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        多波束測(cè)深系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用

        2017-10-19 08:12:08劉軍昌
        水能經(jīng)濟(jì) 2017年6期

        劉軍昌

        【摘要】文章介紹了多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理,以及在水利工程建設(shè)及后期運(yùn)行中的應(yīng)用,探討影響其測(cè)量精度的主要因素及改善措施,展望其未來發(fā)展。

        【關(guān)鍵詞】多波束測(cè)深;水利工程;水下地形測(cè)量

        1、多波束測(cè)深系統(tǒng)組成及工作原理

        多波束測(cè)深系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的組合設(shè)備,系統(tǒng)本身由發(fā)射接收換能器、信號(hào)控制處理器、運(yùn)動(dòng)傳感器等組成,還需配備羅盤,姿態(tài)儀,定位GPS,數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)計(jì)算機(jī),并且一般需要安裝在導(dǎo)航船上工作。多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理和單波束回聲測(cè)深儀基本相同,即測(cè)量每個(gè)波束聲波信號(hào)的旅行時(shí)間和反射角度,結(jié)合定位數(shù)據(jù)、測(cè)量船的姿態(tài)數(shù)據(jù)、聲速數(shù)據(jù)來計(jì)算每個(gè)波束測(cè)得的水深。

        2、多波束測(cè)深系統(tǒng)在水利建設(shè)中的應(yīng)用

        分析、了解、評(píng)價(jià)和解決水利工程建設(shè)對(duì)河流的影響,從而實(shí)現(xiàn)水利工程與河流流域的協(xié)調(diào)發(fā)展,促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。水下地形測(cè)深系統(tǒng)是了解、掌握河流水下地形變化,解決水利工程修建帶來的不利影響的有效工具之一。目前,利用多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量水下地形已成為普遍采用的重要手段,國內(nèi)外運(yùn)用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形的測(cè)量的原理和方法均已成熟。

        2.1 水庫淤積及沖刷測(cè)量

        我國的大江大河大多泥沙含量較大,在河流上修建水庫,導(dǎo)致河流水位提升,流速降低,必然造成泥沙淤積,而在水庫下游,由于發(fā)電尾水及汛期泄洪的沖刷,對(duì)河床及河底都會(huì)造成一定程度的改變,威脅著水庫的運(yùn)行安全和效率。利用多波束測(cè)深系統(tǒng),監(jiān)測(cè)水下地形的變化,可為水庫上游的清淤工程及水庫下游的河床保護(hù)提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息,節(jié)省成本,提高工作效率。

        2.2 航道水下地形測(cè)量

        航運(yùn)作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾緩街?,隨著水利工程的修建,極大地改變了河道原有的水位變化,包括水流形態(tài),沖淤方式改變等,水庫上游水位上升,原有急流險(xiǎn)灘可隨著水位抬高而被淹沒,航道水深增加,航道等級(jí)提高,而下游水量減少,水流形勢(shì)發(fā)生較大改變,下游的航運(yùn)能力降低,從而對(duì)整個(gè)河段的航運(yùn)造成一定程度的改變。這些變化極大地增加了航道運(yùn)行的安全隱患,及時(shí),準(zhǔn)確的掌握這些變化,并作對(duì)應(yīng)的調(diào)整可有效降低安全風(fēng)險(xiǎn),利用多波束測(cè)深系統(tǒng)可以準(zhǔn)確清晰的了解、掌握水下地形,對(duì)水深,水下暗礁,淺灘等影響航運(yùn)的因素準(zhǔn)確掌握,提高航運(yùn)安全。

        相關(guān)學(xué)者運(yùn)用SEABAT 8101多波束測(cè)深系統(tǒng)在三角磧河段卵石沙波運(yùn)動(dòng)觀測(cè)中對(duì)一段航道試驗(yàn)段做了2次重復(fù)水深測(cè)量,測(cè)量結(jié)果的分析表明,多波束測(cè)量的水深資料可反映水下微地形和分析局部沉積物運(yùn)移趨勢(shì),且具有傳統(tǒng)單波束測(cè)深不可比擬的優(yōu)勢(shì);利用RESON SeaBat 7125多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)丹東大東港航道進(jìn)行水下地形測(cè)量并與單波束測(cè)量的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,其應(yīng)用于航道測(cè)量是可行的,其測(cè)深精度完全可以滿足航道管理和航標(biāo)維護(hù)的要求。

        2.3 水流場(chǎng)模擬

        水利工程的修建,改變了原來河流的生態(tài)環(huán)境,尤其是水流流速的改變,導(dǎo)致部分水生生物的生存環(huán)境發(fā)生巨大改變,為了了解生態(tài)環(huán)境改變對(duì)水生生物的影響,降低其對(duì)水生生物的影響,模擬水流流速改變十分必要。獲取水下地形數(shù)據(jù)則是進(jìn)行模擬的前提,利用多波束測(cè)深系統(tǒng),可以快速、高效獲得準(zhǔn)確的水下地形數(shù)據(jù)。

        3、影響多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量精度的因素及改善措施

        根據(jù)國內(nèi)外研究狀況,結(jié)合多波束測(cè)深系統(tǒng)實(shí)際操作應(yīng)用,筆者發(fā)現(xiàn)所獲得的水下地形地形測(cè)量的精度和質(zhì)量會(huì)受到多種因素的影響,影響多波束測(cè)量質(zhì)量和精度的主要因素如下。

        3.1 設(shè)備因素

        多波束測(cè)深系統(tǒng)是組合設(shè)備,每一個(gè)儀器的本身精度和系統(tǒng)安裝精度都會(huì)對(duì)最終的成果精度造成一定的影響。

        由于多波束換能器安裝在導(dǎo)航船上,這很容易導(dǎo)致儀器實(shí)際位置不可能完全水平,同時(shí)在測(cè)量過程中受風(fēng)、涌、波浪等因素影響,換能器與真實(shí)水平面總會(huì)存在夾角,我們通常把換能器與船只水平面縱向的夾角稱為縱搖偏差,換能器與船只水平面垂直方向的夾角為橫搖偏差。每一個(gè)橫搖角與縱搖角都包含一個(gè)動(dòng)態(tài)分量和靜態(tài)分量。

        動(dòng)態(tài)分量可以通過姿態(tài)儀予以校正;靜態(tài)分量是由于設(shè)備安裝在導(dǎo)航船造成的,稱之為橫搖偏角和縱搖偏角。羅經(jīng)安裝的指向與船艏指向可能存在偏差,我們稱這個(gè)偏差叫艏向偏差;由于定位系統(tǒng)與測(cè)深系統(tǒng)不同步,使測(cè)深點(diǎn)產(chǎn)生位移,導(dǎo)致測(cè)得的河底地形發(fā)生變形,這種效應(yīng)通常稱為定位時(shí)延誤差。

        對(duì)于這些影響因素,通常在條件允許下選用更加精準(zhǔn)的定位儀器,而儀器安裝時(shí)產(chǎn)生的橫搖偏差,縱搖偏差,定位時(shí)延誤差及艏向偏差,需要在實(shí)地測(cè)量前,選擇合適的已知地形進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)計(jì)算的校準(zhǔn)步驟,有效提高測(cè)量精度。

        3.2 環(huán)境因素

        多波束測(cè)深系統(tǒng)在實(shí)地測(cè)量過程中,受到當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響,也會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定的不利影響,主要因素有水面的風(fēng)速,浪涌,船速,水下地形的復(fù)雜程度等,而且它們之間是相互關(guān)聯(lián),通常影響導(dǎo)航船的穩(wěn)定包括水面風(fēng)速過大引起浪涌較大、船速過快,導(dǎo)致接收的回波信號(hào)減少包括水下地形的復(fù)雜程度、船速過快。為減少這些環(huán)境因素帶來的不利影響,在實(shí)地測(cè)量時(shí),通常會(huì)選擇在天氣良好,風(fēng)浪較小時(shí)間段,保持船體平穩(wěn)慢速行駛,適當(dāng)增加測(cè)量回次從而盡量提高測(cè)量精度。

        4、應(yīng)用展望

        水下地形測(cè)量技術(shù)受益于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料工藝技術(shù)等高新技術(shù)的高速發(fā)展。多波束測(cè)深是在20世紀(jì)70年代在單波束測(cè)深儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,從單點(diǎn)測(cè)量改變成線式測(cè)量,并可以得到三維立體圖,使水下地形測(cè)量技術(shù)發(fā)展到新的高度。多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種有著高分辨率,高穩(wěn)定性,全覆蓋的水下地形設(shè)備,能更快更精準(zhǔn)的繪制水下地形,大大減少了用戶測(cè)量時(shí)間與成本,是當(dāng)今水深測(cè)量和水底地形勘測(cè)最先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備,必將成為水下地形測(cè)量主要工具之一。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張從奎,蔣方強(qiáng),陳宏乾.多波束測(cè)深系統(tǒng)在內(nèi)河航道測(cè)量中的運(yùn)用[J].中國水運(yùn)(上半月),2014(4):40-42.

        [2]付偉.多波束測(cè)深系統(tǒng)在大東港航道測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè),2014(12):263.

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