多波束测深系统在大浪淀水库库容测量中的应用

马 丁

（河北省水文水资源勘测局，河北 石家庄 050031）

多波束测深系统在大浪淀水库库容测量中的应用

马 丁

（河北省水文水资源勘测局，河北 石家庄 050031）

多波束测深系统可对水下地形进行全覆盖扫描测量，精确测得水下地形地貌，可应用于库容计算、冲淤分析、河道勘测等方面。结合 HydroBat 多波束测深系统在大浪淀水库库容测量的实例，介绍多波束系统在水库库容测量中的应用，进一步说明多波束测量技术的高精度、全覆盖、高分辨率和高效率的特点。

多波束测深系统；大浪淀水库；库容测量

0 引言

多波束测深系统诞生于 20 世纪 70 年代，随着电子、计算机技术，特别是高精度 GPS 定位技术的完善，多波束技术也得到了迅速发展。我国从 20 世纪 90 年代开始陆续从国外引进多波束测深系统，并广泛应用于海道、海洋工程、海洋分界、海洋资源、水下考古的测量等领域，在经济建设中发挥着越来越重要的作用。近些年，随着水文事业的快速发展，多波束测深系统以其可对水下地形进行全覆盖扫描测量，精确测得水下地形地貌的特点，开始在库容计算、冲淤分析、河道勘测等方面得到越来越多的使用[1]。

河北省内水库的水位库容曲线多年未修订，加之境内河流汛期含沙量高，导致水库的淤积情况严重，老的水位库容曲线已不能满足现今的防汛兴利需求。利用传统方式测量水位库容曲线，测量任务大、精度低，且耗费大量人力、物力，已经不能满足当今测量高效率、高精度、低成本的要求。多波束测深系统具有的操作智能、集成度高、高精度等优点可以很好地解决这些问题。

大浪淀水库是沧州市重要的水源地，每年通过河北省“引黄入冀”调水工程补充水量，随着水量的补充，也夹杂着大量泥沙进入水库，造成水库的淤积。为更好地摸清大浪淀水库水下地形及淤积情况，为水库运行提供水下三维立体图、地形图等基础数据，2013 年 9 月，河北省水文水资源勘测局组织技术人员利用 HydroBat 多波束测深系统对大浪淀水库进行地形测量。本文结合 HydroBat 多波束测深系统在大浪淀水库库容测量的实例介绍多波束测深系统在水库库容测量中的应用。

1 多波束测深系统的原理

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向水底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征[2-3]。

2 多波束测深系统的组成

HydroBat 系统基本由以下 3 个部分组成：1）主系统，主要包括换能器阵列、收发器和集成PDS2000 的处理器主机的处理单元等；2）辅助系统，包括高精度的 SMC108 姿态仪、SVP70 声速仪及 Timble SPS461 定位定向仪；3）后处理系统，包括数据处理计算机、数据存贮设备和绘图仪等，水上、水下部分具体组成如图1 所示。

图1 Hydrobat 系统组成

主要部分的技术指标如下：

1）换能传感器。频率为 160 kHz；测深范围为1～200 m；波束开角为 120°（3.4 倍水深）；波束数112 个；频率 ＞ 20 Hz；含姿态改正，具有自动测量功能；质量为 19 kg（含 10 m 线缆）。

2）定位定向仪。采用码差分 GPS 定位，水平精度 ± 0.25 ×（1 + 10-6）m （均方根值）；垂直精度为± 0.50 × (1 + 10-6) m（均方根值）；定向精度为 2 m分离天线，0.09°（均方根值），10 m 分离天线，0.05°（均方根值）。

3）姿态仪。静态横滚俯仰精度为 0.02°；动态横滚俯仰精度为 0.03°；横滚俯仰分辨率为 0.001°；浪涌精度为 5 cm 或 5%。

4）声速仪。精度为 ±0.05 m/s (0～50 m)；量程为 1 350～1 800 m/s；分辨率为 0.01 m/s；RS-232/422 接口；输出频率为 20 Hz（最大）。

3 多波束测深系统在大浪淀水库库容计算中的应用

利用 HydroBat 多波束测深系统对大浪淀水库进行整体测量后，编制完成了 1∶5 000 大浪淀水库地形图，3D 动态演示图、水库库容曲线、面积曲线及特征表，纵横断面及图形等成果。

3.1 大浪淀水库基本情况

大浪淀水库为河北省第 1 座平原水库，属大 Ⅱ型水库，建成于 1997 年，设计库容 1.003 亿m3，库区围堤长度 16.8 km，堤顶设计高程 14.0 m。

测区内地物较复杂，主要由堤防、闸门、沟渠、道路等组成，经与原水库设计图查勘，水下部分较为平坦，最大水深不超过 7 m，地物主要由大浪淀排水渠、取土沟及部分原有坑塘构成。工程实施在 10 月份，气温 15℃ 左右，昼夜温差较大，多以西南风为主，风力 3～4 级，波浪起伏不大，测量条件优越。

3.2 多波束测深系统的应用

3.2.1 控制网建立

首先在测区内沿大坝外沿布设由 15 个点组成的控制网；再以国家三等水准点 LS153（1956 年黄海高程）为高程起算点，采用三等水准测量进行高程引测；同时在库区不同位置分别设立 4 根水尺，用于控制每天的水位变化，以便对多波束系统水深数据进行归一化。

整个库容测量包括岸上及水下测量。水下部分测量采用 RTK（实时动态差分法），为提高 RTK 测量精度，从建立的控制网中，选取能包围测区的 7 个点，建立 7 参数投影转换模型。

HydroBat 系统所配的定位设备采用的是单点及 SBAS（广域增加信号）差分的方式定位，定位精度较差。故测量中采用同样为 Timble 主板（因HydroBat 多波束测深系统原定位使用的主板为Timble 主板）的 GPS 替代原有定位方式进行水深测量平面定位，GPS 的定位精度及稳定通过现场与已知控制点检校比对，定位精度由原来的亚米级提高至厘米级，远高于规范要求。测船行驶航向依然采用原系统所配定位设备。

岸上部分测量采用 RTK 进行定位及碎部采集，因不是本文主要内容在此不赘述。

3.2.2 水下地形外业测量

水下部分采用横断面控制方法，按南北方向布设横断面和航线，航线间隔在地形平缓处约 50 m，地形变化较大时，加密到 20 m，符合规范要求。同时按规范要求数目，布设水深检查线供水深数据检查，测量结果显示主测线与检查线相交处水深吻合，符合规范要求。

利用 HydroBat 系统，可将实时同步采集测点点号、平面坐标、水深值等原始数据，自动以文本文件格式保存到计算机，测量完毕后将采集的原始数据存盘并进行内业处理。

3.2.3 内业处理及成图

将测量原始数据经水位、声速、测船吃水深、波浪等系列参数技术改正，将岸上部分地形数据以ASCII 码的形式导入后，利用 HydroBat 系统配套的PDS2000 软件可分别绘制生成二维（如图2 所示）、三维地形图（如图3 所示）。将数据导出后，可利用ArcGIS 计算不同水位级下的水库库容，画出库容曲线。绘制的新老库容曲线如图4 所示，计算得出的新库容与老库容对照表如表1 所示。

图2 二维地形成果

图3 三维地形图成果（局部）

图4 8 m 水位以下新库容曲线与老库容曲线对比图

表1 三维地形图成果（局部）

3.2.4 应用成果及对比分析

从图2 可以清楚地看出建库时的取土场和原大浪淀排水渠的河道，同时可以看出大浪淀水库主要淤积的位置为入库闸附近。利用多波束测量系统测量后新绘制的库容曲线最高水位 12.471 m 的最大库容为 9 924.9 万m3，与原设计库容相差了 104.2 万m3。从图4 可以看出，水位 7.2 m 以下，新老库容变化较大，7.2 m 以上新老库容变化趋势相同。7.2 m 以上新老库容相关系数计算表如表2 所示, 经计算 7.2 m以上新库容与老库容的相关系数 r = 1.000 065 751，近似为 1，相关关系好，变化趋势基本一致。所以以7.2 m 为节点，新测库容为 1 270 万m3，原测库容1 380 万m3，差值为 110 万m3，此值可认定为淤积量。

老库容曲线计算时挖坑筑坝取土量不易确定，且测量比例尺小、精度低、误差较大（底部呈直线变化），而新库容曲线无论从测量手段、精度都远远高于老库容曲线，成果可信度高，所以新测量的水位库容曲线可以使用[4]。

4 结语

随着多波束技术的发展，浅水多波束测深系统在内湖、河道和水库测量工程项目中的应用会越来越广泛。目前的实践主要是多波束测深系统在水下地形上的应用，而多波束测深系统除了获得高分辨率的水下地形数据外，还可以利用获得的地形数据，对水库进行淤积分析，推算库容曲线，以及进行大坝除险加固等方面工作。这些应用在我国还有深入研究的空间，随着多波束技术更广泛的发展和应用，在水利工程测量中所占的地位会越来越明显。

[1] 李家彪.多波束勘测原理技术与方法[M].北京：海洋出版社，1999: 6-9.

[2] 吴永亭，陈义兰.多波束系统及其在海洋工程勘察中的应用[J].海洋测绘，2002, 22 (3): 26-28.

[3] 王闰成，卫国兵.多波束探测技术的应用[J].海洋测绘，2003, 23 (5): 20-23.

[4] 马丁，赵银岐，王凤瑞，等.大浪淀水库地形图测量技术报告[R].石家庄：河北省水文水资源勘测局，2013: 14-20.

Application of Multi-beam Sounding System in Dalangdian Reservoir Capacity Measurement

MA Ding

(Bureau of Hebei Hydrology and Water Resources Survey, Shijiazhuang 050031, China)

Multi-beam sounding system can scan and measure the full coverage of the underwater terrain and accurately measure underwater topography.It can be applied to reservoir capacity calculation, analysis of siltation and river survey etc.This paper introduces the application of multi-beam system in measurement of reservoir capacity with the example of Dalangdian reservoir capacity calculation which uses HydroBat multi-beam sounding system.It further explains the characteristics of multi-beam measuring technology of high precision, wide coverage, high resolution and high efficiency.

multi-beam survey system; Dalangdian reservoir; reservoir capacity measurement

P335.1

A

1674-9405(2014)05-0042-04

2014-05-14

马 丁（1988－），男，河北石家庄人，本科，从事水文测验及仪器管理方面的工作。