瀾滄江—湄公河航道二期整治項(xiàng)目水文測(cè)量實(shí)施方案

江木春，韓亞民，李 勇

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430060)

山區(qū)航道具有落差大、水流湍急、流速大、水情復(fù)雜等特點(diǎn)，其水文測(cè)量資料的完整性和正確性直接影響航道整治方案的設(shè)計(jì)和施工。瀾滄江—湄公河航道二期整治項(xiàng)目位于瀾滄江—湄公河干流中游，全長631 km，自中緬邊境243號(hào)界碑至老撾瑯勃拉邦河段，穿越中國、緬甸、泰國、老撾4個(gè)國家。航道枯水期水面高程280～500 m，落差220余米，是典型的山區(qū)國際航道。大部分航道經(jīng)過山區(qū)，谷底被水流切割較深，主要呈V字形，地形起伏較大。整治項(xiàng)目主要包括158道灘險(xiǎn)整治、設(shè)置導(dǎo)助航標(biāo)志及其他配套工程等。此段航道跨越多國，同時(shí)也是多國的界河，水文測(cè)量受多國審批的影響較大，工作協(xié)調(diào)困難，在工作實(shí)施前考慮各種因素，制定了多種技術(shù)方案，配備多種先進(jìn)的設(shè)備，及時(shí)向有關(guān)國家的外交、交通、環(huán)保和水利等部門報(bào)備和申請(qǐng)，并派專人進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)，分段組織管理和實(shí)施，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，安全順利地完成了全部航道測(cè)量工作。本次水文測(cè)量主要是枯水期航道水文測(cè)量，包括比降觀測(cè)、水文斷面測(cè)量和表面流速與流向測(cè)量等[1]。

1 水文觀測(cè)內(nèi)容和技術(shù)要求

1.1 比降觀測(cè)

比降觀測(cè)包括航道全線的比降觀測(cè)和灘險(xiǎn)加密比降觀測(cè)，灘險(xiǎn)加密比降觀測(cè)須與附近的全線基本水尺進(jìn)行同步聯(lián)測(cè)，比降觀測(cè)設(shè)置的水尺數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定[2]。全線比降觀測(cè)可分段實(shí)施，須有一定數(shù)量的公共點(diǎn)觀測(cè)，全線基本水尺每次觀測(cè)時(shí)長不少于72 h，每整小時(shí)觀測(cè)1次，部分基本水尺還須進(jìn)行中、洪水期同步觀測(cè)[3]。

1.2 水文斷面測(cè)量

水文斷面測(cè)量包括流量斷面測(cè)量和大斷面測(cè)量。流量斷面測(cè)量包括沿航道全線布置的流量斷面以及為滿足典型險(xiǎn)灘模型試驗(yàn)而布設(shè)的灘險(xiǎn)流量斷面，測(cè)量斷面上5條垂線流速流向。大斷面測(cè)量是在全線基本水尺附近進(jìn)行地形大斷面測(cè)量[4]。

1.3 表面流速與流向測(cè)量

表面流速與流向測(cè)量主要是針對(duì)需要開展模型試驗(yàn)的19個(gè)典型灘群(含單個(gè)灘險(xiǎn))進(jìn)行，流線數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況進(jìn)行調(diào)整。表面流速與流向測(cè)量應(yīng)與典型灘險(xiǎn)的水文斷面測(cè)量和水位觀測(cè)同步進(jìn)行。

2 水文測(cè)量的實(shí)施方法

2.1 比降觀測(cè)

2.1.1全線比降

全線比降水尺沿航道每10 km均勻布置，盡量靠近灘險(xiǎn)位置，并特別兼顧甲等灘、乙等灘等重要灘險(xiǎn)布設(shè)，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理調(diào)整，共布設(shè)61個(gè)全線比降水尺。老緬段全線比降水尺點(diǎn)分布見圖1。

圖1 老緬段全線比降水尺分布

不同水期(枯水、中水、洪水)均有比降觀測(cè)需要，受外界自然條件限制和上游水庫下泄流量的影響，基于航道沿線國家工作批準(zhǔn)不同步的客觀現(xiàn)實(shí)，全線比降觀測(cè)只能分段分期進(jìn)行觀測(cè)。各期比降觀測(cè)水尺位置保持一致，不同測(cè)段的比降水尺有部分水尺為共用水尺，建立不同測(cè)段之間的相互關(guān)系。全線比降水尺同步觀測(cè)時(shí)長不少于72 h，每整小時(shí)觀測(cè)1次，全線比降觀測(cè)部分成果見表1。

表1 全線比降觀測(cè)成果

全線現(xiàn)場(chǎng)枯水期觀測(cè)期內(nèi)航道水面高495～273 m，落差222 m，平均比降為0.352 mkm；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大比降0.862 mkm，位于航道上游老緬段18～22號(hào)灘之間，此段航道兩岸地勢(shì)險(xiǎn)要，河面狹窄，水流湍急；最小比降0.107 mkm，位于航道下游老撾內(nèi)河段149～150號(hào)灘之間，河面逐漸變寬，水流平緩。全線航道比降偏大，屬于典型山區(qū)河流比降，其上游比降明顯大于下游比降。

2.1.2灘險(xiǎn)比降

灘險(xiǎn)比降觀測(cè)采用設(shè)立水尺同步觀測(cè)的方法。每個(gè)灘險(xiǎn)都布設(shè)了比降觀測(cè)點(diǎn)，比降觀測(cè)點(diǎn)不少于2個(gè)，縱比降明顯變化的灘險(xiǎn)段增設(shè)了加密比降觀測(cè)點(diǎn)，橫比降明顯的水域在左右岸也布設(shè)了比降觀測(cè)點(diǎn)，72～74號(hào)灘加密比降水尺布設(shè)見圖2。BS-SC-38為全線比降觀測(cè)和灘險(xiǎn)比降觀測(cè)的公用基本水尺，灘險(xiǎn)成果可與全線比降成果進(jìn)行關(guān)聯(lián)[1]。

圖2 灘險(xiǎn)加密比降水尺布設(shè)

需要進(jìn)行模型試驗(yàn)的灘險(xiǎn)比降水尺嚴(yán)格按照要求進(jìn)行布設(shè)，比降觀測(cè)時(shí)與灘險(xiǎn)ADCP(多普勒流速剖面儀)走航測(cè)量同步，72～74號(hào)灘險(xiǎn)的部分加密水尺比降觀測(cè)成果見表2。

表2 灘險(xiǎn)比降觀測(cè)成果

所有灘險(xiǎn)比降水尺均與附近的全線基本比降水尺進(jìn)行同步觀測(cè)，建立兩者之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，以便數(shù)據(jù)的分析利用。比降觀測(cè)選擇穩(wěn)定水期，一般不少于4組觀測(cè)，對(duì)于重點(diǎn)灘險(xiǎn)比降進(jìn)行不同水期的補(bǔ)充比降觀測(cè)。

2.1.3觀測(cè)方法

比降觀測(cè)采用人工觀測(cè)和水位儀自動(dòng)觀測(cè)相結(jié)合的測(cè)量方案。觀測(cè)點(diǎn)選擇水流平穩(wěn)、不易淤積、波浪影響小的水域。觀測(cè)點(diǎn)均按圖根水準(zhǔn)精度進(jìn)行水位聯(lián)測(cè)，包括聯(lián)測(cè)水尺零點(diǎn)高程以及直接獲取水位高2種方式。采用三角高程接測(cè)、水準(zhǔn)接測(cè)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(RTK)接測(cè)3種方式，多次測(cè)量取平均值作為接測(cè)結(jié)果，且不定時(shí)對(duì)部分接測(cè)成果進(jìn)行重復(fù)接測(cè)或多種方法相互驗(yàn)證的方法，確保水位接測(cè)的精度。

人工觀測(cè)時(shí)按要求的時(shí)間間隔讀取水尺讀數(shù)，精確到厘米，取平均值進(jìn)行記錄。水位儀自動(dòng)觀測(cè)采用英國AQUAlogger 520水位自動(dòng)記錄儀，通過配套軟件對(duì)水位自動(dòng)記錄儀進(jìn)行設(shè)置，投放到選定的比降觀測(cè)點(diǎn)后，按一定的時(shí)間間隔自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，獲取連續(xù)的水位。

2.1.4數(shù)據(jù)處理

對(duì)于比降觀測(cè)，在外業(yè)水位觀測(cè)和內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)均精確到0.01 m，所有數(shù)據(jù)歸算至統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)，最終形成數(shù)據(jù)報(bào)表，對(duì)于所獲取的比降觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過人工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行抽查，并分析合理性，對(duì)于存在疑問的數(shù)據(jù)進(jìn)行核查或復(fù)測(cè)檢查，確保成果質(zhì)量。比降觀測(cè)成果資料最終以成果報(bào)表的形式提供，成果內(nèi)容包括比降觀測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、觀測(cè)日期、時(shí)間、水位等信息。

2.2 水文斷面測(cè)量

2.2.1ADCP走航測(cè)量

ADCP走航測(cè)量是為了獲取斷面的流量，對(duì)于灘險(xiǎn)水文斷面，還需要獲取斷面垂線流速與流向成果。全線水文斷面在每個(gè)大的支流口附近均布置1個(gè)，同時(shí)按照每20～50 km加密布設(shè)，并盡量靠近灘險(xiǎn)原則進(jìn)行，位置選取時(shí)選擇航道平直且無復(fù)雜流態(tài)的位置，并避開不良流態(tài)。灘險(xiǎn)水文斷面根據(jù)模型試驗(yàn)需求進(jìn)行布設(shè)，在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況略微調(diào)整。老撾內(nèi)河段部分全線水文斷面布設(shè)見圖3。

圖3 全線水文斷面布設(shè)

ADCP走航測(cè)量包括全線和灘險(xiǎn)水文測(cè)量，測(cè)量時(shí)均與水位比降觀測(cè)同步開展。灘險(xiǎn)水文ADCP走航測(cè)量還與表面流速與流向測(cè)量同步開展，測(cè)量時(shí)測(cè)流斷面盡可能同水流流向垂直。采用ADCP聯(lián)合GPS-RTK同步作業(yè)的方法進(jìn)行。ADCP沿水文斷面走航測(cè)量過程中連續(xù)向水體及河底發(fā)射聲脈沖，測(cè)出船相對(duì)于水流及河床的速度，兩者矢量差即為水流相對(duì)于河床的速度。采用GPS-RTK方法對(duì)走航ADCP進(jìn)行導(dǎo)航定位，并記錄相應(yīng)軌跡，標(biāo)識(shí)在地形圖上并同時(shí)提供實(shí)測(cè)位置坐標(biāo)。

測(cè)驗(yàn)前查勘斷面的通航情況和斷面最大水深，設(shè)定ADCP參數(shù)；測(cè)船在GPS實(shí)時(shí)導(dǎo)航下按預(yù)置的斷面線進(jìn)行施測(cè)，兩岸測(cè)至ADCP盲區(qū)水深處，以提高測(cè)量精度；每次施測(cè)均從左岸→右岸、右岸→左岸施測(cè)，取所測(cè)斷面流量的平均值作為實(shí)測(cè)流量值，并對(duì)施測(cè)過程中相關(guān)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄。

在ADCP走航測(cè)量的同時(shí)同步觀測(cè)比降水尺水位，對(duì)于灘險(xiǎn)水文同步開展表面流速與流向測(cè)量。為滿足不同水期的研究需要，對(duì)部分?jǐn)嗝孢M(jìn)行了不同水期的流量測(cè)量，老撾內(nèi)河段部分ADCP走航測(cè)量成果見表3。

表3 ADCP走航測(cè)量成果

2.2.2大斷面測(cè)量

大斷面測(cè)量主要針對(duì)全線水文中各全線比降水尺而言，其工作內(nèi)容是開展水下和陸域地形大斷面測(cè)量，其目的是滿足模型試驗(yàn)的需求。大斷面測(cè)量采用橫斷面法施測(cè)，分為陸域和水域部分：陸域部分采用GPS-RTK的方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)至最高洪水位以上；水域部分按照水深測(cè)量的要求，測(cè)點(diǎn)的平面位置采用GPS-RTK定位，水深采用HY1600數(shù)字測(cè)深儀施測(cè)，使用測(cè)量導(dǎo)航軟件進(jìn)行導(dǎo)航，平面坐標(biāo)和水深同步采集。水深測(cè)量在風(fēng)浪較小的時(shí)間進(jìn)行，且往返測(cè)量多次以保證斷面測(cè)量精度，水陸交界部分注重檢測(cè)。

對(duì)于大斷面測(cè)量成果的數(shù)據(jù)處理，采用CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。水、陸域轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)，由于斷面寬度不一致，根據(jù)不同需求提取，提供整體的大斷面數(shù)據(jù)文件。水文斷面成果資料最終以成果報(bào)表的形式提供，成果內(nèi)容包括水文斷面流量、斷面位置信息、觀測(cè)日期、水位、垂線流速、流向等信息。如54～56號(hào)灘斷面流量成果見表4。

表4 54～56號(hào)灘斷面流量成果

灘險(xiǎn)水文ADCP斷面，提取垂線流速與流向成果，本航道河段寬度較窄，但根據(jù)規(guī)范要求，沿?cái)嗝娣较蚓鶆虿荚O(shè)5個(gè)垂線，整理流速、流向值，處理完成后，通過手工對(duì)部分計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性檢查，提交斷面垂線流速與流向成果。

2.3 表面流速與流向測(cè)量

2.3.1電子浮標(biāo)法

表面流速與流向主要是測(cè)量航道在自然狀態(tài)下的水流速度和方向。表面流速與流向測(cè)量須選擇無風(fēng)或小風(fēng)天觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)起始斷面的浮標(biāo)要盡量均勻施放，與灘險(xiǎn)比降觀測(cè)同步開展。表面流速與流向測(cè)量布設(shè)方案遵循主槽不少于3條、支汊不少于1條的原則，投放浮標(biāo)位置和觀測(cè)結(jié)束位置均選于水流平緩處。對(duì)于部分比較長的灘群，采用多個(gè)測(cè)量組分段開展表面流速與流向測(cè)量，以便縮短測(cè)量時(shí)間，測(cè)線的布設(shè)根據(jù)灘群實(shí)際情況，選擇水流平緩處進(jìn)行分段布設(shè)，同時(shí)保證交接處有一定的重合段。

電子浮標(biāo)法是采用浮標(biāo)自動(dòng)記錄自身位置的方法，精度高、操作簡單、安全便捷、可多條測(cè)線同步實(shí)施、可提高工作效率，特別適合山區(qū)激流險(xiǎn)灘，克服了常規(guī)船舶跟蹤法和前方交會(huì)法實(shí)施困難的問題，保障人員和設(shè)備安全。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流速情況設(shè)置自動(dòng)記錄的時(shí)間間隔，測(cè)量前在已知點(diǎn)上進(jìn)行坐標(biāo)參數(shù)校正，保證所采集位置的準(zhǔn)確性。開展測(cè)量時(shí)，根據(jù)布設(shè)的測(cè)線，導(dǎo)航到起始點(diǎn)后拋入水中，浮標(biāo)自動(dòng)記錄位置坐標(biāo)，工作結(jié)束后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦并用軟件處理，既避免了用船跟蹤時(shí)的人為誤差、提高了定位精度，又保障了人員和設(shè)備安全。電子浮標(biāo)法表面流速流向測(cè)量見圖4。

圖4 電子浮標(biāo)法表面流速與流向測(cè)量

2.3.2數(shù)據(jù)處理

根據(jù)浮標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)、時(shí)間和間距，計(jì)算測(cè)點(diǎn)間的流速與流向，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性檢查，表面流速與流向成果展繪在灘險(xiǎn)水下地形圖上，并置于單獨(dú)圖層，編制表面流速與流向成果統(tǒng)計(jì)表，包括風(fēng)速、風(fēng)向、最大流速、最小流速、平均流速、水位等信息?？菟陂g實(shí)測(cè)的最大表面流速為5.785 ms，為2016年10月7日位于18、19號(hào)斷面帕山灘、擋弄灘段測(cè)得，此段航道水面狹窄，比降也是全航道中最大的，是全線整治重點(diǎn)段。

3 結(jié)語

1)采用多種設(shè)備和技術(shù)方法，對(duì)長距離山區(qū)航道整治工程中的水文測(cè)量，提出比降觀測(cè)、水文斷面測(cè)量和表面流速與流向測(cè)量等技術(shù)方案，既包括全線水文測(cè)量，又突出重點(diǎn)灘險(xiǎn)水文測(cè)量，提供了完整的山區(qū)航道整治水文測(cè)量實(shí)施方案。

2)制定合理的技術(shù)方案，及時(shí)向有關(guān)國家報(bào)備和申請(qǐng)，分段組織管理和實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，為類似跨越多國的國際合作項(xiàng)目提供了很好的范例。

3)電子浮標(biāo)法表面流速與流向測(cè)量，具有精度高、操作簡單、安全便捷的優(yōu)點(diǎn)，可多條測(cè)線同步實(shí)施，提高了工作效率，為山區(qū)河流激流險(xiǎn)灘表面流速與流向測(cè)量提供了一種很好的技術(shù)方案。