周夢瑤 戴鳳君 張美玲

(江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

在當前社會經(jīng)濟大發(fā)展、人類活動加劇導(dǎo)致全球氣候巨變的大環(huán)境下，水災(zāi)呈現(xiàn)出突發(fā)、頻發(fā)的特點，嚴重危害人民身心與財產(chǎn)安全[1]。汛情的應(yīng)急反應(yīng)能力決定著防汛決策的制定以及成效，提高應(yīng)急監(jiān)測能力是當前水文工作的一項重要內(nèi)容。我國內(nèi)陸河流分布多而廣，易發(fā)水災(zāi)。江蘇省復(fù)雜的水系條件，使防汛抗旱工作難度系數(shù)直線上升。當前水文應(yīng)急監(jiān)測仍多采用纜道流速儀法或由纜繩拖拽搭載有聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP)的人工船對流量進行監(jiān)測，其監(jiān)測效率低且在極端天氣條件下容易造成安全事故，影響水文應(yīng)急能力的提升，由此急需構(gòu)建并優(yōu)化出一套適用于應(yīng)急情況的水文監(jiān)測系統(tǒng)。

近十年來，無人系統(tǒng)的研發(fā)及其在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用呈幾何級數(shù)的趨勢增長[2]，形成了一批包括無人機、無人船、水下無人潛航器在內(nèi)的新型無人系統(tǒng)[3，4]。本研究采用的無人船測量系統(tǒng)以無人船為載體，可搭載水位測量儀、流速儀、水質(zhì)監(jiān)測儀等多種水文監(jiān)測儀器，同時監(jiān)測多種水文要素[5]。由于其集成化程度高，面對復(fù)雜的測量環(huán)境，無人船測量系統(tǒng)能夠克服多種監(jiān)測難題，適用性較傳統(tǒng)監(jiān)測方式大大提升，為洪澇災(zāi)害地區(qū)的應(yīng)急決策與降低財產(chǎn)損失提供了極大助力。

本研究以水文測驗無人船為載具平臺，搭載測流設(shè)備構(gòu)建無人船測量系統(tǒng)，并將該測量系統(tǒng)實際應(yīng)用于河道水文應(yīng)急監(jiān)測中。該系統(tǒng)具有監(jiān)測效率高、不擾動流場、適用環(huán)境廣、操作易上手、測速范圍大等特點，有效提高了在應(yīng)急情況下的水文監(jiān)測能力。

1 無人船水文測量系統(tǒng)原理

無人船測量系統(tǒng)以無人船為載體，配備4G通信網(wǎng)絡(luò)、高清攝像頭，在定位定向板卡上搭載測深儀以及ADCP等測量設(shè)備，對測驗區(qū)域的流速、位置、水深等參數(shù)進行快速準確的采集，適用于山區(qū)河流、內(nèi)河湖泊、水庫、城市中小型河流等[6](見圖1)。無人船測量系統(tǒng)中的流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測與獲取主要由ADCP完成，其利用多普勒頻移原理，在測流斷面上布設(shè)多條測速垂線，通過測量每條垂線多點水深處的流速得到各垂線平均流速，再結(jié)合斷面數(shù)據(jù)輸出流量數(shù)據(jù)，完美地彌補了傳統(tǒng)測流的局限性，其中ADCP應(yīng)用廣泛，能夠提供高精度、全范圍、多要素的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在河流水文監(jiān)測、水文研究，以及水域經(jīng)濟建設(shè)等方面都具有重要意義。

圖1 無人船測量系統(tǒng)構(gòu)成

無人船測量系統(tǒng)依托CORS-RTK作業(yè)模式進行導(dǎo)航與定位，得到的位置數(shù)據(jù)精度能達到5cm，高程數(shù)據(jù)精度能達到10cm。在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)連接衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站(CORS)實現(xiàn)測量設(shè)備點位的固定解算前，用戶設(shè)備通過GSM向控制中心發(fā)送一個概略坐標，控制中心通過計算機為用戶擇優(yōu)選取一個固定基準站，并將高精度的差分信號發(fā)給移動站，本研究中通過GNSS連接江蘇省CORS站(JS CORS)實現(xiàn)測量設(shè)備點位的固定解算，并通過位置信息實現(xiàn)無人船測量過程中的自動導(dǎo)航[7](見圖2)。

圖2 無人船測量示意圖

本研究使用專為水文現(xiàn)代化開發(fā)的新一代“華微4號”自動水文測驗無人船(見圖3)，結(jié)合北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無人船自動控制技術(shù)，適配市面主流走航型ADCP。該型號船長1.2m，重13kg，裝載超速馬達，最大船速7m/s。搭配毫米波避障雷達，攝像頭參照岸邊距進行判斷，保證測驗的安全以及精準性。具備自動航行、自適應(yīng)水流直線技術(shù)與懸停技術(shù)，保證斷面直線走航，助力水文測流全自動化(見表1)。搭配瑞江1200kHz ADCP，構(gòu)建出本文所用的無人船水文測量系統(tǒng)。

表1 “華微4號”無人船主要技術(shù)參數(shù)

圖3 “華微4號”無人船

2 無人船水文測量系統(tǒng)工作流程

使用無人船測量系統(tǒng)對流量進行監(jiān)測的流程(見圖4)，首先要完成計劃的全面準備以及測點的勘察工作，選取視野開闊、環(huán)境安全的區(qū)域開展流量監(jiān)測。然后進行設(shè)備的安裝與調(diào)試工作，準備就緒后開始航線的規(guī)劃并開始無人船的試航行。一切流程正常無誤后，開始無人船測量系統(tǒng)的正式作業(yè)，進行水文數(shù)據(jù)采集，得到處理后的數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的正確性與合理性，需要對獲得的數(shù)據(jù)進行檢查與修正，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，需要再次進行數(shù)據(jù)采集，直至數(shù)據(jù)合格，完成測量。

圖4 無人船測量系統(tǒng)作業(yè)流程

為進行無法滿足傳統(tǒng)測驗條件斷面的測流，江蘇省水文水資源勘測為各個分局配備了無人船，構(gòu)建了搭載多種ADCP的測流系統(tǒng)，解決了這些斷面的測流問題，為在暴雨等極端條件下的流量應(yīng)急監(jiān)測做出了貢獻。

3 無人船測量系統(tǒng)在鎮(zhèn)江水文中的實際應(yīng)用

3.1 主要應(yīng)用測區(qū)

無人船水文測量系統(tǒng)已經(jīng)在江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局得到應(yīng)用，并完成了測量精度分析。本研究測區(qū)位于京杭大運河蘇南段入長江口1.3km處的諫壁閘水文站，其屬于國家重要水文站、一類精度站及中央報汛站，也是大運河蘇南段入江口門控制站，控制大運河進出水量，歷史最高水位為1996年8月1日的8.64m。諫壁閘水文站監(jiān)測要素主要為水位、流量、降水、水質(zhì)，各要素已實現(xiàn)在線監(jiān)測自動化。該段水面情況較好，水質(zhì)清澈，適合無人船作業(yè)。

江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局使用的華微4號無人船搭載瑞智型ADCP(見表2)，可在15min內(nèi)完成諫壁閘水文站的斷面測流，解決了水文測驗要求在同一流量級下的難點問題，測量過程中應(yīng)注意以下幾點：?在測流過程中，無人船應(yīng)盡量保證勻速行駛且行駛速度小于水流速；?測量范圍盡量選取在兩岸的ADCP盲區(qū)水深處，以提高測流數(shù)據(jù)的精度；?一個測次的施測為左岸→右岸、右岸→左岸2個來回，實測流量值為所測斷面流量的平均值，并進行現(xiàn)場記錄；?在測量過程中當無人船在北斗定位系統(tǒng)實時導(dǎo)航下到達實測斷面左岸預(yù)設(shè)點時，無人船保持懸停，此時ADCP開始設(shè)置相應(yīng)的左岸邊參數(shù)，隨后控制無人船向右岸勻速行駛進行第一個測回的測量，到達右岸預(yù)設(shè)點保持懸停，此時ADCP開始設(shè)置相應(yīng)的右岸邊參數(shù)，并開始第二個測回的測量，到達左岸后保持懸停，至此該測次結(jié)束操作[6]。

表2 設(shè)備情況

3.2 監(jiān)測精度對比實驗

2023年6月17日是鎮(zhèn)江入梅之日，本研究選取6月18—20日暴雨情況下諫壁閘水文站緊急排水時的測流數(shù)據(jù)，流量數(shù)據(jù)以排水為負，以引水為正。在大暴雨情況下，大運河水位急促上漲，緊急將大運河的水量排至長江，以緩解內(nèi)河排澇壓力，因此本次測驗的流量數(shù)據(jù)均為負值。該測驗點的河段寬度約109m，水面開闊，水質(zhì)較好，無明顯水面漂浮物。為了排除數(shù)據(jù)的偶然性，分別進行20次流速儀人工測流與無人船測流并進行誤差分析(見圖5)。

圖5 勘測區(qū)衛(wèi)星圖

測驗流程：檢查船體儀器連接正常無誤后將無人船下水，隨即手動操控無人船開至監(jiān)測斷面中央；讓無人船在無操作情況下順流漂3s獲取水流方向，然后將無人船開到岸邊預(yù)設(shè)點處懸停，在ADCP測流軟件中配置相關(guān)的河道斷面信息后解除懸停，操控電腦端或遙控器控制無人船按照航線行駛，同時進行ADCP數(shù)據(jù)采集，行駛至對岸預(yù)設(shè)點無人船自動懸停，此時ADCP軟件停止測驗，依次開始下一個測次(見圖6)。

圖6 無人船測量系統(tǒng)實際測試場景

3.3 測量結(jié)果與精度分析

本研究共選取20個流量測驗數(shù)據(jù)，由表3無人船測流與流速儀測流數(shù)據(jù)對比可知，無人船搭載ADCP測流系統(tǒng)與水文站流速儀所測的流量數(shù)據(jù)誤差值在±5m3/s之間，20個測次的誤差率均在±5%之間，誤差率均值為-0.15%。由于此次測流數(shù)據(jù)為極端天氣下的監(jiān)測值，且諫壁閘水文站的斷面寬度較大，根據(jù)比較，無人船測流系統(tǒng)和流速儀測流數(shù)據(jù)誤差范圍較小，說明無人船搭載ADCP測流系統(tǒng)的監(jiān)測精度較高，適用于日常流量數(shù)據(jù)監(jiān)測(見表3)。

表3 諫壁閘水文站無人船測流與流速儀測流數(shù)據(jù)對比

4 優(yōu)缺點分析

4.1 優(yōu)點分析

a.安全系數(shù)高。采用遠程遙控操作的方式可以使操作人員遠離危險區(qū)域。

b.測量效率高。無人船測量系統(tǒng)集成化程度高，節(jié)約設(shè)備間的連接時間；作業(yè)所需時間短，航向穩(wěn)定且準確，避免重復(fù)測量，節(jié)省人力。

c.測量精度高。無人船自帶絕對直線技術(shù)、自適應(yīng)流速技術(shù)、自動懸停技術(shù)，可以保證航線的穩(wěn)定性，從而確保數(shù)據(jù)的高精度。

d.測量范圍廣。采用遙控的方式能夠?qū)Υ笮退蜻M行監(jiān)測，且由于無人船的吃水深度只有10cm，能實現(xiàn)從岸邊到中央的全水域測量。

e.環(huán)境兼容性強。無人船搭載的ADCP無須像傳統(tǒng)流速儀那樣必須垂直于斷面，無人船可以以斜線或者曲線的航跡測得斷面流量數(shù)據(jù)。

4.2 缺點分析

a.對信號強弱依賴性高。無人船測量系統(tǒng)需要借助GNSS實現(xiàn)平面的定位，對于周邊遮擋嚴重、無GNSS信號的水域，無人船測量系統(tǒng)具有劣勢。

b.動力模塊保護措施需要進一步加強。運行過程中，馬達若是被纏繞住，需要人員進入水域進行救援；在水草多的區(qū)域，馬達會受到阻塞，航行測量效率受到影響。

5 結(jié) 語

本文以無人船測量系統(tǒng)在江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局的應(yīng)用為背景，介紹了無人船測量系統(tǒng)的工作原理與流程。以“華微4號”無人船為載體，搭載瑞智型ADCP構(gòu)建無人船測量系統(tǒng)。通過對京杭大運河局部區(qū)域進行斷面流量測驗并與流速儀纜道測流方法進行比對，無人船搭載ADCP測流系統(tǒng)和水文站流速儀所測的流量數(shù)據(jù)差值在±5m3/s以內(nèi)，20個測次的誤差率均在±5%之內(nèi)，誤差率均值為-0.15%，誤差范圍符合使用要求。

無人船測量系統(tǒng)的實際使用情況表明其具有安全性強、測量精度高、穩(wěn)定性強、效率高、測量范圍廣、使用方式多樣的優(yōu)點，為水文應(yīng)急監(jiān)測、搶險救災(zāi)提供了一種功能強、更高效、更廣泛的測驗手段。該系統(tǒng)在使用中展現(xiàn)出了絕對的優(yōu)勢，且隨著技術(shù)的進步與5G時代的賦能，其將在未來的水文應(yīng)急監(jiān)測發(fā)展中發(fā)揮主導(dǎo)作用。