淺談陳行水庫(kù)安全管理之外側(cè)灘面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

裘一鳴

（上海城投原水有限公司,上海,200949）

0 前言

水庫(kù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)國(guó)家的發(fā)展以及社會(huì)的安穩(wěn)有著非常關(guān)鍵的意義，根據(jù)水利部的明確要求，各水利部門應(yīng)高度重視水庫(kù)安全管理，牢固樹立以人為本、生命至上、安全發(fā)展的理念，把確保水庫(kù)安全作為各項(xiàng)工作的重中之重[1-2]。

陳行水庫(kù)始建于1990年,兼具避咸蓄淡、避污蓄清雙重功能，是上海最早的民用水庫(kù)，也開創(chuàng)了上海原水“兩江并舉”的先河。陳行水庫(kù)位于長(zhǎng)江下游羅涇段，其位置如圖1所示，是典型的邊灘水庫(kù)，故而水庫(kù)大堤長(zhǎng)期受長(zhǎng)江徑流動(dòng)力影響，臨江一側(cè)灘面水動(dòng)力條件強(qiáng)勁且十分復(fù)雜。為了關(guān)注水庫(kù)運(yùn)行期大堤臨江側(cè)的灘勢(shì)變化情況，及時(shí)掌握可能出現(xiàn)的危及水庫(kù)大堤安全的風(fēng)險(xiǎn)，開展水庫(kù)臨江側(cè)灘面水下地形的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)就顯得非常必要。

水下地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)通常采用整體地形測(cè)量與固定斷面測(cè)量結(jié)合的方式[3]。整體地形能全面反映水庫(kù)大堤臨江側(cè)灘面地形的總體特征，但由于其測(cè)量費(fèi)用相對(duì)較高且灘面地形在短時(shí)間內(nèi)變化不會(huì)太大，故一般其觀測(cè)頻率較低；固定斷面只反映地形的局部特征，通常布設(shè)在地形變化復(fù)雜且對(duì)大堤安全影響較大的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置，由于其測(cè)量費(fèi)用相對(duì)較低，可采取較高頻率進(jìn)行觀測(cè)。

圖1 上海陳行水庫(kù)位置示意圖Fig.1 Location of the Chenhang reservoir

對(duì)兩種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果采取合理有效、可視化的數(shù)據(jù)處理方法，使兩種數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)水庫(kù)大堤臨江側(cè)水下地形整體及局部的沖淤變化情況，通過河勢(shì)灘勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)報(bào)警，可以確保水庫(kù)大堤安全，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)安全管理專業(yè)檢測(cè)的目的。

1 水下地形測(cè)繪原理

水下地形測(cè)繪包含平面位置定位和水深測(cè)量?jī)刹糠謨?nèi)容。采用GPS-RTK進(jìn)行平面位置坐標(biāo)以及實(shí)時(shí)水面高程采集，采用回聲測(cè)深儀進(jìn)行實(shí)時(shí)水深測(cè)量。平面定位中心與水深測(cè)量中心需在同一位置，通常是將GPS天線頭與測(cè)深儀換能器的連接桿綁在一起來保證位置一致性。GPS-RTK數(shù)據(jù)與測(cè)深數(shù)據(jù)通過UTC時(shí)間進(jìn)行匹配以獲取水下地形點(diǎn)坐標(biāo)及高程，測(cè)量結(jié)果按主測(cè)線與檢查線的重合點(diǎn)水深比作為測(cè)量精度指標(biāo)。

GPS-RTK（GPS Real Time Kinematic）測(cè)量技術(shù)是一種高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分定位技術(shù)[4]，RTK分為常規(guī)RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK兩種。常規(guī)RTK系統(tǒng)主要由三部分組成：參考站（基準(zhǔn)站）、流動(dòng)站以及播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)的基準(zhǔn)站電臺(tái)。它的原理是將基準(zhǔn)站采集的載波相位或者載波相位的修正值以電磁波的形式由電臺(tái)發(fā)送給移動(dòng)站，移動(dòng)站接收到基準(zhǔn)站信號(hào)后進(jìn)行求差，或者改正流動(dòng)站接收到載波相位進(jìn)而解算位置坐標(biāo)（X,Y,Z）。網(wǎng)絡(luò)RTK也稱多基準(zhǔn)站RTK，其定位的基本原理是利用地面布設(shè)的多個(gè)基準(zhǔn)站組成GPS連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，綜合利用各個(gè)基站的觀測(cè)信息，通過建立精確的誤差修正模型，實(shí)時(shí)發(fā)送RTCM差分改正數(shù)給流動(dòng)用戶來進(jìn)行修正以獲得精確的結(jié)果[4]，文中部分?jǐn)?shù)據(jù)采用上海CORS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集。

回聲測(cè)深儀是利用聲波反射的信息來測(cè)量水深的儀器，回聲測(cè)深儀的工作原理是根據(jù)超聲波能在均勻介質(zhì)中勻速直線傳播，遇不同介質(zhì)面產(chǎn)生反射的原理設(shè)計(jì)而成[5]。進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，將測(cè)深儀的換能器安置于水面以下一定位置，使換能器吃水保持在30～50 cm。進(jìn)行水深測(cè)量前采用聲速剖面儀定時(shí)測(cè)定聲速，并將測(cè)定的聲速設(shè)定至測(cè)深儀中。測(cè)深儀向水下地形發(fā)射超聲波信號(hào)并接收地形反射回來的信號(hào)，通過發(fā)射到接收的時(shí)間間隔以及已測(cè)定的聲速即可計(jì)算換能器至水下地形的深度，再量取換能器的吃水深度以及由RTK實(shí)測(cè)采集的水面高程，即可計(jì)算出水底地形的高程值。

此外，在平面定位與水深測(cè)量匹配時(shí)應(yīng)考慮延時(shí)改正以及測(cè)量船的姿態(tài)改正，提高測(cè)量精度。

2 局部河勢(shì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

陳行水庫(kù)大堤臨江側(cè)灘面整體水下地形測(cè)量范圍為水庫(kù)大堤往長(zhǎng)江一側(cè)延伸，監(jiān)測(cè)頻次為2～3年一次。圖2為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)開展以來其中一次所測(cè)地形色譜圖。由圖可知該區(qū)域水下地形的高程分布，非常直觀地反映了水庫(kù)大堤臨江側(cè)灘面地形的起伏變化狀況。

圖2 陳行水庫(kù)外側(cè)水下整體地形色譜圖Fig.2 Chromatogram of underwater topography outside Chen?hang reservoir

將相鄰兩期的水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)按高程方向進(jìn)行差值運(yùn)算，將所得結(jié)果形成兩次測(cè)量地形沖淤狀況分布，見圖3。圖中藍(lán)色（負(fù)值）表示沖刷，紅色（正值）表示淤積，非常清楚地表達(dá)了沖刷最嚴(yán)重的區(qū)域及沖刷深度。根據(jù)該圖可分析得出，陳行水庫(kù)外側(cè)灘面表現(xiàn)為既有沖刷也有淤積，且總體變化較小。具體來看，陳行水庫(kù)取水口以內(nèi)、以上淺灘表現(xiàn)為略有沖刷，沖深幅度大多在0.2 m以內(nèi)；取水口以內(nèi)、以下淺灘表現(xiàn)為略有淤積，淤厚大多在0.5 m以內(nèi)；取水口附近自上而下表現(xiàn)為淤積，大多淤厚在0.5 m以內(nèi)，陳行水庫(kù)下游碼頭局部淤厚在1～2.0 m；取水口以外-8～-11 m灘面沖淤相間，除下游碼頭外側(cè)局部沖刷深度超過1.0 m以外，總體變化較?。?11 m以外灘面表現(xiàn)為淤積，淤積厚度在0.5 m左右。

圖3 陳行水庫(kù)外側(cè)相鄰兩期水下地形測(cè)量沖淤分布圖Fig.3 Comparison of sediment distribution in the two adjacent underwater topography measurement results

3 固定斷面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)于監(jiān)測(cè)頻次較高的固定斷面觀測(cè)數(shù)據(jù)，目前工程上用的一些斷面成圖軟件側(cè)重于單期測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，針對(duì)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量所得的多期觀測(cè)數(shù)據(jù)，無法通過這樣的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)管理、疊加比較。筆者采用AutoCAD平臺(tái)上二次開發(fā)的固定斷面數(shù)據(jù)處理插件，該軟件可將每一期數(shù)據(jù)按自定義格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，并能根據(jù)需求進(jìn)行檢索，從而得到任意多期斷面的疊加和任意兩期斷面的沖淤對(duì)比與統(tǒng)計(jì)。

筆者使用該軟件對(duì)陳行水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)固定斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，主要處理方法有任意多期斷面疊加（見圖4）、任意兩期斷面沖淤對(duì)比統(tǒng)計(jì)（見圖5）。圖4通過不同時(shí)間段所觀測(cè)的固定斷面直觀表達(dá)了該斷面在觀測(cè)期間的變化情況。圖5中紅色（深色）填充表示淤積，綠色（淺色）填充表示沖刷，根據(jù)該圖，可清楚識(shí)別該斷面沖刷/淤積的位置及程度，斷面圖在下端以表格的形式列出該斷面最大沖刷量、沖刷長(zhǎng)度、平均沖刷量、最大淤積量、最大淤積長(zhǎng)度、平均淤積量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖4 陳行水庫(kù)外側(cè)任意多期斷面測(cè)量數(shù)據(jù)疊加圖Fig.4 Superposed section data of many times measurements of underwater topography outside

圖5 陳行水庫(kù)外側(cè)任意兩期斷面沖淤分析統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Analysis on sediment distribution in the two underwater topography measurement results

4 結(jié)語

陳行水庫(kù)的安全管理包含運(yùn)行管理、日常巡視、防臺(tái)防汛、專業(yè)檢測(cè)等多個(gè)方面，外側(cè)灘面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)乃是水庫(kù)專業(yè)檢測(cè)中一個(gè)重要的組成部分。通過開展水庫(kù)大堤臨江側(cè)灘面地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，采用GPS-RTK技術(shù)與回聲測(cè)深儀結(jié)合進(jìn)行水下地形測(cè)量，并進(jìn)行合理、可視化的測(cè)量數(shù)據(jù)處理，直觀、定量地反映臨江側(cè)灘面地形整體沖淤情況以及局部重點(diǎn)斷面的沖淤狀況、變化趨勢(shì)等，進(jìn)而通過河勢(shì)灘勢(shì)分析掌握灘面地形的變化對(duì)大堤安全產(chǎn)生的影響，為水庫(kù)的安全管理提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)和技術(shù)保障，為水庫(kù)長(zhǎng)期、可靠運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也對(duì)同類型水庫(kù)的安全管理工作起到了一定的借鑒意義。