富春江電廠壩下水底2012～2016年間地形變化分析

王健平，程 翔，鄭淑倩

（1.國網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江杭州，311504；2.浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

富春江電廠壩下水底2012～2016年間地形變化分析

王健平1，程 翔1，鄭淑倩2

（1.國網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江杭州，311504；2.浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

隨著船閘擴(kuò)建工程的開展，富春江電廠壩下水底地形變化顯著，沖刷淤積量的計(jì)算精度直接影響了對水下地形變化的評估，甚至涉及對水利設(shè)施安全維護(hù)工作更好地把控。利用2012年、2016年富春江流域部分河段水下地形圖為基礎(chǔ)資料，分別建立數(shù)字高程模型并進(jìn)行疊合分析，實(shí)現(xiàn)對泥沙輸移的定量化和可視化。結(jié)果表明：2012～2016年間，流域沖刷區(qū)、淤積區(qū)所占比重相當(dāng)；淤積量有212.78萬m3，占整個(gè)區(qū)域的39.93%，主要分布在地勢較高的島嶼以及壩址東岸船閘擴(kuò)建工程區(qū)；水下則以泥沙沖刷為主要現(xiàn)象，沖刷量達(dá)296.23萬m3，面積比例為52.58%。

水下地形；數(shù)字高程模型；沖刷淤積

0 引言

富春江擴(kuò)建改造船閘布置在富春江電廠大壩下游右岸岸坡，是緊接原有船閘下閘首在其后新建一座標(biāo)準(zhǔn)IV級船閘，主要用于解決貨物運(yùn)輸問題，以發(fā)揮水運(yùn)的天然優(yōu)勢[1]。然而，隨著船閘擴(kuò)建，壩下河道的過水?dāng)嗝婵s窄，導(dǎo)致水流速度加快，加劇了對左岸護(hù)坡的沖刷，勢必影響流域水下地形的變化過程。同時(shí)，在船閘周而復(fù)始的開閉作用下，下游河床沖淤變化劇烈，淤灘及灘槽易位現(xiàn)象不可避免。如何快速準(zhǔn)確獲取水下沖刷淤積量是關(guān)鍵，其結(jié)果精度直接取決于測量技術(shù)手段的有效性以及計(jì)算方法的可靠性。

水下地形測量的基本工作可以分為定位和測深，其中定位包括平面定位和水位兩部分[2]。傳統(tǒng)測量通常采用光學(xué)定位并結(jié)合單波束測深，但兩者存在一定的弊端，前者受距離限制，對觀測者的視力和操作熟練度依賴較大，而且水下地形測量是在運(yùn)動的載體上進(jìn)行，定位精度不及陸地測量精度高，讀數(shù)易出錯(cuò)。而單波束測深過程采用單點(diǎn)連續(xù)測量方法，沿測線上的測深數(shù)據(jù)十分密集，而在兩測線之間沒有數(shù)據(jù)，是一種非覆蓋型測量[3]。若能引入GPS定位以及多種測深手段配合，一方面GPS技術(shù)具有全天候、全球覆蓋、連續(xù)實(shí)時(shí)、高精度定位等特點(diǎn)，另一方面，條件許可的情況下，采用多波束測深技術(shù)可實(shí)現(xiàn)從原先的點(diǎn)、線狀推展到面狀，測量范圍大、速度快且精度高。

水下沖淤分析的傳統(tǒng)方法有地形斷面法，該方法適用于拐彎較少、叉河較少的線形區(qū)域，結(jié)果精度直接取決于斷面布設(shè)的密度，且在空間分析上有較大的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中存在計(jì)算精度不夠高、空間分析能力差等弱點(diǎn)。利用GIS強(qiáng)大的空間分析和空間數(shù)據(jù)庫功能，疊加對比不同時(shí)期的數(shù)字高程模型（DEM），可以有效解決水下地形沖淤演變、空間分布和計(jì)算結(jié)果可視化等問題，為科學(xué)合理地利用富春江流域、研究其變化規(guī)律提供重要技術(shù)保障。

1 研究區(qū)概況

富春江為錢塘江上游，新安江與蘭江匯合后河段始稱富春江，下起富陽，上至淳安縣。本次研究范圍為富春江電廠大壩至下游渡濟(jì)大橋區(qū)段，全長約5.5 km（見圖1線內(nèi)范圍）。富春江電廠大壩主壩壩型為混凝土重力壩，最大壩高47.7 m，壩頂長度554.4m，壩體工程量65萬m3，以壩頂溢流為主要泄洪方式。大壩東側(cè)為富春江船閘擴(kuò)建工程，距下游杭州市約110 km，按IV級航道通航標(biāo)準(zhǔn)（通航500 t級船舶）規(guī)劃建設(shè)。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 The study area

2 數(shù)據(jù)源及采集方法介紹

富春江電廠大壩至下游1.2 km處（圖1淺色覆蓋區(qū)）水位條件良好，水深大且分布均勻，故采用覆蓋率高、細(xì)微地形反映較全面的多波束測深技術(shù)；大壩下游1.2 km至渡濟(jì)大橋（圖1深色覆蓋區(qū)）受島嶼及高速公路的影響，水深分布不均，水位太低易導(dǎo)致多波束探頭觸碰到水底而造成損壞，因此，該區(qū)段采用單波束測深技術(shù)，并通過往返多次測量以達(dá)到精度要求；陸地堤壩部分則采用RTK野外編碼法進(jìn)行測量。圖2顯示了研究區(qū)2012年部分水下地形圖。

圖2 研究區(qū)2012年部分水下地形圖Fig.2 The topographic map of 2012

表1列舉了本次外業(yè)測量涉及到的主要儀器設(shè)備。其中，多波束測深系統(tǒng)工作平臺由浙江華東測繪地理信息有限公司自主研發(fā)，其目的是解決大型船只無法進(jìn)入內(nèi)陸小流域及對在建水利水電工程進(jìn)行作業(yè)的問題。整個(gè)工作平臺包括漂浮平臺和動力平臺，前者由多波束測深探頭、羅經(jīng)、GPS定位裝置、數(shù)據(jù)采集終端、浮標(biāo)及連接支架組成（見圖3），具有小型化、模塊式可拆卸且穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，后者則采用了橡皮艇。兩者間推動式分離連接設(shè)計(jì)，一方面將測深系統(tǒng)置于橡皮艇前方，有效避免了動力馬達(dá)產(chǎn)生的水流對精度造成干擾，另一方面，大大降低了橡皮艇震動對漂浮平臺產(chǎn)生的影響。

表1 主要測量設(shè)備說明Table 1 Introduction for the main measuring devices

3 沖刷淤積計(jì)算過程

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

綜合各種測深技術(shù)采集的水下高程點(diǎn)密度往往較大，通?？蛇_(dá)百萬級，無法直接用于生成反映地形變化的數(shù)字高程模型（DEM）。如何從這些大數(shù)據(jù)中挖掘有效信息，在保證精度的前提下最大程度地稀釋冗余點(diǎn)是關(guān)鍵。

圖3 漂浮平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the floating platform

擬對研究區(qū)范圍按照規(guī)則格網(wǎng)進(jìn)行劃分，判斷各高程點(diǎn)所在格網(wǎng)的索引號。在此基礎(chǔ)上，以格網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)為操作對象，并采用多線程并行處理技術(shù)，完成異常點(diǎn)剔除、冗余點(diǎn)稀釋等過程。異常點(diǎn)剔除依托正態(tài)分布的原理，刪除落在置信區(qū)間以外的異常概率顯著上升的點(diǎn)。冗余點(diǎn)稀釋要保證經(jīng)處理后的點(diǎn)空間分布均勻且合理，因此，采用三維坐標(biāo)（X，Y，Z）來標(biāo)示各點(diǎn)，并依據(jù)空間矢量距離以及空間矢量夾角來判斷各點(diǎn)間的相似性，在此基礎(chǔ)上，對所有點(diǎn)進(jìn)行分層，落在同一層的點(diǎn)相似性較大，可按一定稀釋比例進(jìn)行隨機(jī)抽樣，最終保留的點(diǎn)無論在平面上或是高程上均具有代表性，能夠真實(shí)還原水下地形變化特征。

表2 數(shù)據(jù)輸入格式說明Table 2 Introduction for data input

程序采用C#與MATLAB的混合編程，實(shí)現(xiàn)了自動化、流程化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。經(jīng)測試，400萬點(diǎn)可在32 s內(nèi)完成操作，滿足高效率、高精度的要求。

3.2 水下地形三維模型的建立

水下地形通常采用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）或DEM來表示，前者根據(jù)區(qū)域的有限個(gè)點(diǎn)集將區(qū)域劃分為相等的三角面網(wǎng)絡(luò)，后者則是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖Fig.4 Flow chart of data pre-processing

壩前淤積及壩后沖刷監(jiān)測管理信息系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）是浙江華東測繪地理信息有限公司開發(fā)的GIS軟件，在水下地形數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)集中管理以及沖淤（庫容）等重要信息提取方面有較大的應(yīng)用價(jià)值。其中，水下地形構(gòu)建模塊提供了多種方法由高程點(diǎn)（等高線）生成TIN、DEM。TIN與DEM間的轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是一個(gè)插值過程，系統(tǒng)支持線性插值和自然鄰點(diǎn)插值，且方便用戶自定義DEM的輸出分辨率以滿足后續(xù)分析的精度要求。對于以DEM形式提供的水下地形數(shù)據(jù)，在三維視圖中可通過拉伸高程對比度與顏色渲染達(dá)到三維仿真的效果。

3.3 沖淤體積的計(jì)算及可視化

空間分析是系統(tǒng)的核心內(nèi)容，包括體積面積計(jì)算、坡度坡向分析、剖面分析以及沖淤量計(jì)算等。沖淤量計(jì)算是通過對兩期DEM疊加分析，快速準(zhǔn)確地獲取沖刷量、淤積量和沖刷淤積空間分布圖。其依據(jù)的主要原理是對應(yīng)像元求差（現(xiàn)有DEM-原有DEM），像元值為正表明泥沙淤積，反之，泥沙則被沖刷，整個(gè)庫區(qū)的沖刷淤積量則分別由沖刷區(qū)、淤積區(qū)對應(yīng)的高程差乘以各自所占面積得到，計(jì)算公式如下：

式中，∑ΔZ表示沖刷（淤積）區(qū)所有像元的高程差累加。

4 水下地形變化及原因分析

這里選用了研究區(qū)2012年、2016年的水下DEM數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：該時(shí)段內(nèi)富春江水電站沖刷區(qū)、淤積區(qū)所占比重相當(dāng)，淤積量有212.78萬m3，占整個(gè)區(qū)域的39.93%，主要分布在地勢較高的島嶼以及壩址東岸船閘擴(kuò)建工程區(qū)；水下則以泥沙沖刷為主要現(xiàn)象，沖刷量達(dá)296.23萬m3，面積比例為52.58%；其余7.50%為地形不變區(qū)，集中在流域兩側(cè)的堤防和岸坡（如圖6）。圖5和表3統(tǒng)計(jì)了沖刷淤積區(qū)在各有效高程差范圍的像元分布情況，大部分像元都落在區(qū)間（-1,0）和（0,1），像元數(shù)分別為54 808、51 476，占總數(shù)的29.14%和27.37%，另外，高程差在區(qū)間（-5,6）的像元比重達(dá)97.72%，幾乎占據(jù)了整個(gè)研究區(qū)。

圖5 沖刷淤積區(qū)像元分布圖Fig.5 Statistics of the pixelof erosion and sedimentation area

表3 沖刷淤積區(qū)面積分布統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of the erosion and sedimentation area

5 結(jié)語

結(jié)合各種測深手段來獲取水下地形，并利用GIS技術(shù)支持下的可視化方法來研究流域水下地形沖淤變化具有以下幾方面的優(yōu)越性。

（1）數(shù)據(jù)精度高。多波束測深系統(tǒng)是由單頻測深系統(tǒng)發(fā)展而來的，從原先的點(diǎn)、線狀推展到面狀，具有測量范圍大、速度快且精度高等優(yōu)點(diǎn)。多波束工作平臺的研制使其在內(nèi)陸小流域及在建水利水電工程的應(yīng)用成為可能。因此，在水位條件允許的情況下，盡量采用多波束測量，一方面避免為保證精度而須往返多次測量的重復(fù)勞動，另一方面，點(diǎn)密度足夠大，確保了地形變化特征全部被采集到。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理過程快速且結(jié)果可靠性高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大部分算法都可以通過程序來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理人員便可從繁瑣的機(jī)械勞動中解脫出來，降低人工成本，提高工作效率，且最終保留的點(diǎn)空間分布均勻合理，能夠如實(shí)地還原水下地形。

（3）結(jié)果可視化優(yōu)勢?？梢员憬莸亟⑺碌匦稳S模型、三維立體顯示與渲染、沖淤量計(jì)算并進(jìn)行空間分析等。 ■

[1]張公略，李君濤，吳世東.富春江船閘擴(kuò)建改造后電站黑啟動對下游航運(yùn)安全影響分析[J].水道港口，2011，32(5)：341-345.

[2]段文義，任少華.錢塘江河口水下地形測量新技術(shù)應(yīng)用發(fā)展[J].浙江水利科技，2013，41（2）：53-55.

[3]張偉.多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2009.

作者郵箱：zheng_sq@ecidi.com

Analysis on change ofunderwatertopography ofsome parts of Fuchun riverfrom 2012 to 2016

by WANG Jian-ping,CHENG Xiang and ZHENG Shu-qian Fuchunjiang Hydropower Plant

As the reconstruction ofship lock,the underwater topography has changed significantly.Ob?taining high-precision deposition-erosion data is criticalas ithas a directeffecton safety and mainte?nance of water conservancy facilities.Based on the digital elevation model(DEM)established with un?derwater terrain data in 2012 and 2016,this paper has realized quantization and visualization of sedi?menttransport.The result shows thatthe proportion of deposition and erosion area is almost the same. The deposition is about2.127 8 million cubic meters,occupying 39.93%ofthe totalarea,mainly distrib?uted over the land areas.While sediment erosion is the major phenomena for underwater area.The amountreaches 2.962 3 million cubic meters,occupying 52.58%.

underwater topography;digitalelevation model;erosion and deposition

P229.1

B

1671-1092（2017）01-0055-06

2016-07-01

王健平（1964-），男，浙江富陽人，高級工程師，多年來從事水工和防汛管理工作。