項(xiàng)目，在測區(qū)內(nèi)將水排干的情況下使用免棱鏡的全站儀器對淤泥表面的高程進(jìn)行測量，等施工結(jié)束后再使用同樣的方法對淤泥底部的高程進(jìn)行測量，這樣才能準(zhǔn)確的計(jì)算出水下的淤泥量。

1. 王毅.水下地形與淤泥厚度測量[ J] . 測繪與空間地理信息, 2006, 29( 3) : 10-13.

2. 蔣志文，丁若冰，孫雪琦.GPS在水庫淤積測量中的應(yīng)用 [ J] .水利建設(shè)與管理, 2010, (6): 47-49.

3. 張留柱，張民琪.GPS在水庫河道測繪系統(tǒng)中的應(yīng)用[ J] . 人民黃河, 1997, （7) : 52-55.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.03.017

TV221.1

B

1672-2469（2014）03-0048-03

17作者簡介：劉鳳學(xué)（1967年—），男，高級工程師。