多波束測深系統在水利工程中的應用

朱良康

摘 要：介紹多波束測深系統工作原理，其在水利工程建設及后期運行中的應用，探討影響其測量精度的主要因素及改善措施，展望其未來發展。

關鍵詞：多波束測深；水利工程；水下地形測量

水力發電作為一種可再生、無污染的清潔能源被廣泛開發利用，人們興建水利工程可滿足防洪、排澇、供水、發電、航運、旅游等多方面的需求，從而有效抵御洪澇旱災、促進當地社會、經濟、工農業生產全面發展、保護水土資源和改善生態環境。但是，水利工程的興建，人為改變了河流原來的發展演變規律，從而對河流的水文形勢，河流生態等產生各種持續而深遠的影響。[1，2]

1 多波束測深系統組成及工作原理

多波束測深系統是一個比較復雜的組合設備，系統本身由發射接收換能器、信號控制處理器、運動傳感器等組成，還需配備羅盤，姿態儀，定位GPS，數據采集和存儲計算機，并且一般需要安裝在導航船上工作。多波束測深系統的工作原理和單波束回聲測深儀基本相同，即測量每個波束聲波信號的旅行時間和反射角度，結合定位數據、測量船的姿態數據、聲速數據來計算每個波束測得的水深。[3]

2 多波束測深系統在水利建設中的應用

分析、了解、評價和解決水利工程建設對河流的影響，從而實現水利工程與河流流域的協調發展，促進社會可持續發展。水下地形測深系統是了解、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，利用多波束測深系統測量水下地形已成為普遍采用的重要手段，國內外運用多波束測深系統進行水下地形的測量的原理和方法均已成熟。

2.1 水庫淤積及沖刷測量

我國的大江大河大多泥沙含量較大，在河流上修建水庫，導致河流水位提升，流速降低，必然造成泥沙淤積[4]，而在水庫下游，由于發電尾水及汛期泄洪的沖刷，對河床及河底都會造成一定程度的改變，威脅著水庫的運行安全和效率。利用多波束測深系統，監測水下地形的變化，可為水庫上游的清淤工程及水庫下游的河床保護提供更為準確的數據信息，節省成本，提高工作效率。張壯志[5]利用多波束測深系統完成葛洲壩水電站上游導沙坎前區域清淤前后的水下地形測量，從而全面反映清淤前后水下地形的變化情況及對清淤工作量進行精確計算和統計。

2.2 航道水下地形測量

航運作為交通運輸的重要途徑之一，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，沖淤方式改變等，水庫上游水位上升，原有急流險灘可隨著水位抬高而被淹沒，航道水深增加，航道等級提高，而下游水量減少，水流形勢發生較大改變，下游的航運能力降低，從而對整個河段的航運造成一定程度的改變[6]。這些變化極大地增加了航道運行的安全隱患，及時，準確的掌握這些變化，并作對應的調整可有效降低安全風險，利用多波束測深系統可以準確清晰的了解、掌握水下地形，對水深，水下暗礁，淺灘等影響航運的因素準確掌握，提高航運安全。

張從奎[7]運用SEABAT 8101多波束測深系統在三角磧河段卵石沙波運動觀測中對一段航道試驗段做了2次重復水深測量，測量結果的分析表明，多波束測量的水深資料可反映水下微地形和分析局部沉積物運移趨勢，且具有傳統單波束測深不可比擬的優勢；付偉[1，8]利用RESON SeaBat 7125多波束測深系統對丹東大東港航道進行水下地形測量并與單波束測量的水深數據進行比較，其應用于航道測量是可行的，其測深精度完全可以滿足航道管理和航標維護的要求。

2.3 水流場模擬

水利工程的修建，改變了原來河流的生態環境，尤其是水流流速的改變，導致部分水生生物的生存環境發生巨大改變，為了了解生態環境改變對水生生物的影響，降低其對水生生物的影響[1]，模擬水流流速改變十分必要。獲取水下地形數據則是進行模擬的前提，利用多波束測深系統，可以快速、高效獲得準確的水下地形數據。莫偉均利用EchoSweep300多波束測深系統獲得北盤江支流打幫河的部分河段水下地形數據，導入FLOW3D得到三維實體河道模型，結合走航式聲學多普勒流速儀（ADCP），最后利用FLOW3D數值模擬，得到了打幫河生境下魚類對流速的適宜性曲線。

3 影響多波束測深系統測量精度的因素及改善措施

根據國內外研究狀況，結合多波束測深系統實際操作應用，筆者發現所獲得的水下地形地形測量的精度和質量會受到多種因素的影響，影響多波束測量質量和精度的主要因素如下[9，10]。

3.1 設備因素

多波束測深系統是組合設備，每一個儀器的本身精度和系統安裝精度都會對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航船上，這很容易導致儀器實際位置不可能完全水平，同時在測量過程中受風、涌、波浪等因素影響，換能器與真實水平面總會存在夾角，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。每一個橫搖角與縱搖角都包含一個動態分量和靜態分量。

動態分量可以通過姿態儀予以校正；靜態分量是由于設備安裝在導航船造成的，稱之為橫搖偏角和縱搖偏角。羅經安裝的指向與船艏指向可能存在偏差，我們稱這個偏差叫艏向偏差；由于定位系統與測深系統不同步，使測深點產生位移，導致測得的河底地形發生變形，這種效應通常稱為定位時延誤差。

對于這些影響因素，通常在條件允許下選用更加精準的定位儀器，而儀器安裝時產生的橫搖偏差，縱搖偏差，定位時延誤差及艏向偏差，需要在實地測量前，選擇合適的已知地形進行外業數據采集和內業數據計算的校準步驟，有效提高測量精度。

3.2 環境因素

多波束測深系統在實地測量過程中，受到當地環境影響，也會對測量精度產生一定的不利影響，主要因素有水面的風速，浪涌，船速，水下地形的復雜程度等，而且它們之間是相互關聯，通常影響導航船的穩定包括水面風速過大引起浪涌較大、船速過快，導致接收的回波信號減少包括水下地形的復雜程度、船速過快。為減少這些環境因素帶來的不利影響，在實地測量時，通常會選擇在天氣良好，風浪較小時間段，保持船體平穩慢速行駛，適當增加測量回次從而盡量提高測量精度。

4 應用展望

水下地形測量技術受益于電子技術、計算機技術和材料工藝技術等高新技術的高速發展。多波束測深是在20世紀70年代在單波束測深儀的基礎上發展起來的，從單點測量改變成線式測量，并可以得到三維立體圖，使水下地形測量技術發展到新的高度。多波束測深系統是一種有著高分辨率，高穩定性，全覆蓋的水下地形設備，能更快更精準的繪制水下地形，大大減少了用戶測量時間與成本，是當今水深測量和水底地形勘測最先進的測量設備，必將成為水下地形測量主要工具之一[11，12]。

參考文獻

[1]李蓉，鄭垂勇，馬駿，等.水利工程建設對生態環境的影響綜述[J].水利經濟，2009.

[2]具杏祥，蘇學靈.水利工程建設對水生態環境系統影響分析[J].中國農村水利水電，2008.

[3]丁繼勝，周興華，劉忠臣，等.多波束測深聲納系統的工作原理[J].海洋測繪，1999（03）：15-22.

[4]韓其為，楊小慶.我國水庫泥沙淤積研究綜述[J].中國水利水電科學研究院學報，2003（03）：5-14.

[5]張壯志，劉暢快.多波束測深系統在葛洲壩導沙底坎清淤中的應用[J].大壩與安全，2011（06）：13-16.

[6]曹民雄，龐雪松，劉兆衡.水電樞紐建設對航道影響的表現及對策[J].水運工程，2011（10）：76-77.

[7]張從奎，蔣方強，陳宏乾.多波束測深系統在內河航道測量中的運用[J].中國水運（上半月），2014（4）：40-42.

[8]付偉.多波束測深系統在大東港航道測量中的應用[J].科技與企業，2014（12）：263.

[9]李家彪，鄭玉龍，王小波，等.多波束測深及影響精度的主要因素[J].海洋測繪，2001（1）：26-32.

[10]李偉，賴陪偉.影響多波束測量精度與質量的因素分析與措施[C].中國浙江：2008.

[11]劉經南，趙建虎.多波束測深系統的現狀和發展趨勢[J].海洋測繪，2002（05）：3-6.

[12]原大為，宿良君，周開元.水下地形測量的發展趨勢概述[J].黑龍江水利科技，2005（01）：26.