智慧無人船在丹江口水庫水文泥沙監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李振鵬 涂進(jìn)

摘要：丹江口水庫上游河流沖刷、泥沙淤積沉淀使水庫庫容發(fā)生了變化，進(jìn)而影響水庫的供水效益和生態(tài)效益，有必要對(duì)水庫泥沙進(jìn)行監(jiān)測(cè)。提出在無人船平臺(tái)上，采用雙頻回聲儀配合千尋系統(tǒng)獲取高、低頻兩種水深的水下地形圖，然后根據(jù)兩種水深的水下地形圖相減獲得淤泥厚度圖，完成對(duì)水庫的水文泥沙監(jiān)測(cè)，并在丹江口水庫實(shí)地測(cè)試。結(jié)果表明，該方法具有較高的精度和效率，可為丹江口水庫水文泥沙監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持，以更好地發(fā)揮水庫的綜合效益。

關(guān)鍵詞：智慧無人船;水文泥沙監(jiān)測(cè);克里金插值;水面高程;淤泥厚度;丹江口水庫;漢江

中圖法分類號(hào)：TV149

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10. 15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.003

1 研究背景

丹江口水利樞紐是漢江開發(fā)的第一個(gè)控制性大型骨干工程，位于湖北省丹江口市。該工程距碾盤山240 km，距河口652 km，控制流域面積95 217km2（約占漢江全流域的60%[1-2]，具有防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用效益，是漢江開發(fā)治理的關(guān)鍵工程，同時(shí)也是南水北調(diào)中線工程的水源工程[3]。樞紐于1958年開工建設(shè)，初期工程于1973年建成。2005年9月，丹江口大壩加高工程開工建設(shè)，2013年5月加高工程主體工程完工，同年8月通過國(guó)務(wù)院南水北調(diào)辦公室組織的蓄水驗(yàn)收。

近年來，由于上游來沙和水庫泥沙淤積沉淀，丹江口水庫底部泥沙狀況發(fā)生了較大變化，直接影響了水庫庫容，甚至?xí)绊懰畮焖|(zhì)和綜合利用效益。因此，對(duì)丹江口水庫開展水文泥沙監(jiān)測(cè)很有必要。

水庫水文泥沙精細(xì)化監(jiān)測(cè)主要通過對(duì)水庫底部淤泥探測(cè)和分析實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水庫底部淤泥探測(cè)的方法主要有人工潛水探摸和鉆探取樣、雙頻測(cè)深儀探測(cè)、Silas淤泥探測(cè)法等[4]。人工潛水探摸和鉆探取樣屬于點(diǎn)探測(cè)式，效率低且工作量大。Silas淤泥探測(cè)法成本高，且探測(cè)淤泥厚度有限。雖然國(guó)內(nèi)有學(xué)者研究雙頻測(cè)深儀探測(cè)方法，但基于無人船平臺(tái)的雙頻測(cè)深儀探測(cè)法尚未在水庫深水區(qū)域內(nèi)開展應(yīng)用。針對(duì)這一情況，本文提出基于智慧無人船平臺(tái)的雙頻回聲儀淤泥探測(cè)法，并在丹江口水庫中應(yīng)用，效果良好，可為今后大型水庫水文泥沙監(jiān)測(cè)提供參考。

2 智慧無人船系統(tǒng)組成

本文試驗(yàn)采用的智慧無人船長(zhǎng)1.5 m，寬0.7 m。結(jié)構(gòu)主要包含岸基控制系統(tǒng)和勘測(cè)船體兩個(gè)部分。岸基控制系統(tǒng)包含筆記本電腦、遠(yuǎn)程控制軟件、通訊單元等;勘測(cè)船體包括無人船主體、無線傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、推進(jìn)排水系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和電源系統(tǒng)[5]。船體安裝了千尋差分定位系統(tǒng)及雙頻回聲儀測(cè)深系統(tǒng)。千尋差分定位系統(tǒng)能實(shí)時(shí)獲取測(cè)點(diǎn)三維信息，具有定位精度高、定位速度快、全國(guó)覆蓋、全天候服務(wù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[6]。而雙頻回聲儀可同時(shí)發(fā)射208 kHz和24 kHz兩個(gè)頻段的超聲波信號(hào)，獲取淤泥頂部和底部的深度數(shù)據(jù)，二者同步采集數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)水文泥沙的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 工作原理與工作流程

3.1 測(cè)深工作原理

水深測(cè)量系統(tǒng)由負(fù)責(zé)聲波發(fā)射與接收的換能器和負(fù)責(zé)聲波信號(hào)處理的微電腦組成。換能器集成于無人船船底，垂直向下發(fā)射一束聲波，聲波在水底發(fā)生反射折回，并由測(cè)深儀換能器接收，根據(jù)聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差△t以及聲波在水中的傳播速度V，微電腦自動(dòng)計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的水深D[7]。

D =（Vx △t）/2

（1）

3.2 淤泥厚度計(jì)算方法

HY1602回聲儀裝置同時(shí)使用208 kHz和24 kHz兩個(gè)工作頻率。其中，由于波長(zhǎng)長(zhǎng)、穿透力強(qiáng)，低頻能夠到達(dá)河床底部;高頻的穿透能力較弱，只能到達(dá)淤泥頂部。利用兩者高程差，計(jì)算淤泥厚度[8]：

H淤泥頂高=H水面高程一H高頻

（2）

H淤泥底高=H水面高程一低頻

（3）

H淤泥厚度=H淤泥頂高一H淤泥底高

（4）

3.3 工作流程

水文泥沙監(jiān)測(cè)工作流程見圖1。

（1）測(cè)量準(zhǔn)備。主要包括設(shè)備安裝與調(diào)試以及測(cè)區(qū)信息錄入。在施測(cè)前，需對(duì)千尋差分定位系統(tǒng)和測(cè)深儀的精度及穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，并做好比測(cè)記錄。無人船的控制系統(tǒng)也需要進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)區(qū)信息錄入包括預(yù)制計(jì)劃線，根據(jù)比例尺設(shè)置偏航距和測(cè)點(diǎn)間距等。

（2）聲速測(cè)定與測(cè)點(diǎn)三維信息采集。2014年12月南水北調(diào)中線工程正式通水后，水庫正常蓄水位從157 m提高至170 m，最深處水深超過80 m，水體出現(xiàn)溫躍層，在夏季表現(xiàn)尤為明顯。溫躍層的出現(xiàn)使聲速沿水深呈現(xiàn)較大變化，必須用專用的聲速剖面儀來精確測(cè)定水下聲速，進(jìn)而得到精準(zhǔn)的水深值，然后采用后處理軟件完成聲速改正。在測(cè)量過程中，量取的表層水溫為25.8℃，聲速設(shè)定為1 494 m/s。聲速剖面測(cè)量則是在航標(biāo)船上采用HY1203聲速剖面儀施測(cè)，每0.5 m水深記錄一次聲速值，記錄如圖2所示。

所有參數(shù)設(shè)置完畢并上傳信息成功后，無人船遙控器撥到手動(dòng)模式，控制測(cè)船偏航距，開啟數(shù)據(jù)采集模塊，采集測(cè)點(diǎn)的三維信息。

（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理。包括聲速改正計(jì)算和水面高提取。結(jié)合聲速剖面數(shù)據(jù)，聲速改正在長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局漢江水文水資源勘測(cè)局研發(fā)的河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺(tái)下完成。采用GNSS三維水深測(cè)量方式，水面高程提取在河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)。測(cè)前需輸入測(cè)區(qū)七參數(shù)，并精確量取GNSS接收機(jī)天線高，測(cè)量過程中保持測(cè)船平穩(wěn)。

（4）河底高程計(jì)算。包括淤泥頂部高程計(jì)算和淤泥底部高程計(jì)算。計(jì)算方法見式（2）和式（3），其中H水面高程通過GNSS三維水深測(cè)量獲得。河底高程計(jì)算在河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺(tái)下完成。

（5）柵格數(shù)據(jù)生成。提取離散的淤泥頂部高程和淤泥底部高程。分別通過克里金插值計(jì)算得到生成高頻和低頻格網(wǎng)的柵格數(shù)據(jù)，

（6）淤泥厚度計(jì)算與表達(dá)。利用地圖代數(shù)方法，求取淤泥頂部和淤泥底部的差值，從而獲得淤泥厚度，在ArcGIS平臺(tái)下輸出淤泥厚度圖。

4 試驗(yàn)與結(jié)果

本文選擇在丹江口水利樞紐附近試驗(yàn)。測(cè)區(qū)為400 mx400m的正方形水域，水深40 - 55 m，共布設(shè)測(cè)線20條。平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954年北京坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。采用的儀器設(shè)備包括：智慧無人船1艘，HY1602雙頻回聲儀1臺(tái)，HY1203聲速剖面儀1臺(tái)，GNSS接收機(jī)1臺(tái)，筆記本電腦1臺(tái);軟件包括Hypack Max導(dǎo)航軟件，ArcGIS軟件以及河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件等。數(shù)據(jù)采集接收后，在河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中完成聲速改正，計(jì)算出河底高程，在ArcGIS平臺(tái)下完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際生產(chǎn)中，有準(zhǔn)確數(shù)值的采樣點(diǎn)數(shù)量有限，不能滿足泥沙精細(xì)化監(jiān)測(cè)的需要，需要獲取大量的未采樣點(diǎn)的信息，只能采取插值的方式獲取。常用的插值方法主要有：反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法、克里金法等。本文采用克里金法插值，插值得到的低頻面和高頻面柵格數(shù)據(jù)如圖3所示。

為檢驗(yàn)插值精度，預(yù)留40個(gè)樣本點(diǎn)不參與柵格文件構(gòu)建。柵格文件構(gòu)建完成后，在ArcGIS平臺(tái)下完成精度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿足SL 257-2017水道觀測(cè)規(guī)范[8]要求。檢測(cè)結(jié)果見表1。

完成精度檢測(cè)后，在ArcGIS平臺(tái)下使用低頻面和高頻面的數(shù)據(jù)，通過地圖代數(shù)運(yùn)算，計(jì)算淤泥厚度并成圖，得到的結(jié)果如圖4所示。使用4級(jí)分級(jí)圖顯示，藍(lán)色區(qū)域淤泥厚度最薄，綠色區(qū)域淤泥最厚。從圖4可知，兩側(cè)的淤泥厚度較薄，而中央的淤泥厚度則相對(duì)較厚。

低頻面、高頻面以及淤泥厚度面的統(tǒng)計(jì)值見表2。從表2可知：低頻面可以近似指代淤泥底部，均值為95.63 m;高頻面可以近似指代淤泥頂部，均值為95.19 m。淤泥平均厚度0.44 m，分布較為均勻。

5 結(jié)語

使用智慧無人船進(jìn)行河底淤泥厚度探測(cè)，可以一站式獲取水庫底部淤泥信息。同時(shí)無人船使用的蓄電池屬于清潔燃料，節(jié)能環(huán)保，不會(huì)污染水質(zhì)，代表了水文泥沙監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前本文方法僅在丹江口水利樞紐附近進(jìn)行了測(cè)試，尚未進(jìn)行大規(guī)模河底淤泥厚度測(cè)量，因此還缺乏更多實(shí)驗(yàn)樣例。在下一步的研究中，將會(huì)在丹江口水利樞紐工程附近進(jìn)行多測(cè)次試驗(yàn)，進(jìn)一步改進(jìn)該方法的相關(guān)技術(shù)，切實(shí)為水文泥沙監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。

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[8]

SL 257-2017水道觀測(cè)規(guī)范[S].

（編輯：唐湘茜）

作者簡(jiǎn)介：李振鵬，男，工程師，主要從事河道勘測(cè)和航道監(jiān)測(cè)工作。E-mail： yilianchouzi4251@ 163.com