深圳河清淤工程跟蹤測量與回淤特征分析

孫羅慶，王政君，李中洲，周貽港

(1.深圳市勘察測繪院(集團)有限公司，廣東 深圳 518028； 2.深圳市治理深圳河辦公室，廣東 深圳 518052)

1 引 言

為貫徹落實《中華人民共和國環(huán)境保護法》《水污染防治行動計劃》，全國各地開展了眾多的黑臭水體治理及河道整治工程。清淤疏浚作為河道整治工程中的一種常用手段，在國內(nèi)外得到了廣泛的應用[1，2]。眾多工程案例表明，清淤疏浚工程的實施將影響河道輸沙平衡，導致不同程度的回淤[3，4]。

深圳河一度被河道污染、泄洪能力不足等問題困擾。經(jīng)深港兩地的共同努力，自20世紀90年代起，先后完成了治理深圳河一、二、三、四期工程，以及清淤工程、水面保潔工作、污染底泥治理等系列項目，改善了深圳河生態(tài)和水質(zhì)，防洪標準從2年～5年一遇提升至50年一遇[5，6]。

隨著時間的推移，深圳河一、二、三期河道出現(xiàn)了較嚴重的回淤，淤積問題日益嚴重。深圳河設定的防洪標準為200年一遇，現(xiàn)狀50年一遇防洪標準不達標[7]。隨著粵港澳大灣區(qū)和社會主義先行示范區(qū)建設的相繼實施，未來深圳河防洪要求將進一步提高。

通過對清淤工程進行回淤跟蹤測量，掌握回淤特性與規(guī)律，將對深圳河及其他河道清淤工程以及長期運行管理具有重要意義。

2 深圳河清淤工程

2.1 深圳河概況

深圳河是深圳市五大河流之一，是深港界河，從羅芳自東向西流入深圳灣，其流域面積約為 312.5 km2，深圳河一、二、三、四期河道長度共約 17.9 km。深圳河含3條主要支流：梧桐河、沙灣河和布吉河，深圳河河口南側為香港米埔國際濕地保護區(qū)，北側為深圳福田紅樹林國家自然保護區(qū)[8]。

深圳河為潮汐河，其潮汐為典型的不規(guī)則半日潮，深圳河口測得最大潮差為 1.5 m。深圳河流域?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L氣候，年平均降雨量為 1 664 mm。降水年內(nèi)分配不均，每年4月～10月為汛期，降雨量約占年降雨量90%。降雨以鋒面雨、臺風雨及地形雨為主，強度大且暴雨多[9]。

2.2 清淤工程概況

深圳河河口斷面為國家河道水質(zhì)達標考核的國控斷面。為了削減污染底泥對水質(zhì)的污染影響，提高防洪排澇能力，改善河道水質(zhì)環(huán)境，深圳市治理深圳河辦公室于2018年開展“深圳河梧桐河口至上步立交河段(9+400～6+900)清淤工程”。清淤河段共計 2.5 km，面積約 0.3 km2，工程時間為2018年7月～2018年12月，共計清淤量為49.76萬m3。清淤河段位置分布情況如圖1所示。

圖1 清淤河段位置分布及清淤概況

3 河道地形測量

深圳河兩側沿岸區(qū)域低潮位時存在較大面積灘涂，河道中線常年水深大于 1 m。河道地形測量方法主要采用RTK配合測深儀無驗潮測深法、三維激光掃描技術，輔以GPS RTK技術，測量比例尺為 1∶500。

3.1 RTK配合測深儀無驗潮測量

(1)技術原理

水下地形測量的目的是采集水下地形點的平面坐標和高程。GPS RTK配合測深儀無驗潮測深法，通過GPS RTK技術獲取水面點的平面坐標及水面高程，結合測深儀采集的水深數(shù)據(jù)，即可完成水下地形數(shù)據(jù)采集工作。其原理如圖2所示，水底高程如公式(1)。

h=hG-L-(△h1+△h2)

(1)

式中，h為水底高程，hG為GPS接收機相位中心正常高，L為相位中心至水面高，△h1為換能器吃水深度，△h2為換能器至水底深度。

圖2 RTK配合測深儀無驗潮測深示意圖

(2)作業(yè)步驟

①布測覆蓋測區(qū)的GPS等級控制網(wǎng)，并聯(lián)測等級水準高程；

②確定測區(qū)WGS84坐標系與項目采用工程坐標系之間的轉換關系，并進行高程擬合；

③布設測深線方向為垂直于河道兩岸方向，測深線間距為圖上 ≤1.5 cm；布設測深檢查線方向為垂直于測深線方向，檢查線長度占測深線長度比例≥5%；測深點采樣間距為 5 m。

④在等級控制點上架設基準站，將流動站在其他等級點檢查平面和高程無誤后，采用專用支架固定接收機和測深儀換能器在船首1/3～1/2處；

⑤量取GPS接收機相位中心至水面高和換能器吃水深度，采用聲速儀測定聲速并在測深儀進行相關參數(shù)設置，使用檢查板檢查水深無誤后開始測量(檢查較差 ≤5 cm)；

⑥測量結束后重復步驟⑤的檢查工作，作為對測量過程的檢查；

⑦比較測深點與檢查點高程互差(平面間距圖上 ≤1 mm的測量點，水深 ≤20 m時互差應 ≤0.4 m)，超限點數(shù)占參與比較的總點數(shù)比例應≤20%，否則重測。

(3)精度評估

通過比較測深點與檢查點(平面間距圖上 ≤1 mm的測量點)高程，經(jīng)統(tǒng)計12次測量測深點高程中誤差為 ±7.5 cm。

3.2 河道灘涂三維激光掃描測量

河道兩側近岸區(qū)域，受淤泥沉積及潮汐的影響，漲潮時水深較淺，落潮時為灘涂，淤積層較厚，承載能力較差，人工及船只均難以進行數(shù)據(jù)采集。

Trimble SX10集全站儀和掃描儀功能為一體，視場角為：360°×317°，坐標測量精度為 2 mm+1.5 ppm，掃描速度高達每秒 26 600點，測程可達 600 m。在低潮位時采用Trimble SX10在等級控制點上設站定向和檢查，對深圳河河道灘涂進行測量。通過全站儀設站檢查特征點來評定點云精度，其平面位置中誤差為 ±3.1 cm，高程中誤差為 ±3.9 cm。深圳河灘涂及三維激光點云如圖3所示。

圖3 深圳河灘涂及點云示意圖

3.3 測量周期

清淤工程清淤前測量時間為2018年7月，清淤竣工測量時間為2018年12月。采用相同的方法及設備在清淤前后對清淤段進行回淤跟蹤測量，共進行12次，時間為2019年2月、4月、6月、7月、8月、9月、10月、11月，2020年3月、11月。

3.4 河道斷面生成

河道橫斷面成圖比例尺橫向按 1∶2 000，縱向按 1∶100，累計完成河道橫斷面測量12次，每次26條。將每次測量橫斷面與河道設計斷面疊加，并計算橫斷面與設計斷面形成橫截面面積。7+000里程清淤前、清淤后及各次跟蹤測量斷面如圖4所示。

圖4 7+000里程跟蹤測量斷面圖

3.5 淤積量計算

采用斷面法計算淤積量，計算公式如式(2)。

(2)

式中：V為淤積量；n為總橫斷面數(shù)；Si為第i條實測橫斷面與相應設計斷面所圍成的截面積；di為第i條橫斷面與第i+1條橫斷面中心點間的距離。

由表1可知，清淤工程清淤量為49.76萬m3，占河段總淤積量(62.19萬m3)的80%。截至2020年11月20日，整個清淤段回淤量達到34.27萬m3，占清淤量的69%，從下游至上游方向(6+900至9+400)，每 500 m河段回淤量占清淤量比例依次為90%、69%、64%、57%、59%。

清淤河段淤積量變化(萬m3) 表1

4 回淤特征分析

4.1 上下游分段回淤變化

將該河段按里程分為5段(6+900～7+400、7+400～7+900、7+900～8+400、8+400～8+900、8+900～9+400)，結合表1，各分段淤積量變化情況如圖5所示。整個清淤段淤積變化情況如圖6所示。

圖5 清淤段分段淤積量變化圖

圖6 清淤段整體淤積量變化圖

從圖5可知，清淤段回淤速度和回淤量從下游至上游方向由快變慢。從圖6可知，清淤后2年內(nèi)該河段呈持續(xù)回淤狀態(tài)，次年回淤速度較首年略慢。

4.2 不同區(qū)域不同時間淤積變化

采用MATLAB平臺，對每期原始觀測數(shù)據(jù)進行 1 m×1 m方格網(wǎng)內(nèi)插，并與上一期內(nèi)插數(shù)據(jù)求差值，用不同顏色表征差值(回淤厚度)，以近期拍攝的遙感影像圖作為底圖，可直觀表示各區(qū)域回淤態(tài)勢。以2019年4月和6月觀測數(shù)據(jù)為例，該時間段內(nèi)各區(qū)域回淤變化如圖7所示。清淤結束后至2020年11月回淤變化情況如圖8所示。

圖7 2019年4月至6月淤積厚度變化圖

圖8 清淤后約2年內(nèi)淤積厚度變化圖

從圖7可知，2019年4月～6月期間，局部回淤達到 1.2 m，下游段回淤較上游段明顯。結合圖5及表1，該時間段內(nèi)回淤速度較其他時間段明顯更快，回淤量明顯更大。根據(jù)收集的氣象資料顯示，該時間段內(nèi)發(fā)生多次極端強降雨天氣。

從圖8可知，清淤后兩年內(nèi)，局部區(qū)域回淤厚度達 2 m，大部分區(qū)域回淤超過 1 m(注：局部區(qū)域因施工導致變深)。

5 結 論

綜合采用RTK配合測深儀無驗潮測量法、三維激光掃描測量和GPS RTK人工碎部點采集的方法，可以克服漲落潮及灘涂淤積導致的地形數(shù)據(jù)采集難題，并取得較高的測量精度，為類似項目的開展提供參考。

通過對清淤工程進行多次跟蹤測量，獲取了深圳河清淤段兩年內(nèi)較為豐富的回淤數(shù)據(jù)，包括各時間段的回淤量、回淤速率、回淤趨勢和不同區(qū)域的回淤差異，在一定程度上掌握了清淤回淤規(guī)律，為深圳河長期運行管理及防洪調(diào)度積累了豐富的基礎資料。

深圳河清淤工程實施后2年內(nèi)回淤量已達清淤量的69%，下游段回淤量達清淤量的90%，并仍呈持續(xù)回淤態(tài)勢。