長江干流城市供水取水口水下地形監(jiān)測分析

摘要：長江是城市供水重要水源地，取水口附近水下地形容易發(fā)生沖刷和淤積。為了解取水口附近的地形變化情況，采用多波束測深系統(tǒng)和無人機(jī)系統(tǒng)對取水口進(jìn)行監(jiān)測，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析。結(jié)果表明：取水口附近水下地形具有上游沖刷、下游淤積的變化規(guī)律。研究成果對取水口沖淤變化預(yù)測和水資源管理具有重要意義。

關(guān)鍵詞：城市供水;取水口;水下地形;監(jiān)測分析;水資源管理;長江干流

中圖法分類號：X832文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.003

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0018- 04

供水是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，城市供水安全是城市經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展和人民生活質(zhì)量的重要保障[1]。長江干流流經(jīng)11個省、自治區(qū)、直轄市，其中包含安徽省段安慶、池州、銅陵、蕪湖、馬鞍山5個城市，為沿江城市提供了優(yōu)質(zhì)水源。長江每年經(jīng)歷洪水期和枯水期，供水工程取水口附近水下地形會發(fā)生較大變化，易出現(xiàn)沖刷和淤積，需對城市取水口水源保護(hù)區(qū)內(nèi)水下地形進(jìn)行水深測量和沖淤分析，以及時了解城市供水頭部的變化情況，并根據(jù)監(jiān)測情況提出城市供水預(yù)警和水資源管理方案[2]。因此，取水口工程監(jiān)測對城市供水極其重要。

1 技術(shù)路線

城市供水取水口監(jiān)測采用多波束掃測和無人機(jī)航攝相結(jié)合的方式，具體技術(shù)路線為：①根據(jù)取水口的位置布設(shè)多波束和無人機(jī)測線，采用多波束測深系統(tǒng)對水下地形進(jìn)行全覆蓋測量，掃測長度為順?biāo)鞣较蛞匀∷陬^部中心線上下游各250 m，掃測寬度為垂直水流方向自水邊至水邊線外300 m;②采用無人機(jī)系統(tǒng)對取水口保護(hù)區(qū)范圍上游3 000 m至下游500 m進(jìn)行高清視頻航拍，對取水口上游1 000 m至下游100 m重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行航片拍攝、制作正射影像圖;③對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，制作沖淤效果圖，取水口監(jiān)測具體流程如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過程包括多波束水下地形監(jiān)測和無人機(jī)陸上影像監(jiān)測。

2.1 多波束水下地形監(jiān)測

2.1.1 多波束數(shù)據(jù)采集

多波束換能器采用舷外安裝方式，固定在左舷距測量船首約1/3處，光纖羅經(jīng)安裝在測量船駕駛艙中心位置，建立船體坐標(biāo)系，準(zhǔn)確量取光纖羅經(jīng)、GNSS天線、換能器在船體坐標(biāo)系中的位置參數(shù)[3]。平面定位采用網(wǎng)絡(luò)RTK，利用與多波束測深系統(tǒng)配套的測量軟件導(dǎo)航，沿設(shè)計(jì)測線掃測，實(shí)時采集定位數(shù)據(jù)和測深數(shù)據(jù)[4]。為提高測量精度，最大程度地降低系統(tǒng)誤差，保障測深數(shù)據(jù)質(zhì)量，多波束水深測量寬深比為1∶4，不同測段、相鄰條帶測深重疊寬度不低于掃測的30%，船速控制在6～9 km/h，數(shù)據(jù)更新率根據(jù)水深、船速進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整[5]，多波束測深和數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

2.1.2 多波束數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行測量數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理前，對各項(xiàng)測量的原始數(shù)據(jù)文件及記錄進(jìn)行檢查，確認(rèn)數(shù)據(jù)完整、符合要求，查看水位曲線需符合潮位變化趨勢，保證水位的真實(shí)可靠性[6]。取3組數(shù)據(jù)，依次按照橫搖、縱搖、艏向的順序進(jìn)行校準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的平均值作為最終校準(zhǔn)結(jié)果。備份測量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行聲速、潮位及姿態(tài)改正，運(yùn)用CARIS軟件對采集的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，采用人機(jī)交互方式對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、編輯，并剔除假水深信號，結(jié)合規(guī)范要求和設(shè)計(jì)書要求輸出水深數(shù)據(jù)。每次作業(yè)完畢，根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行精度檢查，比對分析水深情況，主要內(nèi)容包括檢查線與主測線和交叉區(qū)域高程互差比對[7]，詳見表1，結(jié)果表明精度滿足多波束規(guī)范要求。

2.2 無人機(jī)陸上影像監(jiān)測

2.2.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

利用大疆無人機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，根據(jù)測區(qū)地形地貌情況，合理布設(shè)像控點(diǎn)，并按照圖根控制點(diǎn)精度施測。在采集前，檢查無人機(jī)狀態(tài)，利用飛控軟件布設(shè)合理的航線，飛行時間選在風(fēng)速較小、風(fēng)向穩(wěn)定、透明度較好的時段，以保證所得影像完整清晰、層次分明、顏色飽和、反差適中，能辨別出地面上最暗處的影像細(xì)節(jié)。各影像之間重疊度、像片旋偏角、航線彎曲度符合規(guī)范要求[8]。各條航帶間沒有漏洞，可建立立體模型，最終提交的航攝成果數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)書和規(guī)范要求。

2.2.2 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理

對像控點(diǎn)照片名稱進(jìn)行編輯，與相應(yīng)的像控點(diǎn)匹配。剔除航攝像片中傾角大的像片，每個架次的航攝像片所對應(yīng)的像控點(diǎn)匹配好。利用專業(yè)的無人機(jī)測繪攝影測量軟件進(jìn)行處理，導(dǎo)入航攝照片、POS文件和像控點(diǎn)文件，并在對應(yīng)的影像上進(jìn)行刺點(diǎn)，一般需要選擇至少4張以上影像圖，并在輸出坐標(biāo)系中選擇需要的坐標(biāo)系，進(jìn)行初始化處理、點(diǎn)云及紋理、數(shù)字地面模型及正射影像圖處理，空三射線圖如圖3所示。對于生成的正射影像圖，可利用鑲嵌圖編輯器從多幅影像中選擇最佳影像來消除移動物體或瑕疵，制作高質(zhì)量的正射影像圖和數(shù)字地面模型，全方位查看城市取水口情況[9]。

采用北京三維EPS處理軟件和GIS軟件對生成的正射影像圖，根據(jù)影像形狀、大小、色調(diào)與陰影等進(jìn)行二維、三維判讀，依據(jù)地形圖圖式制作線劃圖[10]，對于無法判讀或不能確定的，到現(xiàn)場調(diào)繪，并調(diào)查其屬性，高程數(shù)據(jù)利用生成數(shù)字地面模型進(jìn)行加密高程點(diǎn)。

3 成果制作和分析

評定測量使用平面及水位控制轉(zhuǎn)換參數(shù)。通過與已有平面控制點(diǎn)成果比對，坐標(biāo)差值及定位中誤差結(jié)果都符合要求，可作為本次測量的轉(zhuǎn)換參數(shù)使用。人工驗(yàn)潮數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，符合潮位變化趨勢，所測水深正常，等深線勾繪光滑銜接，無突變情況發(fā)生。無人機(jī)測量內(nèi)外業(yè)工作進(jìn)展有序，數(shù)字正射影像圖上像控點(diǎn)的坐標(biāo)與實(shí)際RTK采集的相控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比對[11]，校核成果滿足航空攝影規(guī)范要求。

3.1 取水口頭部立體影像和地形圖制作

利用Caris軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，刪除噪點(diǎn)，制作取水頭部管道立體影像圖[12]，如圖4所示。從圖4中可以清晰看到管道位置和管道周圍的護(hù)管樁，并詳細(xì)研判管道是否發(fā)生傾斜、護(hù)管樁是否倒塌、周圍水下地形是否變化情況。導(dǎo)出TIFF格式數(shù)據(jù)，在GIS軟件中進(jìn)行二次開發(fā)，獲得需要的坐標(biāo)成果，在CAD中調(diào)用文本數(shù)據(jù)，制作1：1 000水下地形圖。

3.2 影像制作和沖淤分析

為更準(zhǔn)確地分析水廠取水口位置的水下地形變化情況，運(yùn)用GIS軟件，提取水下高程點(diǎn)和等高線數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型，把監(jiān)測區(qū)域本次測量數(shù)據(jù)與往年測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，采用不同色帶表示沖淤區(qū)域水下地形高程變化，紅黃表示沖刷，綠藍(lán)色表示淤積，等值線表示沖淤的深度線[13]。在城市供水取水口制作了取水口附近的沖淤分析圖，通過不同的顏色和線性進(jìn)行分析比較，可以直觀、清晰地顯示取水口附近的水下地形沖淤變化。GIS建模主要步驟有數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)建庫、TIN模型生成和編輯、沖淤量計(jì)算和沖淤圖繪制和合成等。

為便于分析數(shù)據(jù)成果，把無人機(jī)拍攝取水口附近的航片生成正射影像與GIS制作的沖淤圖無縫拼接，制作了取水口沖淤影像圖。水廠取水口監(jiān)測分析情況類似，現(xiàn)以銅陵二水廠監(jiān)測為例，銅陵二水廠取水口沖淤影像如圖5所示。監(jiān)測對比分析采用2014年5月和2019年12月數(shù)據(jù)，通過取水口沖淤影像圖可以看出：該區(qū)域近岸河床變化不大，沖淤互現(xiàn)，但以淤積為主;遠(yuǎn)岸河床有沖刷，局部有沖刷坑，沖刷深度達(dá)6 m。重點(diǎn)區(qū)域城市供水取水口上游側(cè)有一長約200 m的沖刷帶，沖刷深度為1～2 m，取水口下游呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，淤積厚度約1 m;取水口外50～100 m，有1～2 m厚的淤積帶。取水口位置水下地形未發(fā)現(xiàn)異常情況，沒有大的淤積和堵塞，沖淤情況符合常態(tài)。

4 結(jié) 語

通過全面、科學(xué)地監(jiān)測和分析長江城市取水口情況，發(fā)現(xiàn)了取水口地形變化規(guī)律：取水口上游有沖刷帶，一般沖刷深度在2 m左右，下游有淤積。陸上地形采用無人機(jī)系統(tǒng)，未使用激光掃描儀系統(tǒng)，讓操作更簡單、成本更低、實(shí)用性更強(qiáng)。根據(jù)采集的水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)，制作了取水口頭部管道立體影像圖，清晰、直觀反映了取水口附近的建筑物運(yùn)行狀態(tài)，證明了該水陸一體化監(jiān)測方法的可行性。創(chuàng)新了監(jiān)管手段，監(jiān)測和分析成果具有參考價值，為取水口管理和工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)決策和效果評估，并為水資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會的高質(zhì)量發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

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（編輯：唐湘茜）

Monitoring and analysis of underwater terrain near the urban water intake in the main stream of Yangtze River

ZHAO Jun

（Anhui Yangtze River Administration Bureau， Wuhu 241000， China）

Abstract： The Yangtze River is an important source of urban water supply， and the underwater terrain near the water intake is prone to erosion and siltation. In order to understand the terrain changes near the water intake， a multi-beam sounding system and an unmanned aerial vehicle system were used to monitor the water intake， and the collected data were processed and analyzed. The analysis results showed that the underwater terrain near the water intake has change law of upstream erosion and downstream sedimentation， The analysis results are of great significance to the prediction of the erosion and sedimentation changes of the water intake and the management of water resources.

Key words： urban water supply; water intake; underwater topography; monitoring and analysis; water resource management;main stream of Yangtze River