浅谈高新技术在水文勘测中的实用性

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三峡库区深水流量测验和异步测沙技术三峡水库自2003年开始蓄水,现已按145~175m调度运用,库区最大水深近200m,水文测验面临巨大困难,主要表现在仪器设备的测程不够,精度受大水深的影响。通过研制、引进新设备,解决了以下主要问题:(1)一般河道采用300~600kHzADCP即满足要求,但针对三峡水库坝前的大水深条件,首次引进了测深能力较强的低频ADCP(150kHz),配合星站GPS、GPS罗经,通过大量比测试验,成功实现了庙河水文站、坝前及库区各断面的流量和流场测验。(2)研制深水型自动绞关,成功解决了大水深的悬沙、床沙、干容重、水温梯度等采样与监测难题,提高了测验效率。(3)研究了异步测沙技术,通过研制软件可直接从ADCP流场数据中提取流速计算垂线含沙量及输沙率,解决了悬移质输沙率异步测验问题。H-ADCP自动流量监测新技术在三峡工程蓄水前,黄陵庙水文站流量报汛采用实测流量连时序法,平均每年需要150次实测流量,工作量巨大,因而先后探讨了连时序法、单值化方法(分段综合落差指数法)和水量平衡法等资料整编方法。三峡水库蓄水运用后,受三峡-葛州坝梯级调度影响,两坝间水位流量关系变得更加复杂,上述方法均不能满足流量报汛和资料整编要求。为此,引进了H-ADCP开展比测试验,主要解决了以下技术问题:(1)经调研,2003年在国内较早引进H-AD-CP(亦称水平式ADCP),开始了黄陵庙断面的在线流量监测试验。(2)试验取得一定效果后,先后建设了H-ADCP专用工作平台、数据传输线路、不间断电源、防雷设施及报汛网络等系统硬件。(3)开展比测试验研究,对H-ADCP在线监测数据(指标流速)进行报汛参数率定方法研究,并研制了后处理软件。该软件可根据实测流量实时自动修正参数,确保流量报汛成果的精度[22]。(4)研制自动报汛软件,通过互联网或卫星等通信网络,2007年7月1日成功实现了流量实时自动报汛,该站也是长江委水文局第一个正式实现自动流量报汛的测站。(5)开展了基于小波分析和BP神经网络的H-ADCP整编方法研究,取得了较好的效果[23]。(6)H-ADCP应用研究成果《声速多普勒流量测验关键技术开发研究》获2007年大禹水利科学技术二等奖。水文应急监测新技术(1)在2000年5月易贡巨型滑坡堰塞湖抢险监测中,不仅使用走航式ADCP准确测到入库流量,还对整个湖区进行了10余个断面和间距测量,从而计算出堰塞湖的库容曲线,为堰塞湖抢险救灾提供水文技术支撑[24]。其成果汇编《国际跨境河流典型山体滑坡(崩塌)堵江水文极值事件应急实验研究》获2006年度大禹水利科学技术三等奖。(2)在2008年5月12日四川汶川强烈地震后的绵阳、德阳等地区堰塞湖监测中,运用全站仪免棱镜测量技术快速完成了唐家山等堰塞体的形象测量,为抢险排险及时提供基础依据[25-26]。(3)2009年3~4月墨脱堰塞湖抢险监测中,运用3S技术及电波流速仪等,对堰塞湖的各种参数及时进行了监测,特别是采用GPS静态控制测量技术,在距离100多km、高差近2000多m的情况下,将平面和高程控制从林芝引测到了堰塞湖现场和墨脱县城,为抢险救灾提供了科学依据。蒸发气象与墒情自动监测宜昌蒸发站是长江流域乃至国内少有的大型蒸发试验场,于1984年正式投入运行,观测项目达10余个;2006年引进蒸发、气象自动监测系统;2007年又增加了土壤墒情监测。为保护蒸发场各类电子设备设施,2008年专门设计修建了防雷塔。经过多年应用,效果显着。泥沙测验及河床组成勘测新技术自葛洲坝工程开工以来,先后研发和引进应用过多种泥沙测验仪器,如同位素测沙仪、挖斗式采样器、近底层悬移质采样器、卵石及沙质推移质采样器等[27],近年来又引进了一批先进的测沙设备,取得了可喜成果[28]。(1)三峡水库蓄水后,为研究不同计算方法(输沙率法与体积法)产生的水库淤积量误差,2003~2005年重新设计制造了近底悬沙采样器,并在出库站———宜昌水文站应用中获得成功。(2)自2010年起,在庙河、黄陵庙、宜昌3个水文站,采用LISST-100X和浊度仪开展悬移质泥沙报汛,并对其结果进行了比测试验研究,取得了初步成果。(3)2011年在宜昌站开展了ADCP测沙试验工作。(4)目前在泥沙分析工作中,已广泛运用马尔文MS2000激光粒度仪,极大地提高了泥沙分析效率。(5)为开展三峡水库干容重测验,2003年研制了干容重采样器,目前仅能采取表层(一般在2m内),较大厚度的淤泥不适用,仍需继续研究。(6)2008~2011年,利用三峡集团公司引进的浅地层剖面仪,开展葛洲坝下游控制节点河床组成勘测调查,为研究控制节点的抗冲刷能力提供了基础资料。(7)利用三峡集团公司引进的泥浆密度仪,开展三峡水库淤积物勘测调查(2010~2011年),为研究水库淤积物干湿容重及其分布提供了基础资料。此外,将进一步开展使该设备用于悬移质含沙量监测的试验研究。水面流态(含波浪)观测新技术(1)1996~1997年,尝试应用GPS无静态初始化技术开展葛洲坝上游三江航道口门区及以上连接河段大流量(40000m3/s以上)实船航迹线观测,取得圆满成功。(2)2008~2009年应用先进的GPSRTK技术,开展三峡坝区上游隔流堤水流流态(亦称为“滑梁水”)观测;2010年,用于葛洲坝和三峡两坝间通航水流条件的流态观测;2004~2008年,用于葛洲坝下游胭脂坝护底区流态观测。(3)2003年应用海洋型波浪仪,成功开展了三峡工程三期围堰拆除暴破冲击波监测和2006年葛洲坝下游泄水横波监测,以及2010年葛洲坝与三峡两坝间峡谷段的波浪监测。上述水文、河道勘测科研成果汇编《葛洲坝下游控制性节点及护底试验效果研究》获得了2009年长江委科技进步二等奖。

河道勘测与测绘

GPS技术应用与创新1995年8月,引进了第一套GPS接收机———Trimble4000SSE。之后又先后引进了国外不同公司生产的各类GPS达50余台套。(1)为了适应三峡地区的特殊环境,探索出了GPS静态观测和快速静态观测相结合的控制测量方法。1997年,在全江率先发现并解决了DGPS延时问题,率先打破了传统人工观测方式,将DGPS应用于大比例尺水下地形测量,极大地提高了测绘作业效率。2006年,开展了TrimbleR3GPS小比例尺陆上地形测量试验研究,并成功地运用于中下游长程水道地形之陆上测量,取得较好的效果[29]。(2)应用GPS,开展了三峡移民界桩首级控制网(1996年)、三峡库区(涪陵以下)干支流控制网、向家坝至朱沱控制网等大量的控制测量(2011年);三峡水库蓄水区本底水道地形测量(2006年)及长江中下游长程水道地形测量(2006年)等大量地形测量、琼州海峡水下地形多波束扫测(2010年)、青海湖容积测量(2011年)等;宜昌水文站、黄陵庙水文站、庙河水文测验中用GPS代替常规测船定位;将GPS罗经数据接入ADCP系统开展水文测验,均取得丰富成果和成功经验。多波束测深系统及其应用2004年引进了SeaBat8101多波束测深系统,该系统能一次给出与航线相垂直平面内的几十个甚至上百个深度,从真正意义上实现了水下地形的面测量。(1)通过SeaBat8101多波束测深系统在大水深、高边坡及河床起伏变化急剧等复杂条件下的河道水下地形精密测绘的应用 可行性研究,探讨了利用单波束测深仪率定系统精度方法、软件处理数据方式、系统与Hypack软件、CARIS软件结合的耦合性,以及与GPSRTK技术相结合实施高精度无验潮水下地形测量的方式方法[30]。(2)该系统于2004年成功应用于天津海河口清淤效果检测,2005~2007年先后用于葛洲坝下游大江冲沙闸护岸大修水下测量、下游河床护底工程扩大生产试验水文泥沙监测以及下游河势调整工程的水文监测,2006~2008年涪陵-重庆段炸礁工程,2008年三峡坝前水下异物多波束安保监测,2009年三峡水库蓄水175m对水沙特性变化的影响监测研究,2010年葛洲坝上游二江发电厂前集装箱探测,2011年江苏如东黄海大桥及苏通大桥主桥墩每年两次多波束监测等[31]。(3)该系统的应用研究成果《SeaBat8101多波束测深系统开发与应用研究》于2009年获长江水利委员会青年科学技术一等奖。应用该系统完成的《长江葛洲坝水利枢纽下游河床护底工程扩大生产性试验水文泥沙监测》成果获2007年中国测绘学会优秀测绘工程奖银奖。青海湖及琼州海峡等水下地形测绘新技术2011年,水利普查项目之一———青海湖容积测量及琼州海峡跨海工程水下地形测量中,采用了多项测量新技术,解决了以下技术难题。(1)青海湖周长360km,东西长109km,南北宽约40km,面积约4340km2,是我国第一大咸水湖。青海湖沿湖边有GSM信号覆盖,但湖心区域及县界区GSM信号覆盖不理想。经研究,决定采用星站GPSRTK技术的一体化测量方案和有验潮测验方式,解决了青海湖容积的水深测量问题。(2)青海湖海心山水位站距最近陆地有25km,采用了青海省似大地水准面GPS高程拟合技术,解决了该水位站水尺零点高程接测难题。并采用中继站通讯技术解决了基准站差分信号的转发,扩大了其信号的覆盖范围[32-33]。(3)根据声速剖面仪监测及预测湖区某一区域的水温梯度和盐度变化,采用近似平均声速法改正技术,解决了青海湖水深测量精度问题。(4)测量期,常遇5~7级阵风和湖面高约1m的风浪,直接影响水深测量精度。采用波浪改正技术解决了青海湖容积测量中水深测量精度难题。(5)GPS差分测量可以非常精确地测定两点之间的相对高差,小区域范围内,高程异常值是一个常数,通过该高差便可反算出流动站GPS相位中心的高程,该高程同基准站具有相同的高程基准面。然而,大于50km(特别是海洋或近海水域)则要建立一个高程异常模型,通过建立琼州海峡跨海工程水下地形高程异常模型,解决了该项目420km2水下地形测量问题。测深技术及测深仪无纸化技术针对三峡河段复杂地形对测深精度的影响,曾组织专业技术人员开展回声测深仪的选型、测深技术和测深仪无纸化技术研究[34-35]。(1)测深仪无纸化技术是指测深回波模拟信号数字化,并通过计算机将数字化信号转换成图像方式储存,从而实现水下地形测量的无纸化。该技术从根本上解决了测深仪在打印回波模拟信号时可能产生的机械误差、打印延时响应误差、人工判读误差以及回声纸存放后产生的模糊效应误差等,从而较大地提高了水深测量精度,特别是通过计算机完成水深判读,从而使水深量校效率提高80%以上。(2)该技术在多个大型水下地形测量项目中得到成功运用并取得良好效益。(3)根据多年的试验研究经验,主编了《长江委水文局水深测量技术规程》(CSWH203-2011),并于2011年5月1日正式实施。测量机器人测量机器人是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪,也是现代多项高技术集成应用于测量仪器制造领域的最杰出代表。测量机器人通过CCD影像传感器和其他传感器对现实测量世界中的“目标”进行识别,迅速作出分析、判断与推理,实现自我控制,并自动完成照准、读数等操作,以完全代替人工操作。2011年3月,水文三峡局承担完成的三峡库区支流1:2000水道地形测量任务中,解决了大宁河等因山势陡峭无法收到GPS信号、也无法使用人工(经纬仪)观测手段收集地形资料的峡谷河段的水下地形测量问题。数字测绘技术数字化测绘系统是过渡到GIS系统的前端数据,EPSW98结合GPS应用于工程水文河道测量,极大地提高了水文勘测的自动化水平和测量质量。(1)1998年引进清华山维EPSW98电子测绘平台(数字化测绘系统),并成功应用于长江重要堤防工程测量。(2)该技术在2002年三峡导流明渠截流龙口形象监测、汶川地震和墨脱抢险应急水文监测中充分发挥了作用。(3)基于多年的应用研究,主编了《长江委水文局水道数字测绘技术指南》(编号:CSWH202-2011),并已于2011年5月1日正式实施。

水文泥沙分析及预测预报研究

一维水沙运动数学模型为了得到结合短期水雨情和水库调度信息的水库泥沙预报,以指导水库泥沙实时调度,通过研究,建立了基于水雨情预报及水库调度信息的三峡水库短期泥沙预报模型,即以短期水雨情预报和水库调度信息为边界条件、适用于三峡库区的一维水沙数学模型[36]。利用2006~2007年三峡工程库区清溪场、万县和坝前的水文资料对模型进行了率定,率定的模型分析了2007年7月洪水过程的库区泥沙运动情况。模型模拟结果与实测成果的对比分析表明:模型在库区沿程水力要素、悬移质含沙量及水库淤积量的模拟方面具有一定的精度。改变了过去水库泥沙预报均基于历史水文资料的中长期预报方法。该技术已于2011年正式用于三峡水库泥沙作业预报和水库淤积计算预测,并取得了一定效果。一、二维嵌套水流数学模型在水文泥沙科研中,除重点应用《长江水文泥沙信息分析管理系统》(简称GEO)外,还引进开发了一、二维嵌套水流数学模型,先后应用于防洪影响评价计算、葛洲坝下游护底工程影响及工程措施效果分析计算、下游节点演变对宜昌水位的影响计算、设计洪水位及枯水位水面线推算等,均取得丰富成果(2006~2011年)[37-38]。水情自动测报技术(1)早在1983年就建立了葛洲坝坝区水位遥测系统,但因设备运行成本高未能坚持下去,这也为水文自动测报系统建设积累了经验和教训。(2)1996年引进SSA1-1型(气介式)声学水位计,开展水位自动测报比测试验。三峡工程大江截流后,1998年建立了计算机局域网及网站,并建立了超短波(无线数传)、GSM、北斗卫星、电话等信息传输通道,为水情自动报汛等提供了重要支撑。(3)经过近几年的努力,已建立3个水文站,38个水位站(含8个基本水位站、30个一般水位站),除葛洲坝下游6个人工观测站正在建设自记设施设备外,其余均已实现水位自记,自记率达80%以上(含共建共管自动监测站);全部报汛站均实现自动收发报。

结语

在长江三峡河段进行水文勘测,无论是天然时期,或是工程建设时期,以及工程运行时期,都面临急、难、险、重的任务,伴随的是各类风险,如果没有可靠的技术手段,不仅质量、工期不能保证,安全风险也会增大。因此,新技术应用与创新促进了三峡水文勘测研究的发展。通过引进、吸收、开发、革新,将高新技术应用于水文勘测研究,为长江防洪、河道整治、工程建设提供了可靠的水文专业服务,同时也引领着水文生产服务朝着高科技、自动化、信息化、优质高效的方向发展