孫羅慶,王政君,李中洲,周貽港
(1.深圳市勘察測繪院(集團(tuán))有限公司,廣東 深圳 518028; 2.深圳市治理深圳河辦公室,廣東 深圳 518052)
為貫徹落實(shí)《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》《水污染防治行動計(jì)劃》,全國各地開展了眾多的黑臭水體治理及河道整治工程。清淤疏浚作為河道整治工程中的一種常用手段,在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。眾多工程案例表明,清淤疏浚工程的實(shí)施將影響河道輸沙平衡,導(dǎo)致不同程度的回淤[3,4]。
深圳河一度被河道污染、泄洪能力不足等問題困擾。經(jīng)深港兩地的共同努力,自20世紀(jì)90年代起,先后完成了治理深圳河一、二、三、四期工程,以及清淤工程、水面保潔工作、污染底泥治理等系列項(xiàng)目,改善了深圳河生態(tài)和水質(zhì),防洪標(biāo)準(zhǔn)從2年~5年一遇提升至50年一遇[5,6]。
隨著時間的推移,深圳河一、二、三期河道出現(xiàn)了較嚴(yán)重的回淤,淤積問題日益嚴(yán)重。深圳河設(shè)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇,現(xiàn)狀50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)[7]。隨著粵港澳大灣區(qū)和社會主義先行示范區(qū)建設(shè)的相繼實(shí)施,未來深圳河防洪要求將進(jìn)一步提高。
通過對清淤工程進(jìn)行回淤跟蹤測量,掌握回淤特性與規(guī)律,將對深圳河及其他河道清淤工程以及長期運(yùn)行管理具有重要意義。
深圳河是深圳市五大河流之一,是深港界河,從羅芳自東向西流入深圳灣,其流域面積約為 312.5 km2,深圳河一、二、三、四期河道長度共約 17.9 km。深圳河含3條主要支流:梧桐河、沙灣河和布吉河,深圳河河口南側(cè)為香港米埔國際濕地保護(hù)區(qū),北側(cè)為深圳福田紅樹林國家自然保護(hù)區(qū)[8]。
深圳河為潮汐河,其潮汐為典型的不規(guī)則半日潮,深圳河口測得最大潮差為 1.5 m。深圳河流域?qū)儆趤啛釒ШQ笮约撅L(fēng)氣候,年平均降雨量為 1 664 mm。降水年內(nèi)分配不均,每年4月~10月為汛期,降雨量約占年降雨量90%。降雨以鋒面雨、臺風(fēng)雨及地形雨為主,強(qiáng)度大且暴雨多[9]。
深圳河河口斷面為國家河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)考核的國控?cái)嗝妗榱讼鳒p污染底泥對水質(zhì)的污染影響,提高防洪排澇能力,改善河道水質(zhì)環(huán)境,深圳市治理深圳河辦公室于2018年開展“深圳河梧桐河口至上步立交河段(9+400~6+900)清淤工程”。清淤河段共計(jì) 2.5 km,面積約 0.3 km2,工程時間為2018年7月~2018年12月,共計(jì)清淤量為49.76萬m3。清淤河段位置分布情況如圖1所示。
圖1 清淤河段位置分布及清淤概況
深圳河兩側(cè)沿岸區(qū)域低潮位時存在較大面積灘涂,河道中線常年水深大于 1 m。河道地形測量方法主要采用RTK配合測深儀無驗(yàn)潮測深法、三維激光掃描技術(shù),輔以GPS RTK技術(shù),測量比例尺為 1∶500。
(1)技術(shù)原理
水下地形測量的目的是采集水下地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。GPS RTK配合測深儀無驗(yàn)潮測深法,通過GPS RTK技術(shù)獲取水面點(diǎn)的平面坐標(biāo)及水面高程,結(jié)合測深儀采集的水深數(shù)據(jù),即可完成水下地形數(shù)據(jù)采集工作。其原理如圖2所示,水底高程如公式(1)。
h=hG-L-(△h1+△h2)
(1)
式中,h為水底高程,hG為GPS接收機(jī)相位中心正常高,L為相位中心至水面高,△h1為換能器吃水深度,△h2為換能器至水底深度。
圖2 RTK配合測深儀無驗(yàn)潮測深示意圖
(2)作業(yè)步驟
①布測覆蓋測區(qū)的GPS等級控制網(wǎng),并聯(lián)測等級水準(zhǔn)高程;
②確定測區(qū)WGS84坐標(biāo)系與項(xiàng)目采用工程坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,并進(jìn)行高程擬合;
③布設(shè)測深線方向?yàn)榇怪庇诤拥纼砂斗较?,測深線間距為圖上 ≤1.5 cm;布設(shè)測深檢查線方向?yàn)榇怪庇跍y深線方向,檢查線長度占測深線長度比例≥5%;測深點(diǎn)采樣間距為 5 m。
④在等級控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站,將流動站在其他等級點(diǎn)檢查平面和高程無誤后,采用專用支架固定接收機(jī)和測深儀換能器在船首1/3~1/2處;
⑤量取GPS接收機(jī)相位中心至水面高和換能器吃水深度,采用聲速儀測定聲速并在測深儀進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置,使用檢查板檢查水深無誤后開始測量(檢查較差 ≤5 cm);
⑥測量結(jié)束后重復(fù)步驟⑤的檢查工作,作為對測量過程的檢查;
⑦比較測深點(diǎn)與檢查點(diǎn)高程互差(平面間距圖上 ≤1 mm的測量點(diǎn),水深 ≤20 m時互差應(yīng) ≤0.4 m),超限點(diǎn)數(shù)占參與比較的總點(diǎn)數(shù)比例應(yīng)≤20%,否則重測。
(3)精度評估
通過比較測深點(diǎn)與檢查點(diǎn)(平面間距圖上 ≤1 mm的測量點(diǎn))高程,經(jīng)統(tǒng)計(jì)12次測量測深點(diǎn)高程中誤差為 ±7.5 cm。
河道兩側(cè)近岸區(qū)域,受淤泥沉積及潮汐的影響,漲潮時水深較淺,落潮時為灘涂,淤積層較厚,承載能力較差,人工及船只均難以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
Trimble SX10集全站儀和掃描儀功能為一體,視場角為:360°×317°,坐標(biāo)測量精度為 2 mm+1.5 ppm,掃描速度高達(dá)每秒 26 600點(diǎn),測程可達(dá) 600 m。在低潮位時采用Trimble SX10在等級控制點(diǎn)上設(shè)站定向和檢查,對深圳河河道灘涂進(jìn)行測量。通過全站儀設(shè)站檢查特征點(diǎn)來評定點(diǎn)云精度,其平面位置中誤差為 ±3.1 cm,高程中誤差為 ±3.9 cm。深圳河灘涂及三維激光點(diǎn)云如圖3所示。
圖3 深圳河灘涂及點(diǎn)云示意圖
清淤工程清淤前測量時間為2018年7月,清淤竣工測量時間為2018年12月。采用相同的方法及設(shè)備在清淤前后對清淤段進(jìn)行回淤跟蹤測量,共進(jìn)行12次,時間為2019年2月、4月、6月、7月、8月、9月、10月、11月,2020年3月、11月。
河道橫斷面成圖比例尺橫向按 1∶2 000,縱向按 1∶100,累計(jì)完成河道橫斷面測量12次,每次26條。將每次測量橫斷面與河道設(shè)計(jì)斷面疊加,并計(jì)算橫斷面與設(shè)計(jì)斷面形成橫截面面積。7+000里程清淤前、清淤后及各次跟蹤測量斷面如圖4所示。
圖4 7+000里程跟蹤測量斷面圖
采用斷面法計(jì)算淤積量,計(jì)算公式如式(2)。
(2)
式中:V為淤積量;n為總橫斷面數(shù);Si為第i條實(shí)測橫斷面與相應(yīng)設(shè)計(jì)斷面所圍成的截面積;di為第i條橫斷面與第i+1條橫斷面中心點(diǎn)間的距離。
由表1可知,清淤工程清淤量為49.76萬m3,占河段總淤積量(62.19萬m3)的80%。截至2020年11月20日,整個清淤段回淤量達(dá)到34.27萬m3,占清淤量的69%,從下游至上游方向(6+900至9+400),每 500 m河段回淤量占清淤量比例依次為90%、69%、64%、57%、59%。
清淤河段淤積量變化(萬m3) 表1
將該河段按里程分為5段(6+900~7+400、7+400~7+900、7+900~8+400、8+400~8+900、8+900~9+400),結(jié)合表1,各分段淤積量變化情況如圖5所示。整個清淤段淤積變化情況如圖6所示。
圖5 清淤段分段淤積量變化圖
圖6 清淤段整體淤積量變化圖
從圖5可知,清淤段回淤速度和回淤量從下游至上游方向由快變慢。從圖6可知,清淤后2年內(nèi)該河段呈持續(xù)回淤狀態(tài),次年回淤速度較首年略慢。
采用MATLAB平臺,對每期原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行 1 m×1 m方格網(wǎng)內(nèi)插,并與上一期內(nèi)插數(shù)據(jù)求差值,用不同顏色表征差值(回淤厚度),以近期拍攝的遙感影像圖作為底圖,可直觀表示各區(qū)域回淤態(tài)勢。以2019年4月和6月觀測數(shù)據(jù)為例,該時間段內(nèi)各區(qū)域回淤變化如圖7所示。清淤結(jié)束后至2020年11月回淤變化情況如圖8所示。
圖7 2019年4月至6月淤積厚度變化圖
圖8 清淤后約2年內(nèi)淤積厚度變化圖
從圖7可知,2019年4月~6月期間,局部回淤達(dá)到 1.2 m,下游段回淤較上游段明顯。結(jié)合圖5及表1,該時間段內(nèi)回淤速度較其他時間段明顯更快,回淤量明顯更大。根據(jù)收集的氣象資料顯示,該時間段內(nèi)發(fā)生多次極端強(qiáng)降雨天氣。
從圖8可知,清淤后兩年內(nèi),局部區(qū)域回淤厚度達(dá) 2 m,大部分區(qū)域回淤超過 1 m(注:局部區(qū)域因施工導(dǎo)致變深)。
綜合采用RTK配合測深儀無驗(yàn)潮測量法、三維激光掃描測量和GPS RTK人工碎部點(diǎn)采集的方法,可以克服漲落潮及灘涂淤積導(dǎo)致的地形數(shù)據(jù)采集難題,并取得較高的測量精度,為類似項(xiàng)目的開展提供參考。
通過對清淤工程進(jìn)行多次跟蹤測量,獲取了深圳河清淤段兩年內(nèi)較為豐富的回淤數(shù)據(jù),包括各時間段的回淤量、回淤速率、回淤趨勢和不同區(qū)域的回淤差異,在一定程度上掌握了清淤回淤規(guī)律,為深圳河長期運(yùn)行管理及防洪調(diào)度積累了豐富的基礎(chǔ)資料。
深圳河清淤工程實(shí)施后2年內(nèi)回淤量已達(dá)清淤量的69%,下游段回淤量達(dá)清淤量的90%,并仍呈持續(xù)回淤態(tài)勢。