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      智慧無人船在丹江口水庫水文泥沙監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

      2020-07-09 12:12:29李振鵬涂進(jìn)
      水利水電快報(bào) 2020年5期
      關(guān)鍵詞:丹江口水庫漢江

      李振鵬 涂進(jìn)

      摘要:丹江口水庫上游河流沖刷、泥沙淤積沉淀使水庫庫容發(fā)生了變化,進(jìn)而影響水庫的供水效益和生態(tài)效益,有必要對(duì)水庫泥沙進(jìn)行監(jiān)測(cè)。提出在無人船平臺(tái)上,采用雙頻回聲儀配合千尋系統(tǒng)獲取高、低頻兩種水深的水下地形圖,然后根據(jù)兩種水深的水下地形圖相減獲得淤泥厚度圖,完成對(duì)水庫的水文泥沙監(jiān)測(cè),并在丹江口水庫實(shí)地測(cè)試。結(jié)果表明,該方法具有較高的精度和效率,可為丹江口水庫水文泥沙監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持,以更好地發(fā)揮水庫的綜合效益。

      關(guān)鍵詞:智慧無人船;水文泥沙監(jiān)測(cè);克里金插值;水面高程;淤泥厚度;丹江口水庫;漢江

      中圖法分類號(hào):TV149

      文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

      DOI:10. 15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.003

      1 研究背景

      丹江口水利樞紐是漢江開發(fā)的第一個(gè)控制性大型骨干工程,位于湖北省丹江口市。該工程距碾盤山240 km,距河口652 km,控制流域面積95 217km2(約占漢江全流域的60%[1-2],具有防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用效益,是漢江開發(fā)治理的關(guān)鍵工程,同時(shí)也是南水北調(diào)中線工程的水源工程[3]。樞紐于1958年開工建設(shè),初期工程于1973年建成。2005年9月,丹江口大壩加高工程開工建設(shè),2013年5月加高工程主體工程完工,同年8月通過國(guó)務(wù)院南水北調(diào)辦公室組織的蓄水驗(yàn)收。

      近年來,由于上游來沙和水庫泥沙淤積沉淀,丹江口水庫底部泥沙狀況發(fā)生了較大變化,直接影響了水庫庫容,甚至?xí)绊懰畮焖|(zhì)和綜合利用效益。因此,對(duì)丹江口水庫開展水文泥沙監(jiān)測(cè)很有必要。

      水庫水文泥沙精細(xì)化監(jiān)測(cè)主要通過對(duì)水庫底部淤泥探測(cè)和分析實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水庫底部淤泥探測(cè)的方法主要有人工潛水探摸和鉆探取樣、雙頻測(cè)深儀探測(cè)、Silas淤泥探測(cè)法等[4]。人工潛水探摸和鉆探取樣屬于點(diǎn)探測(cè)式,效率低且工作量大。Silas淤泥探測(cè)法成本高,且探測(cè)淤泥厚度有限。雖然國(guó)內(nèi)有學(xué)者研究雙頻測(cè)深儀探測(cè)方法,但基于無人船平臺(tái)的雙頻測(cè)深儀探測(cè)法尚未在水庫深水區(qū)域內(nèi)開展應(yīng)用。針對(duì)這一情況,本文提出基于智慧無人船平臺(tái)的雙頻回聲儀淤泥探測(cè)法,并在丹江口水庫中應(yīng)用,效果良好,可為今后大型水庫水文泥沙監(jiān)測(cè)提供參考。

      2 智慧無人船系統(tǒng)組成

      本文試驗(yàn)采用的智慧無人船長(zhǎng)1.5 m,寬0.7 m。結(jié)構(gòu)主要包含岸基控制系統(tǒng)和勘測(cè)船體兩個(gè)部分。岸基控制系統(tǒng)包含筆記本電腦、遠(yuǎn)程控制軟件、通訊單元等;勘測(cè)船體包括無人船主體、無線傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、推進(jìn)排水系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和電源系統(tǒng)[5]。船體安裝了千尋差分定位系統(tǒng)及雙頻回聲儀測(cè)深系統(tǒng)。千尋差分定位系統(tǒng)能實(shí)時(shí)獲取測(cè)點(diǎn)三維信息,具有定位精度高、定位速度快、全國(guó)覆蓋、全天候服務(wù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[6]。而雙頻回聲儀可同時(shí)發(fā)射208 kHz和24 kHz兩個(gè)頻段的超聲波信號(hào),獲取淤泥頂部和底部的深度數(shù)據(jù),二者同步采集數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)水文泥沙的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

      3 工作原理與工作流程

      3.1 測(cè)深工作原理

      水深測(cè)量系統(tǒng)由負(fù)責(zé)聲波發(fā)射與接收的換能器和負(fù)責(zé)聲波信號(hào)處理的微電腦組成。換能器集成于無人船船底,垂直向下發(fā)射一束聲波,聲波在水底發(fā)生反射折回,并由測(cè)深儀換能器接收,根據(jù)聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差△t以及聲波在水中的傳播速度V,微電腦自動(dòng)計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的水深D[7]。

      D =(Vx △t)/2

      (1)

      3.2 淤泥厚度計(jì)算方法

      HY1602回聲儀裝置同時(shí)使用208 kHz和24 kHz兩個(gè)工作頻率。其中,由于波長(zhǎng)長(zhǎng)、穿透力強(qiáng),低頻能夠到達(dá)河床底部;高頻的穿透能力較弱,只能到達(dá)淤泥頂部。利用兩者高程差,計(jì)算淤泥厚度[8]:

      H淤泥頂高=H水面高程一H高頻

      (2)

      H淤泥底高=H水面高程一低頻

      (3)

      H淤泥厚度=H淤泥頂高一H淤泥底高

      (4)

      3.3 工作流程

      水文泥沙監(jiān)測(cè)工作流程見圖1。

      (1)測(cè)量準(zhǔn)備。主要包括設(shè)備安裝與調(diào)試以及測(cè)區(qū)信息錄入。在施測(cè)前,需對(duì)千尋差分定位系統(tǒng)和測(cè)深儀的精度及穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,并做好比測(cè)記錄。無人船的控制系統(tǒng)也需要進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)區(qū)信息錄入包括預(yù)制計(jì)劃線,根據(jù)比例尺設(shè)置偏航距和測(cè)點(diǎn)間距等。

      (2)聲速測(cè)定與測(cè)點(diǎn)三維信息采集。2014年12月南水北調(diào)中線工程正式通水后,水庫正常蓄水位從157 m提高至170 m,最深處水深超過80 m,水體出現(xiàn)溫躍層,在夏季表現(xiàn)尤為明顯。溫躍層的出現(xiàn)使聲速沿水深呈現(xiàn)較大變化,必須用專用的聲速剖面儀來精確測(cè)定水下聲速,進(jìn)而得到精準(zhǔn)的水深值,然后采用后處理軟件完成聲速改正。在測(cè)量過程中,量取的表層水溫為25.8℃,聲速設(shè)定為1 494 m/s。聲速剖面測(cè)量則是在航標(biāo)船上采用HY1203聲速剖面儀施測(cè),每0.5 m水深記錄一次聲速值,記錄如圖2所示。

      所有參數(shù)設(shè)置完畢并上傳信息成功后,無人船遙控器撥到手動(dòng)模式,控制測(cè)船偏航距,開啟數(shù)據(jù)采集模塊,采集測(cè)點(diǎn)的三維信息。

      (3)數(shù)據(jù)預(yù)處理。包括聲速改正計(jì)算和水面高提取。結(jié)合聲速剖面數(shù)據(jù),聲速改正在長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局漢江水文水資源勘測(cè)局研發(fā)的河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺(tái)下完成。采用GNSS三維水深測(cè)量方式,水面高程提取在河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)。測(cè)前需輸入測(cè)區(qū)七參數(shù),并精確量取GNSS接收機(jī)天線高,測(cè)量過程中保持測(cè)船平穩(wěn)。

      (4)河底高程計(jì)算。包括淤泥頂部高程計(jì)算和淤泥底部高程計(jì)算。計(jì)算方法見式(2)和式(3),其中H水面高程通過GNSS三維水深測(cè)量獲得。河底高程計(jì)算在河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺(tái)下完成。

      (5)柵格數(shù)據(jù)生成。提取離散的淤泥頂部高程和淤泥底部高程。分別通過克里金插值計(jì)算得到生成高頻和低頻格網(wǎng)的柵格數(shù)據(jù),

      (6)淤泥厚度計(jì)算與表達(dá)。利用地圖代數(shù)方法,求取淤泥頂部和淤泥底部的差值,從而獲得淤泥厚度,在ArcGIS平臺(tái)下輸出淤泥厚度圖。

      4 試驗(yàn)與結(jié)果

      本文選擇在丹江口水利樞紐附近試驗(yàn)。測(cè)區(qū)為400 mx400m的正方形水域,水深40 - 55 m,共布設(shè)測(cè)線20條。平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954年北京坐標(biāo)系,高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。采用的儀器設(shè)備包括:智慧無人船1艘,HY1602雙頻回聲儀1臺(tái),HY1203聲速剖面儀1臺(tái),GNSS接收機(jī)1臺(tái),筆記本電腦1臺(tái);軟件包括Hypack Max導(dǎo)航軟件,ArcGIS軟件以及河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件等。數(shù)據(jù)采集接收后,在河道勘測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中完成聲速改正,計(jì)算出河底高程,在ArcGIS平臺(tái)下完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

      在實(shí)際生產(chǎn)中,有準(zhǔn)確數(shù)值的采樣點(diǎn)數(shù)量有限,不能滿足泥沙精細(xì)化監(jiān)測(cè)的需要,需要獲取大量的未采樣點(diǎn)的信息,只能采取插值的方式獲取。常用的插值方法主要有:反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法、克里金法等。本文采用克里金法插值,插值得到的低頻面和高頻面柵格數(shù)據(jù)如圖3所示。

      為檢驗(yàn)插值精度,預(yù)留40個(gè)樣本點(diǎn)不參與柵格文件構(gòu)建。柵格文件構(gòu)建完成后,在ArcGIS平臺(tái)下完成精度檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果滿足SL 257-2017水道觀測(cè)規(guī)范[8]要求。檢測(cè)結(jié)果見表1。

      完成精度檢測(cè)后,在ArcGIS平臺(tái)下使用低頻面和高頻面的數(shù)據(jù),通過地圖代數(shù)運(yùn)算,計(jì)算淤泥厚度并成圖,得到的結(jié)果如圖4所示。使用4級(jí)分級(jí)圖顯示,藍(lán)色區(qū)域淤泥厚度最薄,綠色區(qū)域淤泥最厚。從圖4可知,兩側(cè)的淤泥厚度較薄,而中央的淤泥厚度則相對(duì)較厚。

      低頻面、高頻面以及淤泥厚度面的統(tǒng)計(jì)值見表2。從表2可知:低頻面可以近似指代淤泥底部,均值為95.63 m;高頻面可以近似指代淤泥頂部,均值為95.19 m。淤泥平均厚度0.44 m,分布較為均勻。

      5 結(jié)語

      使用智慧無人船進(jìn)行河底淤泥厚度探測(cè),可以一站式獲取水庫底部淤泥信息。同時(shí)無人船使用的蓄電池屬于清潔燃料,節(jié)能環(huán)保,不會(huì)污染水質(zhì),代表了水文泥沙監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

      目前本文方法僅在丹江口水利樞紐附近進(jìn)行了測(cè)試,尚未進(jìn)行大規(guī)模河底淤泥厚度測(cè)量,因此還缺乏更多實(shí)驗(yàn)樣例。在下一步的研究中,將會(huì)在丹江口水利樞紐工程附近進(jìn)行多測(cè)次試驗(yàn),進(jìn)一步改進(jìn)該方法的相關(guān)技術(shù),切實(shí)為水文泥沙監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。

      參考文獻(xiàn):

      [1]楊光,郭生練,李立平,等.考慮未來徑流變化的丹江口水庫多目標(biāo)調(diào)度規(guī)則研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2015(12): 54-63.

      [2] 褚應(yīng)丹,丹江口水利樞紐綜合效益巨大[J].中國(guó)三峽,2018(6):64-73.

      [3]穆青青,何曉東,丁洪亮,等.2017年丹江口水庫精細(xì)化調(diào)度實(shí)踐與探討[J].人民長(zhǎng)江,2018,50(3):41-46.

      [4] 張惟河,梁思明,楊仁輝.側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀在表層淤泥探測(cè)中的應(yīng)用[J]港口工程,2014(10):86-91.

      [5]譚凱婷.梁昭陽.無人船測(cè)量系統(tǒng)在水庫地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè),2018(1):132-135.

      [6] 江木春,王柱,洪劍.千尋位置在江烏航道測(cè)量中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2019(7):191-195.

      [7]王智明,張文峰,白艷超.無人船在水庫庫容監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè),2019(2):126-128.

      [8]

      SL 257-2017水道觀測(cè)規(guī)范[S].

      (編輯:唐湘茜)

      作者簡(jiǎn)介:李振鵬,男,工程師,主要從事河道勘測(cè)和航道監(jiān)測(cè)工作。E-mail: yilianchouzi4251@ 163.com

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