长江干流城市供水取水口水下地形监测分析

摘要：长江是城市供水重要水源地，取水口附近水下地形容易发生冲刷和淤积。为了解取水口附近的地形变化情况，采用多波束测深系统和无人机系统对取水口进行监测，对采集的数据进行了处理和分析。结果表明：取水口附近水下地形具有上游冲刷、下游淤积的变化规律。研究成果对取水口冲淤变化预测和水资源管理具有重要意义。

关键词：城市供水;取水口;水下地形;监测分析;水资源管理;长江干流

中图法分类号：X832文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.003

文章编号：1006 - 0081（2021）10 - 0018- 04

供水是城市的重要基础设施，城市供水安全是城市经济稳定发展和人民生活质量的重要保障[1]。长江干流流经11个省、自治区、直辖市，其中包含安徽省段安庆、池州、铜陵、芜湖、马鞍山5个城市，为沿江城市提供了优质水源。长江每年经历洪水期和枯水期，供水工程取水口附近水下地形会发生较大变化，易出现冲刷和淤积，需对城市取水口水源保护区内水下地形进行水深测量和冲淤分析，以及时了解城市供水头部的变化情况，并根据监测情况提出城市供水预警和水资源管理方案[2]。因此，取水口工程监测对城市供水极其重要。

1 技术路线

城市供水取水口监测采用多波束扫测和无人机航摄相结合的方式，具体技术路线为：①根据取水口的位置布设多波束和无人机测线，采用多波束测深系统对水下地形进行全覆盖测量，扫测长度为顺水流方向以取水口头部中心线上下游各250 m，扫测宽度为垂直水流方向自水边至水边线外300 m;②采用无人机系统对取水口保护区范围上游3 000 m至下游500 m进行高清视频航拍，对取水口上游1 000 m至下游100 m重点区域进行航片拍摄、制作正射影像图;③对采集的数据进行处理、分析，制作冲淤效果图，取水口监测具体流程如图1所示。

2 数据采集

数据采集过程包括多波束水下地形监测和无人机陆上影像监测。

2.1 多波束水下地形监测

2.1.1 多波束数据采集

多波束换能器采用舷外安装方式，固定在左舷距测量船首约1/3处，光纤罗经安装在测量船駕驶舱中心位置，建立船体坐标系，准确量取光纤罗经、GNSS天线、换能器在船体坐标系中的位置参数[3]。平面定位采用网络RTK，利用与多波束测深系统配套的测量软件导航，沿设计测线扫测，实时采集定位数据和测深数据[4]。为提高测量精度，最大程度地降低系统误差，保障测深数据质量，多波束水深测量宽深比为1∶4，不同测段、相邻条带测深重叠宽度不低于扫测的30%，船速控制在6～9 km/h，数据更新率根据水深、船速进行相应调整[5]，多波束测深和数据采集如图2所示。

2.1.2 多波束数据处理

在进行测量数据内业处理前，对各项测量的原始数据文件及记录进行检查，确认数据完整、符合要求，查看水位曲线需符合潮位变化趋势，保证水位的真实可靠性[6]。取3组数据，依次按照横摇、纵摇、艏向的顺序进行校准参数计算，计算结果的平均值作为最终校准结果。备份测量数据，并进行声速、潮位及姿态改正，运用CARIS软件对采集的水深数据进行编辑，采用人机交互方式对水深数据进行判断、编辑，并剔除假水深信号，结合规范要求和设计书要求输出水深数据。每次作业完毕，根据技术要求进行精度检查，比对分析水深情况，主要内容包括检查线与主测线和交叉区域高程互差比对[7]，详见表1，结果表明精度满足多波束规范要求。

2.2 无人机陆上影像监测

2.2.1 无人机数据采集

利用大疆无人机进行影像数据采集，根据测区地形地貌情况，合理布设像控点，并按照图根控制点精度施测。在采集前，检查无人机状态，利用飞控软件布设合理的航线，飞行时间选在风速较小、风向稳定、透明度较好的时段，以保证所得影像完整清晰、层次分明、颜色饱和、反差适中，能辨别出地面上最暗处的影像细节。各影像之间重叠度、像片旋偏角、航线弯曲度符合规范要求[8]。各条航带间没有漏洞，可建立立体模型，最终提交的航摄成果数据均符合设计书和规范要求。

2.2.2 无人机数据处理

对像控点照片名称进行编辑，与相应的像控点匹配。剔除航摄像片中倾角大的像片，每个架次的航摄像片所对应的像控点匹配好。利用专业的无人机测绘摄影测量软件进行处理，导入航摄照片、POS文件和像控点文件，并在对应的影像上进行刺点，一般需要选择至少4张以上影像图，并在输出坐标系中选择需要的坐标系，进行初始化处理、点云及纹理、数字地面模型及正射影像图处理，空三射线图如图3所示。对于生成的正射影像图，可利用镶嵌图编辑器从多幅影像中选择最佳影像来消除移动物体或瑕疵，制作高质量的正射影像图和数字地面模型，全方位查看城市取水口情况[9]。

采用北京三维EPS处理软件和GIS软件对生成的正射影像图，根据影像形状、大小、色调与阴影等进行二维、三维判读，依据地形图图式制作线划图[10]，对于无法判读或不能确定的，到现场调绘，并调查其属性，高程数据利用生成数字地面模型进行加密高程点。

3 成果制作和分析

评定测量使用平面及水位控制转换参数。通过与已有平面控制点成果比对，坐标差值及定位中误差结果都符合要求，可作为本次测量的转换参数使用。人工验潮数据准确，符合潮位变化趋势，所测水深正常，等深线勾绘光滑衔接，无突变情况发生。无人机测量内外业工作进展有序，数字正射影像图上像控点的坐标与实际RTK采集的相控点坐标进行比对[11]，校核成果满足航空摄影规范要求。

3.1 取水口头部立体影像和地形图制作

利用Caris软件对数据进行编辑，删除噪点，制作取水头部管道立体影像图[12]，如图4所示。从图4中可以清晰看到管道位置和管道周围的护管桩，并详细研判管道是否发生倾斜、护管桩是否倒塌、周围水下地形是否变化情况。导出TIFF格式数据，在GIS软件中进行二次开发，获得需要的坐标成果，在CAD中调用文本数据，制作1：1 000水下地形图。

3.2 影像制作和冲淤分析

为更准确地分析水厂取水口位置的水下地形变化情况，运用GIS软件，提取水下高程点和等高线数据生成数字高程模型，把监测区域本次测量数据与往年测量数据进行对比分析，采用不同色带表示冲淤区域水下地形高程变化，红黄表示冲刷，绿蓝色表示淤积，等值线表示冲淤的深度线[13]。在城市供水取水口制作了取水口附近的冲淤分析图，通过不同的颜色和线性进行分析比较，可以直观、清晰地显示取水口附近的水下地形冲淤变化。GIS建模主要步骤有数据提取、数据建库、TIN模型生成和编辑、冲淤量计算和沖淤图绘制和合成等。

为便于分析数据成果，把无人机拍摄取水口附近的航片生成正射影像与GIS制作的冲淤图无缝拼接，制作了取水口冲淤影像图。水厂取水口监测分析情况类似，现以铜陵二水厂监测为例，铜陵二水厂取水口冲淤影像如图5所示。监测对比分析采用2014年5月和2019年12月数据，通过取水口冲淤影像图可以看出：该区域近岸河床变化不大，冲淤互现，但以淤积为主;远岸河床有冲刷，局部有冲刷坑，冲刷深度达6 m。重点区域城市供水取水口上游侧有一长约200 m的冲刷带，冲刷深度为1～2 m，取水口下游呈現淤积状态，淤积厚度约1 m;取水口外50～100 m，有1～2 m厚的淤积带。取水口位置水下地形未发现异常情况，没有大的淤积和堵塞，冲淤情况符合常态。

4 结 语

通过全面、科学地监测和分析长江城市取水口情况，发现了取水口地形变化规律：取水口上游有冲刷带，一般冲刷深度在2 m左右，下游有淤积。陆上地形采用无人机系统，未使用激光扫描仪系统，让操作更简单、成本更低、实用性更强。根据采集的水下点云数据，制作了取水口头部管道立体影像图，清晰、直观反映了取水口附近的建筑物运行状态，证明了该水陆一体化监测方法的可行性。创新了监管手段，监测和分析成果具有参考价值，为取水口管理和工程设计提供了科学决策和效果评估，并为水资源的可持续利用和经济社会的高质量发展提供了基础。

参考文献：

[1] 杨欣.  基于无人机监测的上海市取水口风险评估技术案例研究[D]. 上海：华东师范大学，2020.

[2] 屈艳萍，吕娟，苏志诚，等. 湖南长沙市城市干旱预警研究[J]. 中国防汛抗旱，2012，22（6）：12-15，25.

[3] 舒晓明，曹树青，梁向棋，等. 多波束水深测量与GPS-RTK高程测量比测研究[J]. 人民长江，2016，47（增1）：50-52.

[4] 何亮.  CORS支持下的多波束测深系统在库区淤积测量中的应用[D]. 武汉：长江科学院，2018.

[5] 马耀昌，刘世振，樊小涛，等. 基于崩岸监测的多波束系统参数设计[J]. 长江科学院院报，2019，36（10）：100-103.

[6] 林进条，王太柏. 多波束水下地形测量系统在珠江口门采砂监测的应用[J]. 广东水利水电，2005（2）：16-17.

[7] 沈蔚，张华臣，张明星，等. 深水多波束测深系统测深精度评估[J]. 海洋测绘，2020，40（3）：19-23.

[8] 白洋，康会涛，张文超，等. 无人机在露天矿山监测中的应用[J]. 测绘通报，2020（9）：85-88.

[9] 张元敏. 无人机航测技术在入海排污口排查中的应用[J]. 测绘通报，2020（1）：146-149，153.

[10] 马海政，强德霞. 免像控无人机航摄系统在大比例尺地形图测量中的应用[J]. 测绘通报，2020（7）：159-161.

[11] 谢亮，吴正伟. 无人机航测在长江岸线测绘中的应用[J]. 测绘通报，2019（7）：156-159.

[12] 饶光勇，陈俊彪. 多波速测深系统和侧扫声呐系统在堤围险段水下地形变化监测中的应用[J]. 广东水利水电，2014（6）：69-72.

[13] 赵俊. 长江大桥桥墩水域监测和分析[J]. 海洋测绘，2020，40（6）：74-77.

（编辑：唐湘茜）

Monitoring and analysis of underwater terrain near the urban water intake in the main stream of Yangtze River

ZHAO Jun

（Anhui Yangtze River Administration Bureau， Wuhu 241000， China）

Abstract： The Yangtze River is an important source of urban water supply， and the underwater terrain near the water intake is prone to erosion and siltation. In order to understand the terrain changes near the water intake， a multi-beam sounding system and an unmanned aerial vehicle system were used to monitor the water intake， and the collected data were processed and analyzed. The analysis results showed that the underwater terrain near the water intake has change law of upstream erosion and downstream sedimentation， The analysis results are of great significance to the prediction of the erosion and sedimentation changes of the water intake and the management of water resources.

Key words： urban water supply; water intake; underwater topography; monitoring and analysis; water resource management;main stream of Yangtze River