多波束測深系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用

朱良康

摘 要：介紹多波束測深系統(tǒng)工作原理，其在水利工程建設(shè)及后期運行中的應(yīng)用，探討影響其測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：多波束測深；水利工程；水下地形測量

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、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?、?jīng)濟、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，從而對河流的水文形勢，河流生態(tài)等產(chǎn)生各種持續(xù)而深遠(yuǎn)的影響。[1，2]

1 多波束測深系統(tǒng)組成及工作原理

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

2 多波束測深系統(tǒng)在水利建設(shè)中的應(yīng)用

分析、了解、評價和解決水利工程建設(shè)對河流的影響，從而實現(xiàn)水利工程與河流流域的協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展。水下地形測深系統(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，利用多波束測深系統(tǒng)測量水下地形已成為普遍采用的重要手段，國內(nèi)外運用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形的測量的原理和方法均已成熟。

2.1 水庫淤積及沖刷測量

我國的大江大河大多泥沙含量較大，在河流上修建水庫，導(dǎo)致河流水位提升，流速降低，必然造成泥沙淤積[4]，而在水庫下游，由于發(fā)電尾水及汛期泄洪的沖刷，對河床及河底都會造成一定程度的改變，威脅著水庫的運行安全和效率。利用多波束測深系統(tǒng)，監(jiān)測水下地形的變化，可為水庫上游的清淤工程及水庫下游的河床保護(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量，從而全面反映清淤前后水下地形的變化情況及對清淤工作量進(jìn)行精確計算和統(tǒng)計。

2.2 航道水下地形測量

航運作為交通運輸?shù)闹匾緩街?，隨著水利工程的修建，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，水庫上游水位上升，原有急流險灘可隨著水位抬高而被淹沒，航道水深增加，航道等級提高，而下游水量減少，水流形勢發(fā)生較大改變，下游的航運能力降低，從而對整個河段的航運造成一定程度的改變[6]。這些變化極大地增加了航道運行的安全隱患，及時，準(zhǔn)確的掌握這些變化，并作對應(yīng)的調(diào)整可有效降低安全風(fēng)險，利用多波束測深系統(tǒng)可以準(zhǔn)確清晰的了解、掌握水下地形，對水深，水下暗礁，淺灘等影響航運的因素準(zhǔn)確掌握，提高航運安全。

張從奎[7]運用SEABAT 8101多波束測深系統(tǒng)在三角磧河段卵石沙波運動觀測中對一段航道試驗段做了2次重復(fù)水深測量，測量結(jié)果的分析表明，多波束測量的水深資料可反映水下微地形和分析局部沉積物運移趨勢，且具有傳統(tǒng)單波束測深不可比擬的優(yōu)勢；付偉[1，8]利用RESON SeaBat 7125多波束測深系統(tǒng)對丹東大東港航道進(jìn)行水下地形測量并與單波束測量的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其應(yīng)用于航道測量是可行的，其測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)境改變對水生生物的影響，降低其對水生生物的影響[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流速的適宜性曲線。

3 影響多波束測深系統(tǒng)測量精度的因素及改善措施

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

3.1 設(shè)備因素

多波束測深系統(tǒng)是組合設(shè)備，每一個儀器的本身精度和系統(tǒng)安裝精度都會對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)致儀器實際位置不可能完全水平，同時在測量過程中受風(fēng)、涌、波浪等因素影響，換能器與真實水平面總會存在夾角，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。每一個橫搖角與縱搖角都包含一個動態(tài)分量和靜態(tài)分量。

動態(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，我們稱這個偏差叫艏向偏差；由于定位系統(tǒng)與測深系統(tǒng)不同步，使測深點產(chǎn)生位移，導(dǎo)致測得的河底地形發(fā)生變形，這種效應(yīng)通常稱為定位時延誤差。

對于這些影響因素，通常在條件允許下選用更加精準(zhǔn)的定位儀器，而儀器安裝時產(chǎn)生的橫搖偏差，縱搖偏差，定位時延誤差及艏向偏差，需要在實地測量前，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)計算的校準(zhǔn)步驟，有效提高測量精度。

3.2 環(huán)境因素

多波束測深系統(tǒng)在實地測量過程中，受到當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響，也會對測量精度產(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，在實地測量時，通常會選擇在天氣良好，風(fēng)浪較小時間段，保持船體平穩(wěn)慢速行駛，適當(dāng)增加測量回次從而盡量提高測量精度。

4 應(yīng)用展望

水下地形測量技術(shù)受益于電子技術(shù)、計算機技術(shù)和材料工藝技術(shù)等高新技術(shù)的高速發(fā)展。多波束測深是在20世紀(jì)70年代在單波束測深儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從單點測量改變成線式測量，并可以得到三維立體圖，使水下地形測量技術(shù)發(fā)展到新的高度。多波束測深系統(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，大大減少了用戶測量時間與成本，是當(dāng)今水深測量和水底地形勘測最先進(jìn)的測量設(shè)備，必將成為水下地形測量主要工具之一[11，12]。

參考文獻(xiàn)

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