GNSS测深仪在河道清淤测量中的应用

刘风学 刘宝贵 郭金星 吴潇 张佳

GNSS测深仪在河道清淤测量中的应用

刘风学 刘宝贵 郭金星 吴潇 张佳

（黄河水利委员会济南勘测局 山东济南 250108）

本文根据实际工程的应用情况，阐述水下地形测量与淤泥测量的过程及淤泥量的计算方法，通过此次淤泥测量的方法和计算，阐明工作过程和注意事项，针对相同的项目在测量方法的选择上提出自己的建议。

淤泥测量 生态清淤

1 引言

温瑞塘河位于瓯江以南、飞云江以北的温瑞平原，是温州市境内十分重要的河道水系。长期以来，温瑞塘河担负着防洪、排涝、供水、航运、灌溉等综合功能，被喻为温瑞平原的“母亲河”。近年来，由于塘河沿岸工业发展、人口增加，导致排入塘河的污染物日趋增加，引起河水黑臭，河岸脏乱现象给人们的生活、生产带来很大影响。

依据2005年《浙江省水功能区、水环境功能区划分方案》，温瑞塘河瑞安段水域为一般工业用水区、农业用水区和一般景观要求水域，水环境功能区划为Ⅳ类，执行《地表水环境质量》（GB3838-2002）中的Ⅳ类标准。由于塘河沿岸近年各种污染物恣意排放入河，塘河水质已经受到严重污染，大部分河道不能满足水体功能区划的水质要求。

2001年瑞安市开展了一次规模宏大的河道清淤工作，短期内有效解决了河道底泥淤积的现象。但是，由于缺乏长效管理机制，加之近5年来，瑞安市工业发展，人口膨胀带来的工业和生活废水、固体废物的增加，使得排入塘河的污水和固体废物量进一步增加，河道淤积现象有增无减。

针对塘河的实际情况，对塘河应进行环保疏浚工作，这给水下地形与淤泥测量和计算工作提出了新的要求，认真研究和探讨水下淤泥测量和计算有利于为环保疏浚工作提供更准确的第一手资料。

2 水下地形测量与淤泥测量17

2.1水下地形测量

对于疏浚工程而言，水下地形测量就是测量淤泥表面高程，淤泥上表面高程测量与普通水下地形测量相同。以RTK定位模式为例，水下地形测量包括以下几个部分：

2.1.1 水下地形测量仪器

用于水下地形测量的仪器应包括：一套1+2配置的RTK型GNSS接收机、一套数字测深仪、一台计算机和一套水上导航测量软件。常用辅助仪器、测具包括：水温计、测深杆、钢卷尺、水深—声速校正器等。

2.1.2 基准站的控制点

用于架设GNSS基准站的控制点，平面等级一般为D级；地面不易沉降的地区，基点埋设较稳固的，可放宽到E级。高程为三等水准点，测定或校测时间不超过三年。校测点平面一般为E级；高程为四等，应为当年测定或校测的水准点。甲方在测区控制范围内提供了5个地方坐标系高等级控制点。

2.1.3 坐标值参数求解

用测区内已知控制点的WGS84坐标与测区的测量坐标系解算出两个坐标系统转换关系。转换关系的正确性将直接影响定位精度，因此，已知点最好布设在测区四周和中心，甲方提供的控制点能有效控制测区，如果已知点在测区一侧，应计算与满足精度控制的范围。

2.1.4 测深原理

用竖直波束回声仪进行水深测量是目前水深数据采集的主要手段，它安装在测量船底的发射换能器垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底后产生回波，回波被接收换能器所接收，发射声波与接收回波的时间为t，则换能器表面至水底的距离(水深)为：H = 1／2·ct

2.1.5 换能器安装要求

（1）测深仪换能器应尽量远离发动机和螺旋桨，安装在距船头1/3～1/2船长处，静态吃水深度以0.3～0.5m为宜，以避免和减小测船航行产生的气泡干扰；

（2）换能器可固定在测船底部或船舷一侧，尖头逆向流向；

（3）尽可能保持换能器安装杆处于垂直、稳定状态，防止出现松动、摇晃和倾斜、俯仰现象；

（4）水面平静时，换能器可尽量减小吃水，以最大限度地发挥测深仪作用。但换能器吃水不得过小，尤其在风浪较大时要适当加大吃水，以免产生气泡影响测深的准确性；

（5）GNSS天线中心应与换能器中心设置在同一条铅垂线上。

2.1.6 连接杆的安装

安装GNSS天线和测深仪换能器的连接杆，应固定长度并标有距离刻度，以换能器底端为0.00m。

2.1.7 天线高的计算

天线高可以用钢卷尺由天线底部量至水面，或根据连接杆顶端和水面的读数相减，然后按式

（1）计算：

式中：

L——天线高（m）；

h——天线底部至水面的垂直距离（m）；

p——天线底部至相位中心的距离常数（m）。

2.1.8 换能器静态吃水

应用钢卷尺由水面量至换能器底部，或直接在安装杆上读取。

2.1.9 天线高和吃水的关系

任何情况下，天线高加吃水应等于天线相位中心至换能器底部的距离。如天线高量测不准，则会影响水面高程；吃水量测不准，则会影响水深数值，但最终不会影响最后计算的河底高程。天线高和吃水的关系，可用式（2）表示：

式中：

R—天线相位中心至换能器底部的距离（m）；

d—换能器吃水，即水面至换能器底部的垂直距离（m）。

2.1.10 水位测量

当水面为静态时，勿需布设水位站，左、右两岸水位可用GNSS RTK、全站仪或光学水准仪测得水面高程即可；本次项目我们用以下两种方法进行：第一种方法是用GNSS RTK放样图根点，用全站仪进行测量，与水下断面线相衔接。第二种方法是用GPS RTK直接采取水位，与水下断面线相衔接。一般河道直线段50米左右取一水位点，当岸边变化较大时适当加密，可以详细绘制水边线。

2.1.11 水下地形测量的具体实施

此次测量在确定水下地形测图规格后，应用水深测量的专用软件，先确定了水下地形图的范围与比例尺，在甲方提供的塘河河道总图上按20m间隔设定横断面，摘录左、右岸端点坐标。设定测量断面线后，将断面数据灌入测量手簿，根据放样断面线把测量船导航至断面位置，再按指定的时间（或者间距）进行测点的定位与测深，并实时修正测量船的航向。

（1）GNSS流动站接收机作业的有效卫星数应≥5颗，PDOP值应≤6，卫星截止高度角≥13°。

（2）设置好仪器及坐标系统转换参数之后，应对测量的数据进行校核，在校核无误后方可进行测量。用于测深定位的流动站的测量模式、基准参数、转换参数等应与基准站相一致，并应采用固定解模式测量。

（3）测深仪测深过程中，测船航速宜控制在10km/h以内，且应尽量保持稳定；测船进入浅水水域和接近岸边时，航速宜控制在2km/h以内。

（4）换能器露出水面时，禁止启动仪器，否则可能对换能器造成损坏。

（5）水下地形测量，应根据天气、风浪、潮汐等情况，合理安排时间，作业中，如遇大风大浪、船只摇摆幅度过大，造成换能器安装杆倾斜超过3°时，应暂停测深作业。

2.2水下淤泥测量

水下测量不仅局限在水下地形测量还包括淤泥测量，而淤泥深度的测量正是水下测量的一个难题。现在淤泥深度的测量方法很多，但各有其优缺点，所以在不同的情况下必须选择不同的测量方法。

这次工作我们采用静力触探法，使用专用测杆进行，其原理是通过单点测定淤泥层对测杆的比贯入阻力来计算淤泥的承载力，从而确定淤泥厚度；简单的做法是采用测杆两次读数来确定淤泥的厚度，及当测杆触及淤泥表面的时候读取一个深度，用力将测杆往下，当达到一定阻力，测量人员判断测杆已经触及淤泥的下表面时再读取一个深度，两个深度之差即为我们所需要的淤泥厚度值。使用此种方法测量时，测杆的形状、大小，测杆所承受的力的大小，直接影响到测量的精度，同时静力触探／测杆法无法测定淤泥的绝对密度，也无法查明浮泥和流泥的分布。

3 水下淤泥土方计算

水下淤泥厚度的测量最终目的是为了计算水下所淤积的土方量，为工程设计规划或工程施工提供依据，所以必然要涉及到淤泥量的计算。

外业所采集的数据必须经过后处理形成规范的数据文件才能用于土方计算，一旦规范的数据文件形成后，淤泥量的计算与普通的土方计算并无多大区别。数据文件所应该包含的信息就是X、Y、Z，而X、Y两个数据不难理解就是采样点的平面坐标，Z数据可以是淤泥的厚度也可以是淤泥上表面或下表面的高程，通常在淤泥方量计算中我们取Z为淤泥厚度，通过软件就可以计算出淤泥量来。

对于手工测量来说制作数据的工作量相对大些，如果由仪器测量，现在都有相配套的数据后处理软件，可以根据用户的要求生成包含不同要素的数据文件供不同用途的人使用，这样不仅工作量相对小，而且效率要高很多倍。对于淤泥量计算来说只要设置好参数就可以一步到位的计算出来。所以淤泥测量主要是方法的选择，也就是外业测量的方式决定了整个测量的效率和可靠性，而数据处理和土方计算相对简单。

为改善温瑞塘河水质状况，做好主塘河生态清淤工程设计工作，对该水域进行1:1000水下地形测量、河底淤泥深度测量。考虑各方面因素，先进行水下地形测量，再选择静力触探法，按100m间距采集淤泥的深度，并同时记录探测点平面位置和河底高程，确保所测淤泥点具有平面、水深、淤泥三维一体性。用静力触探法采集的数据作为初步设计应用，清淤后，二次进行了水下地形测量，两次测量计算差值即为淤泥的清淤量。

4 结论与建议

根据上述测量方法的讨论及几年来从事水下地形及淤泥深度测量的经验得出如下结论与建议：

（1）根据目前测量领域现状，笔者认为对于水下地形测量，测深仪+GNSS（RTK、RTD、COR等模式）是最佳选择，不仅效率高、劳动强度低，而且节省资金。

（2）淤泥深度测量，可视情况选择测量方法，对于小区域或对精度要求不高的项目可使用手工测量方法；对于大面积或对淤泥量精度要求比较高的项目最佳的选择是双频超声波测量法。

（3）因为水下测量不确定因素很多，建议在实际工程项目中采用下列方法实施：

①对于规划设计阶段可选择适当的方法对淤泥量进行估算，估算结果仅作为规划设计阶段的依据。

②项目具体实施前可用测深仪器+GPS定位精确测量出水下淤泥表面的高程，测量结果经相关各方签字确认，等施工结束后再使用同样的方法测量施工后的水下地形。两次测量分别生成两个不同的曲面，两曲面间所围成的空间即为所清除淤泥的精确工程量。因为现在电脑运用广泛，各种专业土方计算软件很多，而且简单易学，很容易推广。

③建议有条件的项目，在测区内将水排干的情况下使用免棱镜的全站仪器对淤泥表面的高程进行测量，等施工结束后再使用同样的方法对淤泥底部的高程进行测量，这样才能准确的计算出水下的淤泥量。

1. 王毅.水下地形与淤泥厚度测量[ J] . 测绘与空间地理信息, 2006, 29( 3) : 10-13.

2. 蒋志文，丁若冰，孙雪琦.GPS在水库淤积测量中的应用 [ J] .水利建设与管理, 2010, (6): 47-49.

3. 张留柱，张民琪.GPS在水库河道测绘系统中的应用[ J] . 人民黄河, 1997, （7) : 52-55.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.03.017

TV221.1

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1672-2469（2014）03-0048-03

17作者简介：刘凤学（1967年—），男，高级工程师。