长江中下游崩岸监测技术应用研究

　　　　

(1.长江水利委员会水文局, 湖北 武汉　430012；2.长江水利委员会水文局 荆江水文水资源勘测局，湖北 荆州　434000)

1　概　述

水体崩岸是河床演变过程中水流对堤岸冲刷、侵蚀发生、发展积累产生的突发事件，也是冲积河流河道演变主要表现形式之一。受水沙条件、河势调整及人类活动等因素影响，河道沿岸的险工险段崩塌现象时有发生。三峡工程蓄水以来，清水下泄，长江中下游河段受到持续冲刷，崩岸险情时有发生，严重影响长江堤防安全，对长江沿江经济建设带来不利影响[1]。为及时掌握长江崩岸险情的变化情况，发现或预报潜在崩岸险情，必须宏观掌握长江崩岸险情的发展动态，收集的崩岸地形数据需具有全面性、系统性和连续性，同时做到对正在发生或即将发生的崩岸险情段的快速监测，第一时间收集险情数据，迅速掌握崩岸发展近况，并通过河道演变分析及数学模型计算，提出最佳方案，及时采取工程措施，遏制或减缓险情的发展，有效保护沿江人民生命和财产的安全[2]。

2　崩岸监测内容

崩岸地形监测主要内容一般包括崩岸巡查(根据实际情况可采取定期和不定期两种形式)、大比例尺半江地形测量(一般要求测过河道主泓线)、水文测验(包括近岸水位、水温、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应急巡查两种。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，汛期安排不少于两次。应急巡查为遇特殊情况下(如遭遇大洪水、大暴雨、河道水位骤变、险工险段突发重大崩岸险情等)进行的全面、专门或连续性的巡查，巡查测次主要根据水情变化持续时间或崩岸发生程度而定。大比例尺地形监测一般采用1∶200～1∶2 000测图比例尺，对重点监测的险工险段、已发重大崩岸险情段及预警段进行多测次、连续性的半江地形测绘，快速获得相应地形图资料[3]。通过对近期多测次、年内及年际地形图资料变化分析，初步判定险工险段的稳定性和安全性，为下一步护岸整治、水体综合治理提供基础资料。险工险段除近岸河床地形测量外，还需要对水流动力、河床边界条件等项目进行监测，以便分析崩岸进一步发生的可能性和崩岸发生的内在机理。监测主要包括水位、流速、表面流速流向、悬移质含沙量、悬移质颗粒级配、河底床沙、崩岸岸线物质成分分析等内容。

3　崩岸监测技术

3.1　崩岸巡查

一般采用快艇、越野车作为水、陆交通工具，通过技术人员现场实地巡视检查，目测了解河道主流线、水流顶冲点、漩涡等变化情况；查看了解迎水坡护面或护坡是否有裂缝、剥落、滑动、隆起、松动、塌坑、冲刷等现象；查看背水坡及堤内脚是否有散渗、渗水坑、管涌等现象。对已经发生的崩岸段进行拍照、摄影，并采用激光测距仪、钢卷尺等量测崩岸纵横方向的长度和宽度，初步判断崩岸进一步发生的可能性，查找出潜在的崩岸险情段，以避免重大崩岸险情进一步恶化。

每次巡查应详细填写现场检查表，及时整理现场记录，并与照片、影像等其他辅助资料一一对应。巡查完毕后，应与前一次或历次检查结果进行对比分析，若发现异常情况，需立即提交巡查简报。巡查人员应具备相关专业知识，且应相对固定，以便准确了解和掌握异常情况。

3.2　大比例尺险工段地形测绘

3.2.1陆上地形测绘

传统险工段陆上地形测量方法，一般包括方向交会法、距离交会法、经纬仪测绘法、平板仪测图法、经纬仪配合小平板仪测图等。目前陆上地形测量一般采用全站仪电子平板、草图编码法(GNSS RTK或全站仪极坐标法采集数据)等测图方法。

(1)全站仪电子平板测图。全站仪电子平板测图系统包括全站仪、计算机及配套的数据采集编辑软件。现场测图时，在测站上通过全站仪观测地物点，并通过终端连接线将测量数据实时传送给计算机，计算机屏幕实时显示点位和图形，测量人员可对其进行现场编辑和绘制。该系统内置了测图规范中定义的图式符号，生产人员也可自行定义，既提高了成图速度，又提高了测图的准确性和真实性。相较于其他测图技术，电子平板技术的优势在于现场测图、现场成图，能更准确地把握地形地貌，在很大程度上减少了地物错绘漏绘。

(2)草图编码法。草图编码法是指测量人员在现场通过GNSS RTK等采集测量数据，同时绘制草图或者进行地物编码记录，内业绘图人员导出采集数据后，根据草图或编码信息完成地形图绘制及编辑工作。该技术的主要优点是工作效率高、分组灵活，但由于地形图不是在现场绘制，与传统的现场白纸测图及电子平板技术比较，易于错绘、漏绘地物，因此一般用于地形相对简单、地物较少的情况。

(3)无人机低空摄影测量技术。采用无人机低空摄影测量技术，能获取高分辨率数字影像，以无人驾驶飞机为飞行平台，高分辨率数码相机为传感器，通过3S技术在系统中集成应用，可以快速获取小面积、真彩色、大比例尺、现势性强的航测遥感数据[4]。

由于长江崩岸地形监测一般在局部河段开展，且现势性要求较高，因此无人机低空摄影测量技术相对于卫星遥感和普通航空摄影更具有实用性。另外，无人机具有灵活机动的特点，可获取比卫星遥感和普通航摄更高分辨率的影像，属于近景航空摄影测量，其精度能够满足一般崩岸监测精度要求。总之，无人机低空航摄系统使用成本低、耗费低、机动灵活，尤其适合面积较小的局部河段地形监测任务，相对于全野外数据采集方法成图，该方法将大量的野外工作转入内业，既能减轻劳动强度，又能提高作业的效率，是当前长江崩岸陆上地形监测的一个新的发展方向。

3.2.2数字化水下地形测绘

数字化水下地形测绘技术一般包括单波束和多波束测量技术。单波束测量系统一般包括GNSS平面定位设备、单波束数字测深仪、计算机及配套的数据采集软件；多波束测量系统一般包括GNSS平面定位设备、姿态传感器、多波束测深系统及配套的导航、数据采集、处理软件。单波束测深系统安装方便、技术成熟，广泛应用于当前的水下地形测量、断面测量工作。与单波束测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点，它将测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，适合进行面积较大的大比例尺水下地形测量。

3.2.3EPS全息测绘系统

EPS全息测绘系统是集成多源测图方法及数据库管理、内业编辑、查询统计、打印出图、工程应用于一体的面向GIS的野外数据采集软件。EPS所采集的数据不仅符合国家图式规范的数字成图和专业制图的需求，同时满足GIS对基础地理数据信息化和地理信息的完整性、拓扑性、图属一致性等各项性能要求，满足系统的查询、统计、分析应用的需求。其中数字化测图模块是全息测图系统的核心部分，它作为仪器与计算机结合的媒体，并通过软件实现即测即显，做到野外现场测图、实时展点、实时编辑，及时绘制与属性录入，使每一测点在几何信息、属性信息及点与点的拓扑关系得到准确的测定和描述，从而保障了数字地形图在位置精度、属性精度、逻辑一致性、完整性及现势性等方面的成果质量。

3.2.4船载一体化水边测量技术

传统河道边界水边形状的施测是以点形式进行数据采集，一般以全站仪极坐标法或GNSS RTK方法为施测手段，但由于安全风险等问题，在崩岸河段往往难以获得真实、准确的水边形状。

船载数字雷达和数字近景摄影方式同步使用对河道水边界高精度测绘方法具有显著优势，雷达连续扫测水边界图像数据，后处理进行图像校正、拼接并自动提取水边界数据。近景摄影系统在惯导系统(GNSS+IMU)的支持下，以像方控制的方式在船上安装普通数码相机，获取河岸近景多基线序列影像，并基于数字近景摄影测量、视觉测量理论和数字图像处理等技术，对序列影像进行空间量测化处理，实现水边界的精确提取。其优势体现在：该技术具有严密的理论基础，能获取目标精确的二维和三维空间信息和物理信息；该技术属于非接触式测量技术，能有效克服观测目标难以到达的问题；随着近年来高精度POS系统的普及，有效解决了雷达扫描和摄影测量对控制点依赖问题，大大提升了该技术的灵活性，极大降低了劳动强度；该设备安装在船上，非接触式对水边界扫描和摄影测量，既能有效克服陆地测量植被高密度覆盖造成的视线遮挡问题，又便于实现水下地形测量与水边界测量的一体化。

3.3　水文测验

3.3.1水沙条件变化监测

水沙条件变化监测一般包括来水来沙条件监测、崩岸段半江一级水文断面监测、悬移质泥沙含沙量分布观测、岸坡波浪观测等4个方面内容。

(1)来水来沙条件监测。利用了上游河段水文、水位站监测成果，包括水位涨落率(各水位站)、洪峰过程、沙峰过程及来量等。

(2)半江一级水文断面监测。不同流量下崩岸段近岸水沙条件会发生变化，监测内容主要包括水温、水位、流速分布、水面流速流向、比降、含沙量及床沙、悬移质颗粒级配等。半江一级水文断面同固定断面，横向测至深泓外100 m。水面流速流向半江范围内布设3线。半江一级水文断面监测与地形变化监测同步进行。

(3)悬移质泥沙观测。按选点法测验，取样垂线及测点布置与测速垂线、测点保持一致，计算测点、垂线平均、断面平均含沙量及断面输沙率，以便掌握近岸含沙量的分布及崩岸上下游含沙量特性的变化情况。

(4)波浪观测。在布置的监测断面上观测波高、周期、波向、波型、水面情况等，辅助要素为风速和风向，采用目测或浮球式加速度型测波仪、声学测波仪和重力测波仪等自记测波仪观测。

3.3.2河道边界条件监测

近岸河槽部分的床沙、河岸土壤成份结构、级配、孔隙度及含水量监测，可采用内部形态观测造孔的土柱样品并进行分析。对有抛石护岸的河段，利用浅地层剖面仪、侧扫声呐结合GNSS、综合集成软件等对河床底质及浅地层进行探测。通过浅地层及表层探测，一方面了解护岸及崩岸河床浅地层的地质结构及表面形态，另一方面跟踪护岸护底及近岸抛石受水流影响的后续分布情况。

4　地形测量成果简要分析方法

地形测量成果简要分析方法包括冲刷坑特征值统计分析及特征断面套汇叠加分析等方法。冲刷坑的特征值统计分析是按照观测年份，对冲刷坑最深点高程、纵向相对位置、距标准线距离、与岸线距离、冲刷坑面积及水下坡比等特征参数进行统计，基于冲刷坑特征值的变化进行系统分析和统计；特征断面套汇叠加分析是在崩岸冲刷区典型区段提取断面，套汇叠加，通过分析比较多年来断面的变化形态、趋势，总结岸线、深槽、顶冲点、岸坡比的变化趋势。

以某险工险段崩岸监测为例，在冲刷坑和崩岸段分别取5个断面对护岸监测资料进行分析，对应于护岸段桩号分别为4+474、3+194、3+057、2+967、2+932。该险段水下坡比统计及河床特征值变化统计分别见表1和表2。从表1可以看出该段水下坡比在2002年后有所增大，2004年后呈大幅增大态势，岸坡趋于不稳定，特别是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，岸坡逐渐失稳。崩岸段水下坡比变陡，其水下坡比极值是2+967断面，其次为3+057中断面，第3为4+474断面，第4为2+932断面，最小为3+194起点断面。2002年前后比较各断面水下坡比明显变陡，朝不稳定方向发展，有潜在的崩岸险情。

表1　某险工险段水下坡比统计

从表2冲刷坑特征值的变化来看，近岸河床2008年年内变化特点为汛前淤积，汛期冲刷；冲刷时冲刷坑范围迅速扩大拉长，垂向冲深幅度为5～6 m；2011年年内变化特点为汛前冲刷，汛后淤积，变幅较小。年际变化总体呈冲刷发展状态，表现为先冲刷后淤积再冲刷，冲刷坑最深点高程和面积最大值均出现在2008年汛期，2011年与2008年同期较汛前冲刷坑面积有所增大，相应地最深点高程有所冲深，汛后面积有所减小，相应地最深点高程有所淤高。从总体来看，冲刷坑最深点的相对位置变化不大，最深点高程值变小，冲刷坑面积增大。4+474附近水下坡比大幅度变陡，朝不稳定方向发展。

表2　某险工险段近岸河床特征值变化

综合分析半江断面的年际变化情况(见图1与图2)，由该险工段所取5个断面自上而下的变化可以看出其动态演变过程：处于上部的4+474断面位于弯顶偏下，多年来断面形态不稳定，变化主要表现为右岸的崩退及右槽的右移、冲深，右岸的北门滩逐渐冲刷消失，自1993年以来汛后深槽呈逐年冲深态势，2006年达近期最低值-11 m，累计冲深达26 m，2006～2011年有所淤高，淤积幅度为5.6 m，水下坡比较大并趋于不稳定。处于险工段中上部的崩岸起点断面主要表现为蓄水前岸线的崩退和深槽的右移冲深，蓄水后深槽累积冲深，但岸线相对稳定。处于险工段中、下部的其他3个断面近年来的年际变化规律基本一致，均表现为蓄水前岸线的崩退和深槽的冲刷右移，蓄水后深槽则表现为先冲刷后淤积再冲刷并达近期最低值，深泓紧贴岸边，特别是该崩岸中断面和止点断面的岸坡坡比增大并趋于不稳定。

图1　4+474半江断面年际变化

图2　4+474半江断面年内变化

综上所述，该险工段年际近岸河床表现为2002年前岸线的崩退和深槽的冲刷右移，2002年后深槽总体冲刷下切，2008年出现历年最低值，顶冲点下移，深泓紧贴岸边，特别是崩岸中断面和止点断面的岸坡坡比增大并趋于不稳定[5]。

5　结　语

20世纪90年代以前，险工险段的监测方法以光学仪器和纸质记录为代表的常规观测方法为主。进入21世纪，随着测绘技术和电子技术的飞速发展，主流的崩岸监测技术主要由全站仪、电子水准仪、GNSS、单波束测深系统、多波束测深系统等电子仪器来实现。当前测绘技术逐渐向多元化方向迈进，无人机航空摄影测量、无人船遥测水深等测量技术日趋成熟，在崩岸监测、险工险段监测中都具有很高的实用价值，相信在未来几年将会有更广阔的应用前景。

参考文献：

[1]余文畴，卢金友. 长江河道崩岸与护岸[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

[2]长江水利委员会． 长江中下游护岸工程40 年[C]∥长江中下游护岸工程论文集(4).武汉: 水利部长江水利委员会，1990．

[3]陈祖煜，孙玉生. 长江堤防崩岸机理和工程措施探讨[J].中国水利，2000(2)：28-29.

[4]张惠均． 无人机航测带状地形图的试验及分析[J]．测绘科学，2013，38 (3) : 100-102.

[5]龙慧，彭玉明，彭严波等.2011年荆江河段重点险工冲淤变化分析[R].荆州市：长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，2011年.