深圳河清淤工程跟蹤測(cè)量與回淤特征分析

孫羅慶，王政君，李中洲，周貽港

(1.深圳市勘察測(cè)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)

1 引 言

為貫徹落實(shí)《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，全國(guó)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(guó)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(shí)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(huì)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(duì)清淤工程進(jìn)行回淤跟蹤測(cè)量，掌握回淤特性與規(guī)律，將對(duì)深圳河及其他河道清淤工程以及長(zhǎng)期運(yùn)行管理具有重要意義。

2 深圳河清淤工程

2.1 深圳河概況

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(zhǎng)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(guó)際濕地保護(hù)區(qū)，北側(cè)為深圳福田紅樹林國(guó)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(cè)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(tái)風(fēng)雨及地形雨為主，強(qiáng)度大且暴雨多[9]。

2.2 清淤工程概況

深圳河河口斷面為國(guó)家河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)考核的國(guó)控?cái)嗝妗榱讼鳒p污染底泥對(duì)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(shí)間為2018年7月～2018年12月，共計(jì)清淤量為49.76萬(wàn)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

3 河道地形測(cè)量

深圳河兩側(cè)沿岸區(qū)域低潮位時(shí)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(cè)量方法主要采用RTK配合測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深法、三維激光掃描技術(shù)，輔以GPS RTK技術(shù)，測(cè)量比例尺為 1∶500。

3.1 RTK配合測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量

(1)技術(shù)原理

水下地形測(cè)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(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮測(cè)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(cè)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(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深示意圖

(2)作業(yè)步驟

①布測(cè)覆蓋測(cè)區(qū)的GPS等級(jí)控制網(wǎng)，并聯(lián)測(cè)等級(jí)水準(zhǔn)高程；

②確定測(cè)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(cè)深線方向?yàn)榇怪庇诤拥纼砂斗较颍瑴y(cè)深線間距為圖上 ≤1.5 cm；布設(shè)測(cè)深檢查線方向?yàn)榇怪庇跍y(cè)深線方向，檢查線長(zhǎng)度占測(cè)深線長(zhǎng)度比例≥5%；測(cè)深點(diǎn)采樣間距為 5 m。

④在等級(jí)控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，將流動(dòng)站在其他等級(jí)點(diǎn)檢查平面和高程無(wú)誤后，采用專用支架固定接收機(jī)和測(cè)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(cè)定聲速并在測(cè)深儀進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，使用檢查板檢查水深無(wú)誤后開始測(cè)量(檢查較差 ≤5 cm)；

⑥測(cè)量結(jié)束后重復(fù)步驟⑤的檢查工作，作為對(duì)測(cè)量過程的檢查；

⑦比較測(cè)深點(diǎn)與檢查點(diǎn)高程互差(平面間距圖上 ≤1 mm的測(cè)量點(diǎn)，水深 ≤20 m時(shí)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(cè)。

(3)精度評(píng)估

通過比較測(cè)深點(diǎn)與檢查點(diǎn)(平面間距圖上 ≤1 mm的測(cè)量點(diǎn))高程，經(jīng)統(tǒng)計(jì)12次測(cè)量測(cè)深點(diǎn)高程中誤差為 ±7.5 cm。

3.2 河道灘涂三維激光掃描測(cè)量

河道兩側(cè)近岸區(qū)域，受淤泥沉積及潮汐的影響，漲潮時(shí)水深較淺，落潮時(shí)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(chǎng)角為：360°×317°，坐標(biāo)測(cè)量精度為 2 mm+1.5 ppm，掃描速度高達(dá)每秒 26 600點(diǎn)，測(cè)程可達(dá) 600 m。在低潮位時(shí)采用Trimble SX10在等級(jí)控制點(diǎn)上設(shè)站定向和檢查，對(duì)深圳河河道灘涂進(jìn)行測(cè)量。通過全站儀設(shè)站檢查特征點(diǎn)來評(píng)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

3.3 測(cè)量周期

清淤工程清淤前測(cè)量時(shí)間為2018年7月，清淤竣工測(cè)量時(shí)間為2018年12月。采用相同的方法及設(shè)備在清淤前后對(duì)清淤段進(jìn)行回淤跟蹤測(cè)量，共進(jìn)行12次，時(shí)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。

3.4 河道斷面生成

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(cè)量12次，每次26條。將每次測(cè)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(cè)量斷面如圖4所示。

圖4 7+000里程跟蹤測(cè)量斷面圖

3.5 淤積量計(jì)算

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(cè)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(wàn)m3，占河段總淤積量(62.19萬(wàn)m3)的80%。截至2020年11月20日，整個(gè)清淤段回淤量達(dá)到34.27萬(wàn)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(wàn)m3) 表1

4 回淤特征分析

4.1 上下游分段回淤變化

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(gè)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。

4.2 不同區(qū)域不同時(shí)間淤積變化

采用MATLAB平臺(tái)，對(duì)每期原始觀測(cè)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(shì)。以2019年4月和6月觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，該時(shí)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(shí)間段內(nèi)回淤速度較其他時(shí)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(shí)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)。

5 結(jié) 論

綜合采用RTK配合測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量法、三維激光掃描測(cè)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(cè)量精度，為類似項(xiàng)目的開展提供參考。

通過對(duì)清淤工程進(jìn)行多次跟蹤測(cè)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(shí)間段的回淤量、回淤速率、回淤趨勢(shì)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(zhǎng)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(shì)。