智慧无人船在丹江口水库水文泥沙监测中的应用

2020-07-09李振鹏涂进

水利水电快报 2020年5期

关键词：汉江

李振鹏涂进

摘要：丹江口水库上游河流冲刷、泥沙淤积沉淀使水库库容发生了变化，进而影响水库的供水效益和生态效益，有必要对水库泥沙进行监测。提出在无人船平台上，采用双频回声仪配合千寻系统获取高、低频两种水深的水下地形图，然后根据两种水深的水下地形图相减获得淤泥厚度图，完成对水库的水文泥沙监测，并在丹江口水库实地测试。结果表明，该方法具有较高的精度和效率，可为丹江口水库水文泥沙监测提供技术支持，以更好地发挥水库的综合效益。

关键词：智慧无人船;水文泥沙监测;克里金插值;水面高程;淤泥厚度;丹江口水库;汉江

中图法分类号：TV149

文献标志码：A

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

1 研究背景

丹江口水利枢纽是汉江开发的第一个控制性大型骨干工程，位于湖北省丹江口市。该工程距碾盘山240 km，距河口652 km，控制流域面积95 217km2（约占汉江全流域的60%[1-2]，具有防洪、供水、發电、航运等综合利用效益，是汉江开发治理的关键工程，同时也是南水北调中线工程的水源工程[3]。枢纽于1958年开工建设，初期工程于1973年建成。2005年9月，丹江口大坝加高工程开工建设，2013年5月加高工程主体工程完工，同年8月通过国务院南水北调办公室组织的蓄水验收。

近年来，由于上游来沙和水库泥沙淤积沉淀，丹江口水库底部泥沙状况发生了较大变化，直接影响了水库库容，甚至会影响水库水质和综合利用效益。因此，对丹江口水库开展水文泥沙监测很有必要。

水库水文泥沙精细化监测主要通过对水库底部淤泥探测和分析实现。目前国内外对水库底部淤泥探测的方法主要有人工潜水探摸和钻探取样、双频测深仪探测、Silas淤泥探测法等[4]。人工潜水探摸和钻探取样属于点探测式，效率低且工作量大。Silas淤泥探测法成本高，且探测淤泥厚度有限。虽然国内有学者研究双频测深仪探测方法，但基于无人船平台的双频测深仪探测法尚未在水库深水区域内开展应用。针对这一情况，本文提出基于智慧无人船平台的双频回声仪淤泥探测法，并在丹江口水库中应用，效果良好，可为今后大型水库水文泥沙监测提供参考。

2 智慧无人船系统组成

本文试验采用的智慧无人船长1.5 m，宽0.7 m。结构主要包含岸基控制系统和勘测船体两个部分。岸基控制系统包含笔记本电脑、远程控制软件、通讯单元等;勘测船体包括无人船主体、无线传输系统、控制系统、推进排水系统、测量系统和电源系统[5]。船体安装了千寻差分定位系统及双频回声仪测深系统。千寻差分定位系统能实时获取测点三维信息，具有定位精度高、定位速度快、全国覆盖、全天候服务等诸多优点[6]。而双频回声仪可同时发射208 kHz和24 kHz两个频段的超声波信号，获取淤泥顶部和底部的深度数据，二者同步采集数据能实现水文泥沙的实时监测。

3 工作原理与工作流程

3.1 测深工作原理

水深测量系统由负责声波发射与接收的换能器和负责声波信号处理的微电脑组成。换能器集成于无人船船底，垂直向下发射一束声波，声波在水底发生反射折回，并由测深仪换能器接收，根据声波发射和接收的时间差△t以及声波在水中的传播速度V，微电脑自动计算出测点的水深D[7]。

D =（Vx △t）/2

（1）

3.2 淤泥厚度计算方法

HY1602回声仪装置同时使用208 kHz和24 kHz两个工作频率。其中，由于波长长、穿透力强，低频能够到达河床底部;高频的穿透能力较弱，只能到达淤泥顶部。利用两者高程差，计算淤泥厚度[8]：

H淤泥顶高=H水面高程一H高频

（2）

H淤泥底高=H水面高程一低频

（3）

H淤泥厚度=H淤泥顶高一H淤泥底高

（4）

3.3 工作流程

水文泥沙监测工作流程见图1。

（1）测量准备。主要包括设备安装与调试以及测区信息录入。在施测前，需对千寻差分定位系统和测深仪的精度及稳定性进行测试，并做好比测记录。无人船的控制系统也需要进行稳定性测试。测区信息录入包括预制计划线，根据比例尺设置偏航距和测点间距等。

（2）声速测定与测点三维信息采集。2014年12月南水北调中线工程正式通水后，水库正常蓄水位从157 m提高至170 m，最深处水深超过80 m，水体出现温跃层，在夏季表现尤为明显。温跃层的出现使声速沿水深呈现较大变化，必须用专用的声速剖面仪来精确测定水下声速，进而得到精准的水深值，然后采用后处理软件完成声速改正。在测量过程中，量取的表层水温为25.8℃，声速设定为1 494 m/s。声速剖面测量则是在航标船上采用HY1203声速剖面仪施测，每0.5 m水深记录一次声速值，记录如图2所示。

所有参数设置完毕并上传信息成功后，无人船遥控器拨到手动模式，控制测船偏航距，开启数据采集模块，采集测点的三维信息。

（3）数据预处理。包括声速改正计算和水面高提取。结合声速剖面数据，声速改正在长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局研发的河道勘测数据处理系统平台下完成。采用GNSS三维水深测量方式，水面高程提取在河道勘测数据处理系统平台下实现。测前需输入测区七参数，并精确量取GNSS接收机天线高，测量过程中保持测船平稳。

（4）河底高程计算。包括淤泥顶部高程计算和淤泥底部高程计算。计算方法见式（2）和式（3），其中H水面高程通过GNSS三维水深测量获得。河底高程计算在河道勘测数据处理系统平台下完成。

（5）栅格数据生成。提取离散的淤泥顶部高程和淤泥底部高程。分别通过克里金插值计算得到生成高频和低频格网的栅格数据，

（6）淤泥厚度计算与表达。利用地图代数方法，求取淤泥頂部和淤泥底部的差值，从而获得淤泥厚度，在ArcGIS平台下输出淤泥厚度图。

4 试验与结果

本文选择在丹江口水利枢纽附近试验。测区为400 mx400m的正方形水域，水深40 - 55 m，共布设测线20条。平面坐标系统采用1954年北京坐标系，高程系统采用1985国家高程基准。采用的仪器设备包括：智慧无人船1艘，HY1602双频回声仪1台，HY1203声速剖面仪1台，GNSS接收机1台，笔记本电脑1台;软件包括Hypack Max导航软件，ArcGIS软件以及河道勘测数据处理软件等。数据采集接收后，在河道勘测数据处理系统中完成声速改正，计算出河底高程，在ArcGIS平台下完成数据格式转换。

在实际生产中，有准确数值的采样点数量有限，不能满足泥沙精细化监测的需要，需要获取大量的未采样点的信息，只能采取插值的方式获取。常用的插值方法主要有：反距离权重法、样条函数法、克里金法等。本文采用克里金法插值，插值得到的低频面和高频面栅格数据如图3所示。

为检验插值精度，预留40个样本点不参与栅格文件构建。栅格文件构建完成后，在ArcGIS平台下完成精度检测，检测结果满足SL 257-2017水道观测规范[8]要求。检测结果见表1。

完成精度检测后，在ArcGIS平台下使用低频面和高频面的数据，通过地图代数运算，计算淤泥厚度并成图，得到的结果如图4所示。使用4级分级图显示，蓝色区域淤泥厚度最薄，绿色区域淤泥最厚。从图4可知，两侧的淤泥厚度较薄，而中央的淤泥厚度则相对较厚。

低频面、高频面以及淤泥厚度面的统计值见表2。从表2可知：低频面可以近似指代淤泥底部，均值为95.63 m;高频面可以近似指代淤泥顶部，均值为95.19 m。淤泥平均厚度0.44 m，分布较为均匀。

5 结语

使用智慧无人船进行河底淤泥厚度探测，可以一站式获取水库底部淤泥信息。同时无人船使用的蓄电池属于清洁燃料，节能环保，不会污染水质，代表了水文泥沙监测的发展趋势。

目前本文方法仅在丹江口水利枢纽附近进行了测试，尚未进行大规模河底淤泥厚度测量，因此还缺乏更多实验样例。在下一步的研究中，将会在丹江口水利枢纽工程附近进行多测次试验，进一步改进该方法的相关技术，切实为水文泥沙监测提供技术支持。

参考文献：

[1]杨光，郭生练，李立平，等.考虑未来径流变化的丹江口水库多目标调度规则研究[J].水力发电学报，2015（12）： 54-63.

[2] 褚应丹，丹江口水利枢纽综合效益巨大[J].中国三峡，2018（6）：64-73.

[3]穆青青，何晓东，丁洪亮，等.2017年丹江口水库精细化调度实践与探讨[J].人民长江，2018，50（3）：41-46.

[4] 张惟河，梁思明，杨仁辉.侧扫声纳和浅地层剖面仪在表层淤泥探测中的应用[J]港口工程，2014（10）：86-91.