長江中下游崩岸監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

(1.長江水利委員會水文局, 湖北 武漢　430012；2.長江水利委員會水文局 荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州　434000)

1　概　述

水體崩岸是河床演變過程中水流對堤岸沖刷、侵蝕發(fā)生、發(fā)展積累產(chǎn)生的突發(fā)事件，也是沖積河流河道演變主要表現(xiàn)形式之一。受水沙條件、河勢調(diào)整及人類活動等因素影響，河道沿岸的險(xiǎn)工險(xiǎn)段崩塌現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。三峽工程蓄水以來，清水下泄，長江中下游河段受到持續(xù)沖刷，崩岸險(xiǎn)情時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響長江堤防安全，對長江沿江經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來不利影響[1]。為及時(shí)掌握長江崩岸險(xiǎn)情的變化情況，發(fā)現(xiàn)或預(yù)報(bào)潛在崩岸險(xiǎn)情，必須宏觀掌握長江崩岸險(xiǎn)情的發(fā)展動態(tài)，收集的崩岸地形數(shù)據(jù)需具有全面性、系統(tǒng)性和連續(xù)性，同時(shí)做到對正在發(fā)生或即將發(fā)生的崩岸險(xiǎn)情段的快速監(jiān)測，第一時(shí)間收集險(xiǎn)情數(shù)據(jù)，迅速掌握崩岸發(fā)展近況，并通過河道演變分析及數(shù)學(xué)模型計(jì)算，提出最佳方案，及時(shí)采取工程措施，遏制或減緩險(xiǎn)情的發(fā)展，有效保護(hù)沿江人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全[2]。

2　崩岸監(jiān)測內(nèi)容

崩岸地形監(jiān)測主要內(nèi)容一般包括崩岸巡查(根據(jù)實(shí)際情況可采取定期和不定期兩種形式)、大比例尺半江地形測量(一般要求測過河道主泓線)、水文測驗(yàn)(包括近岸水位、水溫、流量、流速、表面流速流向及水文泥沙)等。

崩岸巡查主要分日常巡查和應(yīng)急巡查兩種。日常巡查主要在汛前、汛期高洪退水后及汛后枯季，一般汛前、汛后枯季各安排一次，汛期安排不少于兩次。應(yīng)急巡查為遇特殊情況下(如遭遇大洪水、大暴雨、河道水位驟變、險(xiǎn)工險(xiǎn)段突發(fā)重大崩岸險(xiǎn)情等)進(jìn)行的全面、專門或連續(xù)性的巡查，巡查測次主要根據(jù)水情變化持續(xù)時(shí)間或崩岸發(fā)生程度而定。大比例尺地形監(jiān)測一般采用1∶200～1∶2 000測圖比例尺，對重點(diǎn)監(jiān)測的險(xiǎn)工險(xiǎn)段、已發(fā)重大崩岸險(xiǎn)情段及預(yù)警段進(jìn)行多測次、連續(xù)性的半江地形測繪，快速獲得相應(yīng)地形圖資料[3]。通過對近期多測次、年內(nèi)及年際地形圖資料變化分析，初步判定險(xiǎn)工險(xiǎn)段的穩(wěn)定性和安全性，為下一步護(hù)岸整治、水體綜合治理提供基礎(chǔ)資料。險(xiǎn)工險(xiǎn)段除近岸河床地形測量外，還需要對水流動力、河床邊界條件等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測，以便分析崩岸進(jìn)一步發(fā)生的可能性和崩岸發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理。監(jiān)測主要包括水位、流速、表面流速流向、懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)顆粒級配、河底床沙、崩岸岸線物質(zhì)成分分析等內(nèi)容。

3　崩岸監(jiān)測技術(shù)

3.1　崩岸巡查

一般采用快艇、越野車作為水、陸交通工具，通過技術(shù)人員現(xiàn)場實(shí)地巡視檢查，目測了解河道主流線、水流頂沖點(diǎn)、漩渦等變化情況；查看了解迎水坡護(hù)面或護(hù)坡是否有裂縫、剝落、滑動、隆起、松動、塌坑、沖刷等現(xiàn)象；查看背水坡及堤內(nèi)腳是否有散滲、滲水坑、管涌等現(xiàn)象。對已經(jīng)發(fā)生的崩岸段進(jìn)行拍照、攝影，并采用激光測距儀、鋼卷尺等量測崩岸縱橫方向的長度和寬度，初步判斷崩岸進(jìn)一步發(fā)生的可能性，查找出潛在的崩岸險(xiǎn)情段，以避免重大崩岸險(xiǎn)情進(jìn)一步惡化。

每次巡查應(yīng)詳細(xì)填寫現(xiàn)場檢查表，及時(shí)整理現(xiàn)場記錄，并與照片、影像等其他輔助資料一一對應(yīng)。巡查完畢后，應(yīng)與前一次或歷次檢查結(jié)果進(jìn)行對比分析，若發(fā)現(xiàn)異常情況，需立即提交巡查簡報(bào)。巡查人員應(yīng)具備相關(guān)專業(yè)知識，且應(yīng)相對固定，以便準(zhǔn)確了解和掌握異常情況。

3.2　大比例尺險(xiǎn)工段地形測繪

3.2.1陸上地形測繪

傳統(tǒng)險(xiǎn)工段陸上地形測量方法，一般包括方向交會法、距離交會法、經(jīng)緯儀測繪法、平板儀測圖法、經(jīng)緯儀配合小平板儀測圖等。目前陸上地形測量一般采用全站儀電子平板、草圖編碼法(GNSS RTK或全站儀極坐標(biāo)法采集數(shù)據(jù))等測圖方法。

(1)全站儀電子平板測圖。全站儀電子平板測圖系統(tǒng)包括全站儀、計(jì)算機(jī)及配套的數(shù)據(jù)采集編輯軟件?，F(xiàn)場測圖時(shí)，在測站上通過全站儀觀測地物點(diǎn)，并通過終端連接線將測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時(shí)顯示點(diǎn)位和圖形，測量人員可對其進(jìn)行現(xiàn)場編輯和繪制。該系統(tǒng)內(nèi)置了測圖規(guī)范中定義的圖式符號，生產(chǎn)人員也可自行定義，既提高了成圖速度，又提高了測圖的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。相較于其他測圖技術(shù)，電子平板技術(shù)的優(yōu)勢在于現(xiàn)場測圖、現(xiàn)場成圖，能更準(zhǔn)確地把握地形地貌，在很大程度上減少了地物錯(cuò)繪漏繪。

(2)草圖編碼法。草圖編碼法是指測量人員在現(xiàn)場通過GNSS RTK等采集測量數(shù)據(jù)，同時(shí)繪制草圖或者進(jìn)行地物編碼記錄，內(nèi)業(yè)繪圖人員導(dǎo)出采集數(shù)據(jù)后，根據(jù)草圖或編碼信息完成地形圖繪制及編輯工作。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是工作效率高、分組靈活，但由于地形圖不是在現(xiàn)場繪制，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場白紙測圖及電子平板技術(shù)比較，易于錯(cuò)繪、漏繪地物，因此一般用于地形相對簡單、地物較少的情況。

(3)無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)。采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)，能獲取高分辨率數(shù)字影像，以無人駕駛飛機(jī)為飛行平臺，高分辨率數(shù)碼相機(jī)為傳感器，通過3S技術(shù)在系統(tǒng)中集成應(yīng)用，可以快速獲取小面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢性強(qiáng)的航測遙感數(shù)據(jù)[4]。

由于長江崩岸地形監(jiān)測一般在局部河段開展，且現(xiàn)勢性要求較高，因此無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)相對于衛(wèi)星遙感和普通航空攝影更具有實(shí)用性。另外，無人機(jī)具有靈活機(jī)動的特點(diǎn)，可獲取比衛(wèi)星遙感和普通航攝更高分辨率的影像，屬于近景航空攝影測量，其精度能夠滿足一般崩岸監(jiān)測精度要求?？傊瑹o人機(jī)低空航攝系統(tǒng)使用成本低、耗費(fèi)低、機(jī)動靈活，尤其適合面積較小的局部河段地形監(jiān)測任務(wù)，相對于全野外數(shù)據(jù)采集方法成圖，該方法將大量的野外工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，既能減輕勞動強(qiáng)度，又能提高作業(yè)的效率，是當(dāng)前長江崩岸陸上地形監(jiān)測的一個(gè)新的發(fā)展方向。

3.2.2數(shù)字化水下地形測繪

數(shù)字化水下地形測繪技術(shù)一般包括單波束和多波束測量技術(shù)。單波束測量系統(tǒng)一般包括GNSS平面定位設(shè)備、單波束數(shù)字測深儀、計(jì)算機(jī)及配套的數(shù)據(jù)采集軟件；多波束測量系統(tǒng)一般包括GNSS平面定位設(shè)備、姿態(tài)傳感器、多波束測深系統(tǒng)及配套的導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集、處理軟件。單波束測深系統(tǒng)安裝方便、技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的水下地形測量、斷面測量工作。與單波束測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優(yōu)點(diǎn)，它將測深技術(shù)從點(diǎn)、線擴(kuò)展到面，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測深和自動成圖，適合進(jìn)行面積較大的大比例尺水下地形測量。

3.2.3EPS全息測繪系統(tǒng)

EPS全息測繪系統(tǒng)是集成多源測圖方法及數(shù)據(jù)庫管理、內(nèi)業(yè)編輯、查詢統(tǒng)計(jì)、打印出圖、工程應(yīng)用于一體的面向GIS的野外數(shù)據(jù)采集軟件。EPS所采集的數(shù)據(jù)不僅符合國家圖式規(guī)范的數(shù)字成圖和專業(yè)制圖的需求，同時(shí)滿足GIS對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)信息化和地理信息的完整性、拓?fù)湫?、圖屬一致性等各項(xiàng)性能要求，滿足系統(tǒng)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析應(yīng)用的需求。其中數(shù)字化測圖模塊是全息測圖系統(tǒng)的核心部分，它作為儀器與計(jì)算機(jī)結(jié)合的媒體，并通過軟件實(shí)現(xiàn)即測即顯，做到野外現(xiàn)場測圖、實(shí)時(shí)展點(diǎn)、實(shí)時(shí)編輯，及時(shí)繪制與屬性錄入，使每一測點(diǎn)在幾何信息、屬性信息及點(diǎn)與點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系得到準(zhǔn)確的測定和描述，從而保障了數(shù)字地形圖在位置精度、屬性精度、邏輯一致性、完整性及現(xiàn)勢性等方面的成果質(zhì)量。

3.2.4船載一體化水邊測量技術(shù)

傳統(tǒng)河道邊界水邊形狀的施測是以點(diǎn)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一般以全站儀極坐標(biāo)法或GNSS RTK方法為施測手段，但由于安全風(fēng)險(xiǎn)等問題，在崩岸河段往往難以獲得真實(shí)、準(zhǔn)確的水邊形狀。

船載數(shù)字雷達(dá)和數(shù)字近景攝影方式同步使用對河道水邊界高精度測繪方法具有顯著優(yōu)勢，雷達(dá)連續(xù)掃測水邊界圖像數(shù)據(jù)，后處理進(jìn)行圖像校正、拼接并自動提取水邊界數(shù)據(jù)。近景攝影系統(tǒng)在慣導(dǎo)系統(tǒng)(GNSS+IMU)的支持下，以像方控制的方式在船上安裝普通數(shù)碼相機(jī)，獲取河岸近景多基線序列影像，并基于數(shù)字近景攝影測量、視覺測量理論和數(shù)字圖像處理等技術(shù)，對序列影像進(jìn)行空間量測化處理，實(shí)現(xiàn)水邊界的精確提取。其優(yōu)勢體現(xiàn)在：該技術(shù)具有嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，能獲取目標(biāo)精確的二維和三維空間信息和物理信息；該技術(shù)屬于非接觸式測量技術(shù)，能有效克服觀測目標(biāo)難以到達(dá)的問題；隨著近年來高精度POS系統(tǒng)的普及，有效解決了雷達(dá)掃描和攝影測量對控制點(diǎn)依賴問題，大大提升了該技術(shù)的靈活性，極大降低了勞動強(qiáng)度；該設(shè)備安裝在船上，非接觸式對水邊界掃描和攝影測量，既能有效克服陸地測量植被高密度覆蓋造成的視線遮擋問題，又便于實(shí)現(xiàn)水下地形測量與水邊界測量的一體化。

3.3　水文測驗(yàn)

3.3.1水沙條件變化監(jiān)測

水沙條件變化監(jiān)測一般包括來水來沙條件監(jiān)測、崩岸段半江一級水文斷面監(jiān)測、懸移質(zhì)泥沙含沙量分布觀測、岸坡波浪觀測等4個(gè)方面內(nèi)容。

(1)來水來沙條件監(jiān)測。利用了上游河段水文、水位站監(jiān)測成果，包括水位漲落率(各水位站)、洪峰過程、沙峰過程及來量等。

(2)半江一級水文斷面監(jiān)測。不同流量下崩岸段近岸水沙條件會發(fā)生變化，監(jiān)測內(nèi)容主要包括水溫、水位、流速分布、水面流速流向、比降、含沙量及床沙、懸移質(zhì)顆粒級配等。半江一級水文斷面同固定斷面，橫向測至深泓外100 m。水面流速流向半江范圍內(nèi)布設(shè)3線。半江一級水文斷面監(jiān)測與地形變化監(jiān)測同步進(jìn)行。

(3)懸移質(zhì)泥沙觀測。按選點(diǎn)法測驗(yàn)，取樣垂線及測點(diǎn)布置與測速垂線、測點(diǎn)保持一致，計(jì)算測點(diǎn)、垂線平均、斷面平均含沙量及斷面輸沙率，以便掌握近岸含沙量的分布及崩岸上下游含沙量特性的變化情況。

(4)波浪觀測。在布置的監(jiān)測斷面上觀測波高、周期、波向、波型、水面情況等，輔助要素為風(fēng)速和風(fēng)向，采用目測或浮球式加速度型測波儀、聲學(xué)測波儀和重力測波儀等自記測波儀觀測。

3.3.2河道邊界條件監(jiān)測

近岸河槽部分的床沙、河岸土壤成份結(jié)構(gòu)、級配、孔隙度及含水量監(jiān)測，可采用內(nèi)部形態(tài)觀測造孔的土柱樣品并進(jìn)行分析。對有拋石護(hù)岸的河段，利用淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶結(jié)合GNSS、綜合集成軟件等對河床底質(zhì)及淺地層進(jìn)行探測。通過淺地層及表層探測，一方面了解護(hù)岸及崩岸河床淺地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面形態(tài)，另一方面跟蹤護(hù)岸護(hù)底及近岸拋石受水流影響的后續(xù)分布情況。

4　地形測量成果簡要分析方法

地形測量成果簡要分析方法包括沖刷坑特征值統(tǒng)計(jì)分析及特征斷面套匯疊加分析等方法。沖刷坑的特征值統(tǒng)計(jì)分析是按照觀測年份，對沖刷坑最深點(diǎn)高程、縱向相對位置、距標(biāo)準(zhǔn)線距離、與岸線距離、沖刷坑面積及水下坡比等特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，基于沖刷坑特征值的變化進(jìn)行系統(tǒng)分析和統(tǒng)計(jì)；特征斷面套匯疊加分析是在崩岸沖刷區(qū)典型區(qū)段提取斷面，套匯疊加，通過分析比較多年來斷面的變化形態(tài)、趨勢，總結(jié)岸線、深槽、頂沖點(diǎn)、岸坡比的變化趨勢。

以某險(xiǎn)工險(xiǎn)段崩岸監(jiān)測為例，在沖刷坑和崩岸段分別取5個(gè)斷面對護(hù)岸監(jiān)測資料進(jìn)行分析，對應(yīng)于護(hù)岸段樁號分別為4+474、3+194、3+057、2+967、2+932。該險(xiǎn)段水下坡比統(tǒng)計(jì)及河床特征值變化統(tǒng)計(jì)分別見表1和表2。從表1可以看出該段水下坡比在2002年后有所增大，2004年后呈大幅增大態(tài)勢，岸坡趨于不穩(wěn)定，特別是4+474、3+057和2+967的水下坡比最大，2008年和2011年水下坡比甚至大于1∶2.50，岸坡逐漸失穩(wěn)。崩岸段水下坡比變陡，其水下坡比極值是2+967斷面，其次為3+057中斷面，第3為4+474斷面，第4為2+932斷面，最小為3+194起點(diǎn)斷面。2002年前后比較各斷面水下坡比明顯變陡，朝不穩(wěn)定方向發(fā)展，有潛在的崩岸險(xiǎn)情。

表1　某險(xiǎn)工險(xiǎn)段水下坡比統(tǒng)計(jì)

從表2沖刷坑特征值的變化來看，近岸河床2008年年內(nèi)變化特點(diǎn)為汛前淤積，汛期沖刷；沖刷時(shí)沖刷坑范圍迅速擴(kuò)大拉長，垂向沖深幅度為5～6 m；2011年年內(nèi)變化特點(diǎn)為汛前沖刷，汛后淤積，變幅較小。年際變化總體呈沖刷發(fā)展?fàn)顟B(tài)，表現(xiàn)為先沖刷后淤積再沖刷，沖刷坑最深點(diǎn)高程和面積最大值均出現(xiàn)在2008年汛期，2011年與2008年同期較汛前沖刷坑面積有所增大，相應(yīng)地最深點(diǎn)高程有所沖深，汛后面積有所減小，相應(yīng)地最深點(diǎn)高程有所淤高。從總體來看，沖刷坑最深點(diǎn)的相對位置變化不大，最深點(diǎn)高程值變小，沖刷坑面積增大。4+474附近水下坡比大幅度變陡，朝不穩(wěn)定方向發(fā)展。

表2　某險(xiǎn)工險(xiǎn)段近岸河床特征值變化

綜合分析半江斷面的年際變化情況(見圖1與圖2)，由該險(xiǎn)工段所取5個(gè)斷面自上而下的變化可以看出其動態(tài)演變過程：處于上部的4+474斷面位于彎頂偏下，多年來斷面形態(tài)不穩(wěn)定，變化主要表現(xiàn)為右岸的崩退及右槽的右移、沖深，右岸的北門灘逐漸沖刷消失，自1993年以來汛后深槽呈逐年沖深態(tài)勢，2006年達(dá)近期最低值-11 m，累計(jì)沖深達(dá)26 m，2006～2011年有所淤高，淤積幅度為5.6 m，水下坡比較大并趨于不穩(wěn)定。處于險(xiǎn)工段中上部的崩岸起點(diǎn)斷面主要表現(xiàn)為蓄水前岸線的崩退和深槽的右移沖深，蓄水后深槽累積沖深，但岸線相對穩(wěn)定。處于險(xiǎn)工段中、下部的其他3個(gè)斷面近年來的年際變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為蓄水前岸線的崩退和深槽的沖刷右移，蓄水后深槽則表現(xiàn)為先沖刷后淤積再沖刷并達(dá)近期最低值，深泓緊貼岸邊，特別是該崩岸中斷面和止點(diǎn)斷面的岸坡坡比增大并趨于不穩(wěn)定。

圖1　4+474半江斷面年際變化

圖2　4+474半江斷面年內(nèi)變化

綜上所述，該險(xiǎn)工段年際近岸河床表現(xiàn)為2002年前岸線的崩退和深槽的沖刷右移，2002年后深槽總體沖刷下切，2008年出現(xiàn)歷年最低值，頂沖點(diǎn)下移，深泓緊貼岸邊，特別是崩岸中斷面和止點(diǎn)斷面的岸坡坡比增大并趨于不穩(wěn)定[5]。

5　結(jié)　語

20世紀(jì)90年代以前，險(xiǎn)工險(xiǎn)段的監(jiān)測方法以光學(xué)儀器和紙質(zhì)記錄為代表的常規(guī)觀測方法為主。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著測繪技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，主流的崩岸監(jiān)測技術(shù)主要由全站儀、電子水準(zhǔn)儀、GNSS、單波束測深系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)等電子儀器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前測繪技術(shù)逐漸向多元化方向邁進(jìn)，無人機(jī)航空攝影測量、無人船遙測水深等測量技術(shù)日趨成熟，在崩岸監(jiān)測、險(xiǎn)工險(xiǎn)段監(jiān)測中都具有很高的實(shí)用價(jià)值，相信在未來幾年將會有更廣闊的應(yīng)用前景。

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