馬 丁

（河北省水文水資源勘測局，河北 石家莊 050031）

多波束測深系統(tǒng)在大浪淀水庫庫容測量中的應(yīng)用

馬 丁

（河北省水文水資源勘測局，河北 石家莊 050031）

多波束測深系統(tǒng)可對水下地形進行全覆蓋掃描測量，精確測得水下地形地貌，可應(yīng)用于庫容計算、沖淤分析、河道勘測等方面。結(jié)合 HydroBat 多波束測深系統(tǒng)在大浪淀水庫庫容測量的實例，介紹多波束系統(tǒng)在水庫庫容測量中的應(yīng)用，進一步說明多波束測量技術(shù)的高精度、全覆蓋、高分辨率和高效率的特點。

多波束測深系統(tǒng)；大浪淀水庫；庫容測量

0 引言

多波束測深系統(tǒng)誕生于 20 世紀 70 年代，隨著電子、計算機技術(shù)，特別是高精度 GPS 定位技術(shù)的完善，多波束技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。我國從 20 世紀 90 年代開始陸續(xù)從國外引進多波束測深系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于海道、海洋工程、海洋分界、海洋資源、水下考古的測量等領(lǐng)域，在經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。近些年，隨著水文事業(yè)的快速發(fā)展，多波束測深系統(tǒng)以其可對水下地形進行全覆蓋掃描測量，精確測得水下地形地貌的特點，開始在庫容計算、沖淤分析、河道勘測等方面得到越來越多的使用[1]。

河北省內(nèi)水庫的水位庫容曲線多年未修訂，加之境內(nèi)河流汛期含沙量高，導(dǎo)致水庫的淤積情況嚴重，老的水位庫容曲線已不能滿足現(xiàn)今的防汛興利需求。利用傳統(tǒng)方式測量水位庫容曲線，測量任務(wù)大、精度低，且耗費大量人力、物力，已經(jīng)不能滿足當今測量高效率、高精度、低成本的要求。多波束測深系統(tǒng)具有的操作智能、集成度高、高精度等優(yōu)點可以很好地解決這些問題。

大浪淀水庫是滄州市重要的水源地，每年通過河北省“引黃入冀”調(diào)水工程補充水量，隨著水量的補充，也夾雜著大量泥沙進入水庫，造成水庫的淤積。為更好地摸清大浪淀水庫水下地形及淤積情況，為水庫運行提供水下三維立體圖、地形圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，2013 年 9 月，河北省水文水資源勘測局組織技術(shù)人員利用 HydroBat 多波束測深系統(tǒng)對大浪淀水庫進行地形測量。本文結(jié)合 HydroBat 多波束測深系統(tǒng)在大浪淀水庫庫容測量的實例介紹多波束測深系統(tǒng)在水庫庫容測量中的應(yīng)用。

1 多波束測深系統(tǒng)的原理

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向水底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當?shù)奶幚?，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征[2-3]。

2 多波束測深系統(tǒng)的組成

HydroBat 系統(tǒng)基本由以下 3 個部分組成：1）主系統(tǒng)，主要包括換能器陣列、收發(fā)器和集成PDS2000 的處理器主機的處理單元等；2）輔助系統(tǒng)，包括高精度的 SMC108 姿態(tài)儀、SVP70 聲速儀及 Timble SPS461 定位定向儀；3）后處理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理計算機、數(shù)據(jù)存貯設(shè)備和繪圖儀等，水上、水下部分具體組成如圖1 所示。

圖1 Hydrobat 系統(tǒng)組成

主要部分的技術(shù)指標如下：

1）換能傳感器。頻率為 160 kHz；測深范圍為1～200 m；波束開角為 120°（3.4 倍水深）；波束數(shù)112 個；頻率 ＞ 20 Hz；含姿態(tài)改正，具有自動測量功能；質(zhì)量為 19 kg（含 10 m 線纜）。

2）定位定向儀。采用碼差分 GPS 定位，水平精度 ± 0.25 ×（1 + 10-6）m （均方根值）；垂直精度為± 0.50 × (1 + 10-6) m（均方根值）；定向精度為 2 m分離天線，0.09°（均方根值），10 m 分離天線，0.05°（均方根值）。

3）姿態(tài)儀。靜態(tài)橫滾俯仰精度為 0.02°；動態(tài)橫滾俯仰精度為 0.03°；橫滾俯仰分辨率為 0.001°；浪涌精度為 5 cm 或 5%。

4）聲速儀。精度為 ±0.05 m/s (0～50 m)；量程為 1 350～1 800 m/s；分辨率為 0.01 m/s；RS-232/422 接口；輸出頻率為 20 Hz（最大）。

3 多波束測深系統(tǒng)在大浪淀水庫庫容計算中的應(yīng)用

利用 HydroBat 多波束測深系統(tǒng)對大浪淀水庫進行整體測量后，編制完成了 1∶5 000 大浪淀水庫地形圖，3D 動態(tài)演示圖、水庫庫容曲線、面積曲線及特征表，縱橫斷面及圖形等成果。

3.1 大浪淀水庫基本情況

大浪淀水庫為河北省第 1 座平原水庫，屬大 Ⅱ型水庫，建成于 1997 年，設(shè)計庫容 1.003 億m3，庫區(qū)圍堤長度 16.8 km，堤頂設(shè)計高程 14.0 m。

測區(qū)內(nèi)地物較復(fù)雜，主要由堤防、閘門、溝渠、道路等組成，經(jīng)與原水庫設(shè)計圖查勘，水下部分較為平坦，最大水深不超過 7 m，地物主要由大浪淀排水渠、取土溝及部分原有坑塘構(gòu)成。工程實施在 10 月份，氣溫 15℃ 左右，晝夜溫差較大，多以西南風為主，風力 3～4 級，波浪起伏不大，測量條件優(yōu)越。

3.2 多波束測深系統(tǒng)的應(yīng)用

3.2.1 控制網(wǎng)建立

首先在測區(qū)內(nèi)沿大壩外沿布設(shè)由 15 個點組成的控制網(wǎng)；再以國家三等水準點 LS153（1956 年黃海高程）為高程起算點，采用三等水準測量進行高程引測；同時在庫區(qū)不同位置分別設(shè)立 4 根水尺，用于控制每天的水位變化，以便對多波束系統(tǒng)水深數(shù)據(jù)進行歸一化。

整個庫容測量包括岸上及水下測量。水下部分測量采用 RTK（實時動態(tài)差分法），為提高 RTK 測量精度，從建立的控制網(wǎng)中，選取能包圍測區(qū)的 7 個點，建立 7 參數(shù)投影轉(zhuǎn)換模型。

HydroBat 系統(tǒng)所配的定位設(shè)備采用的是單點及 SBAS（廣域增加信號）差分的方式定位，定位精度較差。故測量中采用同樣為 Timble 主板（因HydroBat 多波束測深系統(tǒng)原定位使用的主板為Timble 主板）的 GPS 替代原有定位方式進行水深測量平面定位，GPS 的定位精度及穩(wěn)定通過現(xiàn)場與已知控制點檢校比對，定位精度由原來的亞米級提高至厘米級，遠高于規(guī)范要求。測船行駛航向依然采用原系統(tǒng)所配定位設(shè)備。

岸上部分測量采用 RTK 進行定位及碎部采集，因不是本文主要內(nèi)容在此不贅述。

3.2.2 水下地形外業(yè)測量

水下部分采用橫斷面控制方法，按南北方向布設(shè)橫斷面和航線，航線間隔在地形平緩處約 50 m，地形變化較大時，加密到 20 m，符合規(guī)范要求。同時按規(guī)范要求數(shù)目，布設(shè)水深檢查線供水深數(shù)據(jù)檢查，測量結(jié)果顯示主測線與檢查線相交處水深吻合，符合規(guī)范要求。

利用 HydroBat 系統(tǒng)，可將實時同步采集測點點號、平面坐標、水深值等原始數(shù)據(jù)，自動以文本文件格式保存到計算機，測量完畢后將采集的原始數(shù)據(jù)存盤并進行內(nèi)業(yè)處理。

3.2.3 內(nèi)業(yè)處理及成圖

將測量原始數(shù)據(jù)經(jīng)水位、聲速、測船吃水深、波浪等系列參數(shù)技術(shù)改正，將岸上部分地形數(shù)據(jù)以ASCII 碼的形式導(dǎo)入后，利用 HydroBat 系統(tǒng)配套的PDS2000 軟件可分別繪制生成二維（如圖2 所示）、三維地形圖（如圖3 所示）。將數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，可利用ArcGIS 計算不同水位級下的水庫庫容，畫出庫容曲線。繪制的新老庫容曲線如圖4 所示，計算得出的新庫容與老庫容對照表如表1 所示。

圖2 二維地形成果

圖3 三維地形圖成果（局部）

圖4 8 m 水位以下新庫容曲線與老庫容曲線對比圖

表1 三維地形圖成果（局部）

3.2.4 應(yīng)用成果及對比分析

從圖2 可以清楚地看出建庫時的取土場和原大浪淀排水渠的河道，同時可以看出大浪淀水庫主要淤積的位置為入庫閘附近。利用多波束測量系統(tǒng)測量后新繪制的庫容曲線最高水位 12.471 m 的最大庫容為 9 924.9 萬m3，與原設(shè)計庫容相差了 104.2 萬m3。從圖4 可以看出，水位 7.2 m 以下，新老庫容變化較大，7.2 m 以上新老庫容變化趨勢相同。7.2 m 以上新老庫容相關(guān)系數(shù)計算表如表2 所示, 經(jīng)計算 7.2 m以上新庫容與老庫容的相關(guān)系數(shù) r = 1.000 065 751，近似為 1，相關(guān)關(guān)系好，變化趨勢基本一致。所以以7.2 m 為節(jié)點，新測庫容為 1 270 萬m3，原測庫容1 380 萬m3，差值為 110 萬m3，此值可認定為淤積量。

老庫容曲線計算時挖坑筑壩取土量不易確定，且測量比例尺小、精度低、誤差較大（底部呈直線變化），而新庫容曲線無論從測量手段、精度都遠遠高于老庫容曲線，成果可信度高，所以新測量的水位庫容曲線可以使用[4]。

4 結(jié)語

隨著多波束技術(shù)的發(fā)展，淺水多波束測深系統(tǒng)在內(nèi)湖、河道和水庫測量工程項目中的應(yīng)用會越來越廣泛。目前的實踐主要是多波束測深系統(tǒng)在水下地形上的應(yīng)用，而多波束測深系統(tǒng)除了獲得高分辨率的水下地形數(shù)據(jù)外，還可以利用獲得的地形數(shù)據(jù)，對水庫進行淤積分析，推算庫容曲線，以及進行大壩除險加固等方面工作。這些應(yīng)用在我國還有深入研究的空間，隨著多波束技術(shù)更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，在水利工程測量中所占的地位會越來越明顯。

[1] 李家彪.多波束勘測原理技術(shù)與方法[M].北京：海洋出版社，1999: 6-9.

[2] 吳永亭，陳義蘭.多波束系統(tǒng)及其在海洋工程勘察中的應(yīng)用[J].海洋測繪，2002, 22 (3): 26-28.

[3] 王閏成，衛(wèi)國兵.多波束探測技術(shù)的應(yīng)用[J].海洋測繪，2003, 23 (5): 20-23.

[4] 馬丁，趙銀岐，王鳳瑞，等.大浪淀水庫地形圖測量技術(shù)報告[R].石家莊：河北省水文水資源勘測局，2013: 14-20.

Application of Multi-beam Sounding System in Dalangdian Reservoir Capacity Measurement

MA Ding

(Bureau of Hebei Hydrology and Water Resources Survey, Shijiazhuang 050031, China)

Multi-beam sounding system can scan and measure the full coverage of the underwater terrain and accurately measure underwater topography.It can be applied to reservoir capacity calculation, analysis of siltation and river survey etc.This paper introduces the application of multi-beam system in measurement of reservoir capacity with the example of Dalangdian reservoir capacity calculation which uses HydroBat multi-beam sounding system.It further explains the characteristics of multi-beam measuring technology of high precision, wide coverage, high resolution and high efficiency.

multi-beam survey system; Dalangdian reservoir; reservoir capacity measurement

P335.1

A

1674-9405(2014)05-0042-04

2014-05-14

馬 ?。?988－），男，河北石家莊人，本科，從事水文測驗及儀器管理方面的工作。