多波束在富春江水庫庫容測量中的應(yīng)用

余鴻慧 陳敏 谷松立

水庫庫容和淤積測量實(shí)質(zhì)是通過測量不同時間的水庫區(qū)域水下和陸上地形，計算分析出水庫區(qū)域水下和陸上地形變化情況，進(jìn)而得出水庫庫容和淤積變化情況。由于水庫位于山區(qū)，地形起伏大，區(qū)域遼闊，常規(guī)地基地形測量技術(shù)難以展開，尤其對于水下地形部分，需要專業(yè)的集測深、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)處理于一體的綜合水下地形測量系統(tǒng)進(jìn)行。從而，相對于常規(guī)的測量技術(shù)，水庫庫容和淤積測量具有專業(yè)性更強(qiáng)、技術(shù)要求更高的特點(diǎn)。本文采用基于CORS的多波束測深系統(tǒng)對富春江水庫壩前至三江口段的水下地形進(jìn)行了自動化掃測，獲取了高精度的水下地形數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)庫容計算提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)來源，取得了良好的應(yīng)用效果。

一、富春江水庫基本情況

富春江水力發(fā)電廠地處浙江省桐廬縣境內(nèi)，位于錢塘江中游富春江七里瀧峽谷出口處，上游距新安江水力發(fā)電廠約60km，下游距浙江省省會杭州市110km。富春江水力發(fā)電廠始建于1958年8月，1962年春停工緩建，1965年10月復(fù)工續(xù)建，1968年12月25日第一臺機(jī)組發(fā)電。電站邊基建、邊生產(chǎn)，1977年4月15日最后一臺機(jī)組投產(chǎn)。電站控制流域面積31645km2，占錢塘江流域總面積的64.73%。水庫正常高水位23m，相應(yīng)庫面積56 km2，庫容4.4億m3，為日調(diào)節(jié)水庫。

電站建成后，通過合理的調(diào)度，最大限度地發(fā)揮了日調(diào)節(jié)水庫的調(diào)節(jié)功能，攔洪錯峰，減輕了下游洪災(zāi)；淡水頂潮，改善了下游城市的供水質(zhì)量，取得了明顯的社會效益。但是，至目前為止，富春江水力發(fā)電廠水庫經(jīng)過了多年的運(yùn)行，庫容和庫區(qū)淤積情況也已多年未測，不甚明晰。因此，為了使得水庫調(diào)度方案能夠更加切合庫容實(shí)際，以提高水庫的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益以及確保水庫和大壩的安全運(yùn)行，水庫庫容和庫區(qū)淤積情況亟待測量查明。

二、基于CORS的回聲測深控制方法

1. CORS定位技術(shù)

CORS定位的基本思想是利用流動站周圍的基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)和已知坐標(biāo)，計算流動站處的誤差改正數(shù)，解決RTK定位中流動站離基準(zhǔn)站距離較遠(yuǎn)情況下，差分觀測值中對流層、電離層的誤差殘余大，無法實(shí)現(xiàn)精確定位的問題。整個系統(tǒng)由參考站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通信鏈路和用戶四個部分組成，是CORS系統(tǒng)中為用戶提供實(shí)時高精度動態(tài)定位服務(wù)的系統(tǒng)組成部分，見圖1。

圖1 CORS系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.回聲測深技術(shù)

回聲測深儀是水下地形測量中最廣泛使用的測深設(shè)備，數(shù)據(jù)獲取的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出使用測深鉛垂和測深桿的效率，見圖2。

圖2 回聲測深儀原理

回聲測深儀主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射換能器、接受換能器、顯示設(shè)備、電源等部分組成。安裝在船舷或固定安裝在船底的發(fā)射機(jī)換能器，在沿測深線航行中，向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以速度C在水中傳播到水底，經(jīng)過反射或者散射返回，被接收機(jī)換能器接收。并且聲波在水中的傳播速度為C。聲波在水中傳播的時間t可以通過測深儀中的電子設(shè)備測得。根據(jù)時間t和聲波在水中的傳播速度C即可得出換能器至水底的距離，進(jìn)而加上換能器至水面的距離即為水深。

3. CORS-回聲測深聯(lián)合自動化測深技術(shù)

該技術(shù)主要由CORS定位技術(shù)和回聲測深技術(shù)兩部分組合而成，水下點(diǎn)位的平面位置由CORS獲得，而高程信息由CORS和回聲測深技術(shù)聯(lián)合獲得。工作原理見圖3。

圖3 CORS-回聲測深聯(lián)合自動化測深技術(shù)

雖然CORS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍覆蓋，但是在一定程度上尤其是山區(qū)，其精度、可靠性、準(zhǔn)確性并非均勻分布，與地理位置、氣象條件有一定關(guān)系。因此，為了保證庫區(qū)淤積測量的有效，需要進(jìn)行庫區(qū)CORS系統(tǒng)可靠性研究，主要包括CORS系統(tǒng)通訊信號強(qiáng)度測試、CORS系統(tǒng)定位精度、CORS系統(tǒng)與GNSS靜態(tài)控制網(wǎng)和傳統(tǒng)控制網(wǎng)的比較分析。

三、多波束水下測深系統(tǒng)

1.多波束水下測深系統(tǒng)原理

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向水底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚淮翁綔y就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水下地形的三維特征。

2.多波束水下測深系統(tǒng)組成

一套完整的多波束測深系統(tǒng)通常由多波束聲學(xué)系統(tǒng)、外圍輔助傳感器、數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。多波束聲學(xué)系統(tǒng)主要包含換能器、聲納處理系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)；外圍輔助傳感器包含有GPS、羅經(jīng)、表面聲速儀、聲速剖面儀以及姿態(tài)傳感器；數(shù)據(jù)處理軟件主要有導(dǎo)航采集軟件和后處理軟件，系統(tǒng)組成詳見圖4。

圖4 多波束測深系統(tǒng)組成

主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)：

（1）換能器，型號EM2040C（雙探頭），頻率200～400kHz可調(diào)，步距10Hz；最大測深490m；水深分辨率≤18mm；最大波束覆蓋寬度200°；波束數(shù)目800個；最大輸出頻率50Hz；實(shí)時橫搖、縱搖、艏搖穩(wěn)定：橫搖穩(wěn)定±15°，縱搖穩(wěn)定±10°，艏搖穩(wěn)定±10°；換能器耐壓深度：50m；重量22.9kg。

（2）光纖羅經(jīng)，航向動態(tài)精度±0.1°；航向靜態(tài)精度±0.1°；航向重復(fù)精度±0.025°；航向分辨率0.01°；航向穩(wěn)定時間＜ 3min。

（3）運(yùn)動傳感器，升沉精度5cm或者5%；升沉分辨率1cm；升沉周期0.03-30s；縱搖/橫搖精度0.01°；量程無限制。

（4）聲速剖面儀，量程1400～1550 m/s；響應(yīng)時間＜ 1 ms；精度0.05 m/s；分辨率0.015 m/s；溫度范圍-2～+32℃。

（5）GPS，采用RTK實(shí)時差分定位技術(shù)，平面定位精度±10mm+1ppm，高程定位精度±20mm+1ppm。

四、實(shí)例應(yīng)用

1.富春江水庫水下地形測量

富春江水庫的水下地形測量采用3中的多波束測深系統(tǒng)，多波束測深系統(tǒng)由多個部分組成，測量前要完成系統(tǒng)組裝、參數(shù)校準(zhǔn)、軟硬件調(diào)試等一系列復(fù)雜準(zhǔn)備工作，因不是本文主要內(nèi)容在此不贅述。本次測量區(qū)域?yàn)閴吻爸寥诙危嗖ㄊ鴴邷y過程中按照先近岸后中間、先主流后支流的順序進(jìn)行至待測區(qū)全覆蓋，保證相鄰兩測線間有有至少20%的重疊度，符合規(guī)范要求，具體測量作業(yè)流程如圖5所示。

圖5 多波束水下地形測量作業(yè)流程

2.庫容計算

利用多波束完成庫區(qū)水下地形測量后得到的成果數(shù)據(jù)為包含X、Y、Z坐標(biāo)的文本文件，將點(diǎn)文件導(dǎo)入ArcGIS軟件，利用軟件中的表面體積功能可快速實(shí)現(xiàn)任意水位庫容量的計算，經(jīng)過多次計算，可以得到不同高程對應(yīng)的庫容，進(jìn)而繪制富春江實(shí)測區(qū)域庫容曲線，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 計算庫容曲線

五、結(jié)語

本文結(jié)合富春江水力發(fā)電廠大壩庫區(qū)淤積測量實(shí)際，研究基于CORS系統(tǒng)的集自動精確導(dǎo)航、自動水下地形測量、水下地形數(shù)據(jù)處理的綜合性庫區(qū)淤積測量技術(shù)體系，主要研究內(nèi)容為基于CORS系統(tǒng)的復(fù)雜地理氣象條件下的庫區(qū)水下地形信息獲取技術(shù)研究。該技術(shù)體系的研究不僅能夠徹底改變當(dāng)前庫區(qū)淤積測量和庫容計算分析的低精度、低效率、低可靠性、人工程度高的現(xiàn)狀，而且對于庫區(qū)淤積測量和水下地形測量技術(shù)的發(fā)展也會具有較大的推動作用。

該技術(shù)僅需CORS系統(tǒng)和移動通訊信號雙重覆蓋即可實(shí)施，而目前我國大部分地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了CORS系統(tǒng)和移動通訊信號雙重覆蓋（浙江CORS系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行多年，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，移動通訊信號也早已覆蓋全省，所以富春江水力發(fā)電廠庫區(qū)完全具備該條件），對于該技術(shù)的實(shí)施具有較好的應(yīng)用條件。同時，該技術(shù)實(shí)施效率高，精度有良，所需人力、物力極小，極為適合各種庫區(qū)的水下地形和淤積測量。因此技術(shù)成果應(yīng)用區(qū)域較為廣泛，也易于推廣。