雙頻識別聲納技術在長江河段護岸拋石水下監(jiān)測中的應用
——以南京大勝關水下拋石為例

陳智貴,陳小威,龔 浩,宋 力

(1.江蘇省水利科學研究院 材料結構研究室,江蘇 揚州 225002;2.江蘇九星建設工程有限公司,江蘇 宿遷 223800;3.江蘇熙利建設有限公司,南京 211100)

近年來,水下成像探測技術在國內外受到廣泛關注,相關技術在水下成像研究領域取得長足進步。但由于長江河段水域泥沙、水體懸浮物含量高,造成大部分水域水體可見度較低,目前廣泛適用于海洋領域的激光水下成像系統(tǒng)、微波電視成像系統(tǒng)等無法在渾濁的長江河段水域取得理想的效果[1]。而雙頻識別聲納系統(tǒng)(DIDSON)是一套基于聲學透鏡技術的成像系統(tǒng),DIDSON系統(tǒng)可以在水體渾濁及光線條件差的情況下實現(xiàn)高清晰成像,形成影像質量級的物體圖像。

本文采用雙頻識別聲納系統(tǒng),對長江南京河段護岸工程區(qū)域進行監(jiān)測,對于研究不同護岸工程型式的運行效果,正確認識河勢演變規(guī)律具有十分重要的意義。同時,對于正確總結長江南京河段護岸工程經驗教訓[2-3],為長江南京河段岸線治理工作提供技術服務及指導也具有重要意義。

1 雙頻識別聲納系統(tǒng)(DIDSON)簡介

傳統(tǒng)的水下結構檢查主要依靠潛水員潛入水下探摸檢查,但潛水員潛水探摸開展難度較大。如果探測面積較大,則費時費力,且無法進行全面探摸,并且水下工作危險性也較高,在水流湍急的流域更難以進行。DIDSON水下成像系統(tǒng)主要應用于水下地形及地貌、海洋生物研究、水下環(huán)境監(jiān)測等眾多領域,在水下成像可讀性、高分辨率及人機直觀性方面具有顯著優(yōu)勢,可實現(xiàn)水下結構物成像的高清晰化。當前,國內外DIDSON系統(tǒng)主要應用紅外線、可見光及激光等光譜波段,結合微電子光發(fā)射機理,由此推進的水下機器人探測技術得到顯著提高,如遙控航行器(ROV)及自主式水下航行器(AUV)等,廣泛應用于海洋開發(fā)各種領域。

鑒于水下成像技術的直觀性等特點,有學者將之運用到內陸水域水利工程檢查等方面,以期可以直觀看到水下構筑物的真實形態(tài),更好地對水工建筑物及水利工程進行管理。但由于國內水域的復雜性,如泥沙含量高、水體渾濁等,無線電波和光波等在水中傳播的距離很短,在海洋領域應用效果較好的光譜波段(包括可見光、紅外和激光等)水下成像系統(tǒng)無法得到預期效果[4]。

近年來,水下成像探測技術被廣泛應用于海洋環(huán)境、海洋工程、水下管道檢測等領域。在高頻率段,可簡易完成雙頻聲納探測目標成像;在低頻率段,因聲波傳播距離相對較遠,可充分利用聲波回納信號頻率譜特征,進行各類船只的音噪識別。聲波在水中衰減較小,在內河流域能一定程度克服水體渾濁度的影響,起到較好效果。因此,引進雙頻識別聲納系統(tǒng)(DIDSON)對長江南京河段水下護岸工程區(qū)域進行掃描,以觀察不同護岸工程的運行效果,該系統(tǒng)能較好地替代傳統(tǒng)潛水員潛水探摸,對水下結構物進行檢查。

2 雙頻識別聲納系統(tǒng)工作原理

DIDSON系統(tǒng)基本原理:利用回聲探測儀,發(fā)射不同能量、不同頻率的雙頻聲波,監(jiān)測不同范圍內水下目標控測物的形狀、大小、位置及形態(tài)特征。

雙頻識別聲納系統(tǒng)是一套基于聲學透鏡技術的成像系統(tǒng),又稱為水雷成像聲納。該系統(tǒng)類似于一臺水下聲學攝像機,可在水下形成清晰的物體圖像(相當于視頻質量),在可視條件差的渾濁水體環(huán)境條件下生成高品質質量圖像的效果。雙頻識別聲納圖像識別系統(tǒng)是當前為數不多采用發(fā)射聲頻替代可視鏡頭在渾濁水體監(jiān)測水下物體的高清成像聲納設備,其工作原理是基于聲學透鏡的成像系統(tǒng),可以自動調節(jié)焦距。

DIDSON最早由美國海軍進行研發(fā),主要應用于在渾濁的水體中實現(xiàn)搜尋水雷,是一種新型非接觸式探測設備,為了保障潛水員的安全,系統(tǒng)于1997年研發(fā)成功,又稱為水雷成像聲納(Limpet Mine Imaging Sonar,LIMIS)。2002年以后,Sound Metrics Corp公司將其商業(yè)化,并成功運用于民用領域。目前,已廣泛應用于水產漁業(yè)、水下結構、管道檢查、水體探測等方面。系統(tǒng)應用效果圖見圖1。

圖1 DIDSON雙頻識別聲納系統(tǒng)工作效果圖

由于系統(tǒng)采用聲納成像,所得圖像沒有顏色,只有明暗度。該系統(tǒng)具有不用接觸物體,對水體的渾濁度沒有要求,使用簡單,能實時得到所觀測物體的“視頻”畫面等優(yōu)點。DIDSON(300m型)雙頻識別聲吶主要工作參數見表1。

3 長江南京大勝關河段拋石區(qū)域概況

長江河段大勝關水下拋石實施區(qū)域位于梅子洲境內,長江梅子洲分汊河道段屬于順分汊河段,上源頭為下三山,下游至下關境內。主要區(qū)域自上游而下,分布于梅子州及梅子州下游潛州。長江主流線路從七壩過渡至大勝關右岸處,而后進入梅子州左汊,再經梅子州左側岸壁流入潛州左汊岸,同梅子州右汊水流相匯合后流入下游浦口段。該區(qū)域水下拋石雙頻識別聲納監(jiān)測區(qū)位置見圖2。

圖2 大勝關水下拋石多波束監(jiān)測區(qū)位置示意圖

4 拋石區(qū)域雙頻識別聲納測量成果

大勝關水下拋石區(qū)域雙頻識別聲納測量對選定區(qū)域進行全覆蓋掃描,系統(tǒng)采用高頻狀態(tài)、識別模式工作,掃描距離在5m以內,掃描成果見圖3。

圖3 大勝關水下拋石區(qū)域雙頻識別聲納掃描成果圖

由以上4幅雙頻識別聲納掃描成果圖可以看出,拋石底部區(qū)域大部分已陷入泥沙中,該區(qū)域拋石對于促淤起到了一定效果[5]。但大部分區(qū)域塊石經過水流的沖刷,均有不同程度的流失,直徑大的石塊相應保留較完好[6-7]。

5 水下拋石護岸型式運行效果分析

大勝關水下拋石區(qū)域位于南京河段梅子洲河段,為長江南京河段整治工程大勝關護岸防護工程組成部分,拋石施工于2005年12月開工,2006年5月完成所有拋石工作。大勝關岸段河寬較窄,修建橋梁等水下工程建筑物對河勢影響較大,南京長江三橋及高速鐵路橋的建設引起附近區(qū)域河床及橋墩處的一系列沖刷,目前長江三橋附近已出現(xiàn)45m沖刷坑。

長江河段大勝關區(qū)域為南京河段水下岸坡深槽發(fā)育最深、護堤灘地最狹長、岸坡坡比最陡之處。近年來,該岸段深槽發(fā)育明顯,2003年該岸段開始出現(xiàn)兩個-45m槽,槽總長約0.8km;2005年兩個槽并成一個,槽長約1km;2006年-45m槽增長至1.1km,并在上游新出現(xiàn)一個-45m沖刷坑;2007年-45m槽下游又新增3個-45m沖刷坑,-45m槽尾下延320m。

三橋下游至梅子洲入口處-5m河槽縮窄,左岸0m線淤積右移180～300m,-5m岸線右移200～250m。大勝關到梅子洲左汊-30m槽2006年連通,與2009年相比有所淤積,槽尾淤積上移140m。

三橋下游深槽拓展發(fā)育,-40和-45m深槽橫向發(fā)展,槽寬拓展。-45m深槽與2010年相比,槽寬增加約20m,現(xiàn)槽寬為65m;-40m深槽與2010年相比,槽寬增加約65m,現(xiàn)槽寬為180m。

根據以上分析,大勝關水下拋石護岸雙頻識別聲納監(jiān)測區(qū)域整體以淤積為主,局部護岸沖刷,在坡腳處沖刷較為劇烈。后期需加強觀測,防止沖刷破壞加劇。

6 結 語

長江河段整治工程施工環(huán)境復雜多變、施工難度大,長江河段的治理要有科學合理的前期規(guī)劃、設計,根據工程特點,合理選擇護岸的實施形式。施工過程中,要求建設、施工、監(jiān)理各方嚴格按照規(guī)范進行[8]。拋石施工過程中,必須對水位、水深及水流流速、實施前后的斷面等數據進行實時監(jiān)測,利用雙頻識別聲納系統(tǒng)監(jiān)測技術對水下拋石情況進行聲波攝像,并作為水下拋石防護應用效果分析的基礎資料,通過不斷地分析、總結,對施工方案及時做出有針對性的調整。