三維多波束系統(tǒng)在庫區(qū)沖刷淤積計算分析中的應(yīng)用

馮 藝， 孫紅亮

(1. 雅礱江流域水電開發(fā)有限公司， 成都 610072；2. 四川中水成勘院工程物探檢測有限公司， 成都 610072)

0 引言

庫區(qū)沖刷淤積是水利水電工程安全運行的直接威脅，并會加重維護(hù)成本和病險發(fā)生幾率。在水庫的河道上游區(qū)域，淤積將使原始河床抬高，水力坡降和河流流速隨之減小，河槽的過水能力降低。在水庫的河道下游區(qū)域，電站發(fā)電系統(tǒng)及泄洪系統(tǒng)將下泄清水，下切下游河床，水位隨之下降，將不利于大壩壩體和沿河水工建筑物的基礎(chǔ)安全。

目前，沖刷淤積評估大多仍采用斷面計算法和等高線容積法[1-2]。①斷面計算法適用于拐彎及叉河區(qū)域少、地形變化均勻的線形區(qū)域，斷面布設(shè)的密度直接決定了計算精度，針對不同高程的庫容計算極其繁瑣而且誤差較大；②等高線容積法只能獲取整個計算庫區(qū)的沖刷量或淤積量，但無法分別估算，且對地勢平坦的地區(qū)，計算誤差較大，加密測線提高精度則工作量巨大，難以在短時間內(nèi)完成。

三維多波束系統(tǒng)，是一種具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形地貌檢測新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于海洋地形檢測、海底資源與環(huán)境調(diào)查以及水下考古研究等領(lǐng)域[3]。其硬件系統(tǒng)成熟、穩(wěn)定、可靠，完全能適應(yīng)內(nèi)陸河湖的水下地形檢測作業(yè)，然而三維點云數(shù)據(jù)處理技術(shù)的滯后研究與開發(fā)，直接阻礙了其在內(nèi)陸水電水利工程應(yīng)用中的普及應(yīng)用與推廣，也由于內(nèi)陸水電水利工程的水工建筑物水下檢查需求的特殊性、復(fù)雜性，現(xiàn)階段還沒有一套成熟的、商品化水平較高的多波束數(shù)據(jù)后處理成圖軟件，能完全為內(nèi)陸河流區(qū)域水下檢測需求提供整套滿意的解決方案[4]。

筆者針對水電水利工程中的沖刷淤積計算需求，引進(jìn)目前國際市場占有率最高的丹麥RESON淺水多波束T50-P系統(tǒng)，并采用自編制程序模塊對多波束采集的三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證點云地形及地貌特征點位置分布均勻性、密度合理性，以此構(gòu)建的模型特征既直觀又具有較高的精度。同時建立三維點云數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行對比研究，可以提供水下三維地形地貌的沖刷淤積變化、清淤合計空間分布現(xiàn)狀分析和點云數(shù)據(jù)計算結(jié)果的可視化成圖等，以及可定期監(jiān)測水下地形地貌的演變過程及變化規(guī)律、計算沖刷淤積方量，為水工建筑物的運行區(qū)的安全維護(hù)提供了重要數(shù)據(jù)依據(jù)以及技術(shù)保證。

1 三維多波束系統(tǒng)

三維多波束系統(tǒng)，其原理[5-6]是利用聲吶發(fā)射換能器基陣向水底發(fā)射寬覆蓋扇區(qū)的聲波信息，并由聲吶接收換能器基陣對水底聲波回波進(jìn)行窄波束接收。通過發(fā)射波束與接收波束在海底與船行方向垂直相交的條帶區(qū)域形成數(shù)以百計的照射腳印區(qū)域，對這些腳印區(qū)域內(nèi)的反向散射信號同時進(jìn)行到達(dá)時間和到達(dá)角度的進(jìn)行計算，再進(jìn)一步通過獲得的聲速剖面數(shù)據(jù)計算就能得到該點的三維點云數(shù)據(jù)。

圍繞高精度和高分辨的發(fā)展方向，國內(nèi)、外學(xué)者開展了大量深入細(xì)致的研究工作。高分辨技術(shù)[7-8]、寬帶信號處理[9]以及測深異常剔除[10-11]、聯(lián)合不確定度的估算等技術(shù)的采用大幅度提高了多波束測深聲吶三維點云數(shù)據(jù)的精度、分辨率和可信性。

我國水下三維多波束測深系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用工作起步較晚，發(fā)展相對落后，主要以國家的科研試驗項目為依托，直到20世紀(jì)80年代末有少量的試驗樣機(jī)問世。近年來，陸續(xù)有國內(nèi)生產(chǎn)廠商推出了商業(yè)化的多波束測深硬件系統(tǒng)，但未見明顯成熟的生產(chǎn)性案例，其設(shè)備作業(yè)性能的穩(wěn)定性和可靠性還有待檢驗。因此目前我國涉海部門及單位使用的多波束測深硬件系統(tǒng)及三維點云數(shù)據(jù)處理軟件幾乎均為國外進(jìn)口，價格昂貴，不利于在基層生產(chǎn)性作業(yè)部門的大規(guī)模推廣。

由于三維點云數(shù)據(jù)處理及建模成圖軟件系統(tǒng)研制與開發(fā)是一項比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各應(yīng)用領(lǐng)域要求也不盡相同，涉及行業(yè)面較廣，各行業(yè)需求特點又均有不同，集成難度較大。同時受時間、人力和物力等多種客觀因素的影響，國產(chǎn)商業(yè)化三維點云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)至今仍處于功能測試、驗證和優(yōu)化完善階段，離其商業(yè)化應(yīng)用距離[12]。

本文硬件系統(tǒng)采用Teledyne RESON T50-P多波束件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，后期數(shù)據(jù)處理首先采用配套的PDS2000進(jìn)行初步的去噪及拼接，后自編制程序也僅針對水電工程中的特殊需求，設(shè)計沖刷淤積分析計算對比及成果三維可視化成圖模塊。

2 庫區(qū)沖刷淤積計算

多波束系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)為水下三維地形及地貌數(shù)據(jù)，經(jīng)過PDS2000可轉(zhuǎn)換為(x,y,z)的基本點云數(shù)字地面模型，通過自編數(shù)據(jù)模塊建立數(shù)字高程模型進(jìn)行沖刷淤積計算分析。

數(shù)字地面模型(digital terrain model，DTM)，是區(qū)域地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字化表達(dá)，是地貌形態(tài)的離散表示。地理數(shù)字地面模型空間實質(zhì)是三維的，以高程為特征z值的DTM，稱為數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，用(x,y,z)數(shù)字形式坐標(biāo)表達(dá)區(qū)域內(nèi)的三維地形地貌形態(tài)特征。

本次河道的沖刷淤積計算方法，以兩期的DEM模型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)有DEM減去原有DEM，對應(yīng)位置的像元值求差，像元差值為正則表示淤積，像元差值為負(fù)則表示沖刷，從而獲取河道的沖刷區(qū)和淤積區(qū)的空間分布格局。DEM具有數(shù)據(jù)點云密度大、精度高的特點且能提供任意位置的點高程坐標(biāo)，保證了沖刷和淤積計算結(jié)果的精度。

最終整個庫區(qū)或者某個區(qū)域的沖刷、淤積量，分別由沖刷區(qū)、淤積區(qū)對應(yīng)的高程差值乘以所占的面積后求和得到，具體計算公式如下：

Vol淤積=Area像元×∑ΔZ(ΔZ>0)

(1)

Vol沖刷=Area像元×∑ΔZ(ΔZ<0)

(2)

式中:ΔZ表示沖刷(淤積)區(qū)所有像元的累加高程差。

3 工程背景

某水電站進(jìn)水口與上一梯級泄洪洞口相距約3 km。2004年-2009年之間庫區(qū)地形變化較大，進(jìn)水口以上河段以淤積為主，進(jìn)水口以下河段沖淤交替。2010年-2011年之間進(jìn)水口以上河段淤積沙量增加約為35×104m3，淤積總量達(dá)到1 200 000 m3。2011年-2012年之間，進(jìn)水口及以上河段主槽均產(chǎn)生了較大淤積，平均淤積厚度增加約4.0 m，局部河段淤積厚度增加5.0 m以上。施工棄渣與施工期泥沙淤積絕大部分在進(jìn)水口上游河段，若不進(jìn)行有效處理，勢必可能會影響到進(jìn)水口的安全。

2014年12月進(jìn)水口河段較2012年庫區(qū)清理后地形已經(jīng)產(chǎn)生了較多淤積，平均淤積高程約3 m～4 m，攔沙庫容已經(jīng)大部分淤滿。1#引水洞放空檢查，集渣坑的淤積較少，主要為建筑垃圾和細(xì)顆粒的泥沙。2016年2月和4月，分別對2#和3#引水洞進(jìn)行放空檢查，發(fā)現(xiàn)集渣坑均已淤滿。于2018年11月至2019年5月期間，對進(jìn)水口區(qū)域的淤積區(qū)域進(jìn)行清淤處理。

圖1 2018年度清淤前期檢測成果圖

鑒于上述情況，分別于2017年度、2018年度、2019年度采用三維多波束T50-P系統(tǒng)進(jìn)行水下地形檢測，對整個庫區(qū)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集、模型建立及可視化，進(jìn)行沖刷淤積分析，推演水下地形沖淤演變、空間分布。我們選擇進(jìn)水口區(qū)域進(jìn)行局部數(shù)據(jù)成果展示。

4 三維數(shù)據(jù)可視化

該進(jìn)水口為洞外開敞式布置，攔污柵布置在連續(xù)通長的攔污柵墩內(nèi)，順?biāo)鞣较蛞来螢槠脚_攔沙設(shè)施→斜坡→攔污柵墩→閘后通倉流道→引水隧洞進(jìn)口喇叭段，總長為44.5 m。攔污柵墩高為43 m。攔沙坎通長布置于攔污柵墩前緣，坎高為5.0 m。

4.1 2018年度清淤前期檢測成果

圖2 2019年度清淤作業(yè)竣工后檢測成果圖

選取2018年度清淤前期的水下多波束聲吶系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化成圖(圖1)，由圖1可見：進(jìn)水口上游側(cè)攔沙坎清晰可見，槽狀特征明顯，下游側(cè)攔沙坎模糊不清，表層泥沙沉積，攔沙坎至攔污柵段泥沙沉積明顯。進(jìn)水口區(qū)域左岸邊坡相對較陡，表層凹凸不平，無明顯沉積，基巖特征明顯。河床高程由左岸向右岸逐漸上升，左側(cè)河床底部略粗糙，右側(cè)河床底部略平整。進(jìn)水口區(qū)域正在進(jìn)行的清淤工作，在河床底部區(qū)域形成一片密集的深挖區(qū)域，該區(qū)域順河向長約30 m、橫河向?qū)捈s30 m、最大深約2.5 m。

4.2 2019年度清淤竣工檢測成果

選取2019年度清淤竣工后的水下多波束聲吶系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化(圖2)，由圖2可知，2019年進(jìn)水口清淤作業(yè)區(qū)域在河床中部形成一個長條狀的深坑，該深坑至攔沙坎區(qū)域都存在清淤痕跡，清淤區(qū)域順河向長約164 m，橫河向處寬處約30 m、窄處為14 m，最大深約7 m。河床中部至右岸攔沙坎之間的大部分區(qū)域存在較淺的清淤作業(yè)痕跡，攔沙坎至攔污柵中間區(qū)域也存在清淤作業(yè)痕跡。進(jìn)水口上游側(cè)攔沙坎輪廓清晰可見，下游側(cè)攔沙坎存在不同深度的清淤痕跡，局部仍被泥沙覆蓋，模糊不清。攔沙坎至攔污柵中間區(qū)域的上游段清淤痕跡較明顯，下游段無明顯清淤作業(yè)痕跡。

圖3 進(jìn)水口上游50 m至下游150 m段沖刷淤積計算成果圖

5 沖刷淤積計算分析

5.1 2017年度與2018年度沖刷淤積分析

取2017年度與2018年度水下三維多波束系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)，利用自編軟件模塊，對進(jìn)水口上游50 m至進(jìn)水口下游150 m段進(jìn)行沖刷淤積計算分析，可得：沖刷面積為15 482 m2，沖刷方量為-6 046 m3；淤積面積為18 908 m2，淤積方量為10 091 m3。因此該河段整體表現(xiàn)為淤積，合計沖刷淤積面積為34 390 m2，淤積方量為4 045 m3。

根據(jù)三維離散數(shù)據(jù)，利用自編軟件模塊，進(jìn)行沖刷淤積成圖(圖3)，由圖3可知：整體表現(xiàn)為黃色，表征為淤積0 m～0.5 m；進(jìn)水口區(qū)域中下游河道淤積較為明顯，表征為紅色，最高淤積厚約為4 m；清淤區(qū)域清晰可見，最大清淤深度較淤積前約深2.5 m，表征為綠色。

圖4 1-1斷面對比分析成果圖

圖5 2-2斷面對比分析成果圖

圖6 3-3斷面對比分析成果圖

選取進(jìn)水口區(qū)域上游、中游、下游三處進(jìn)行剖面分析(圖4～圖6)：

1)1-1斷面：兩年度水下檢測地形基本一致；兩岸以輕度沖刷為主，沖刷厚度小于0.5 m，沖刷淤積圖色標(biāo)表征為淡綠色；河床中間部位以輕度淤積為主，淤積厚度小于0.5 m，沖刷淤積圖色標(biāo)表征為黃色。

2)2-2斷面：左岸邊坡及左側(cè)河道區(qū)域，兩年度水下檢測地形基本一致，以輕度沖刷為主，沖刷厚度小于0.5 m，沖刷淤積圖色標(biāo)表征為淡綠色；河床中間部位及右側(cè)河道區(qū)域，淤積情況明顯，最大淤積厚度約2.5 m，沖刷淤積圖色標(biāo)表征為黃色～淺棕色、局部紅色。

3)3-3斷面：左岸邊坡及左側(cè)河道區(qū)域，兩年度水下檢測地形基本一致，以輕度沖刷為主，沖刷厚度小于0.5 m，沖刷淤積圖色標(biāo)表征為淡綠色；河床中間部位及右側(cè)河道區(qū)域，淤積情況明顯，河床中間部位最大淤積厚度約4.5 m，沖刷淤積圖色標(biāo)表征為黃色～深紅色。

5.2 2018年度與2019年度沖刷淤積分析

取2018年度與2019年度水下三維多波束系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)，利用自編軟件模塊，對進(jìn)水口上游50 m至進(jìn)水口下游150 m段進(jìn)行清淤計算分析(圖7)，由圖7可得：進(jìn)水口上游100 m至進(jìn)水口下游200 m段河道沖刷和淤積的總面積為39 467 m2，河道整體表現(xiàn)為流失，其中流失方量為-23 598 m3，流失面積為10 617 m2。

該段清淤主要分布在兩個區(qū)域：第一區(qū)域為河道中間形成的深坑及深坑至攔沙坎中間區(qū)域，沖刷和淤積的總面積為35 966 m2，其中流失方量為-20 101 m3，流失面積為9 345 m2；第二區(qū)域為攔沙坎至攔污柵區(qū)域，沖刷和淤積的總面積3 500 m2，該段河道整體表現(xiàn)為流失，其中流失方量-3 496 m3，流失面積1 272 m2。

根據(jù)三維離散數(shù)據(jù)，利用自編軟件模塊，進(jìn)行沖刷淤積成圖(圖7)，由圖7可知：

圖7 進(jìn)水口區(qū)域淤積分析成果圖

圖8 2-2斷面2017年-2019年度對比分析成果圖

1)整體表現(xiàn)為黃色，表征為淤積0 m～0.5 m。

2)進(jìn)水口區(qū)域游河道中間區(qū)域清淤痕跡最為明顯，表征為深藍(lán)色，最大清淤深度約為6 m。

3)進(jìn)水口區(qū)域河道中間區(qū)域至右岸大部分區(qū)域清淤痕跡清晰可見，清淤深度較清淤前約深2.5 m，表征為綠色。

4)攔沙坎至攔污柵區(qū)域上游側(cè)大部分區(qū)域清淤痕跡清晰可見，清淤深度較清淤前約深6 m，表征為深藍(lán)色。

選取進(jìn)水口區(qū)域中游2-2剖面進(jìn)行分析(圖8)，由圖8可見：

1)河道中間距攔沙坎55 m處為清淤留下的深坑，深坑在該處呈現(xiàn)最大深度為7.5 m，寬帶約35 m。

2)從清淤深坑到左岸位置地形與前兩年度水下地形基本一致。

3)從清淤深坑到右岸區(qū)域清淤痕跡逐漸減弱，攔沙坎左側(cè)30 m范圍內(nèi)清淤痕跡不明顯。

6 結(jié)論

庫內(nèi)淤積對水利水電工程的安全運行構(gòu)成直接的威脅，而目前精確計算庫區(qū)沖刷淤積的方法還有些欠缺，因此引進(jìn)三維多波束系統(tǒng)，并編制庫區(qū)沖刷淤積計算分析及三維可視化成圖模塊：

1)三維多波束系統(tǒng)可以保證水下地形地貌特征點密度合理、位置分布均勻，根據(jù)精度需求確定點間距。

2)建立三維點云數(shù)據(jù)庫，對比研究可以提供水下三維地形地貌的沖刷淤積變化、清淤合計空間分布現(xiàn)狀分析和點云數(shù)據(jù)計算結(jié)果的可視化成圖等。

3)可定期監(jiān)測水下地形地貌的演變過程及變化規(guī)律、計算沖刷淤積方量，為水工建筑物的運行區(qū)的安全維護(hù)提供了重要數(shù)據(jù)依據(jù)以及技術(shù)保證。