多波束测深系统在水利工程中的应用

摘 要：介绍多波束测深系统工作原理，其在水利工程建设及后期运行中的应用，探讨影响其测量精度的主要因素及改善措施，展望其未来发展。

关键词：多波束测深；水利工程；水下地形测量

水力发电作为一种可再生、无污染的清洁能源被广泛开发利用，人们兴建水利工程可满足防洪、排涝、供水、发电、航运、旅游等多方面的需求，从而有效抵御洪涝旱灾、促进当地社会、经济、工农业生产全面发展、保护水土资源和改善生B环境。但是，水利工程的兴建，人为改变了河流原来的发展演变规律，从而对河流的水文形势，河流生态等产生各种持续而深远的影响。[1，2]

1 多波束测深系统组成及工作原理

多波束测深系统是一个比较复杂的组合设备，系统本身由发射接收换能器、信号控制处理器、运动传感器等组成，还需配备罗盘，姿态仪，定位GPS，数据采集和存储计算机，并且一般需要安装在导航船上工作。多波束测深系统的工作原理和单波束回声测深仪基本相同，即测量每个波束声波信号的旅行时间和反射角度，结合定位数据、测量船的姿态数据、声速数据来计算每个波束测得的水深。[3]

2 多波束测深系统在水利建设中的应用

分析、了解、评价和解决水利工程建设对河流的影响，从而实现水利工程与河流流域的协调发展，促进社会可持续发展。水下地形测深系统是了解、掌握河流水下地形变化，解决水利工程修建带来的不利影响的有效工具之一。目前，利用多波束测深系统测量水下地形已成为普遍采用的重要手段，国内外运用多波束测深系统进行水下地形的测量的原理和方法均已成熟。

2.1 水库淤积及冲刷测量

我国的大江大河大多泥沙含量较大，在河流上修建水库，导致河流水位提升，流速降低，必然造成泥沙淤积[4]，而在水库下游，由于发电尾水及汛期泄洪的冲刷，对河床及河底都会造成一定程度的改变，威胁着水库的运行安全和效率。利用多波束测深系统，监测水下地形的变化，可为水库上游的清淤工程及水库下游的河床保护提供更为准确的数据信息，节省成本，提高工作效率。张壮志[5]利用多波束测深系统完成葛洲坝水电站上游导沙坎前区域清淤前后的水下地形测量，从而全面反映清淤前后水下地形的变化情况及对清淤工作量进行精确计算和统计。

2.2 航道水下地形测量

航运作为交通运输的重要途径之一，随着水利工程的修建，极大地改变了河道原有的水位变化，包括水流形态，冲淤方式改变等，水库上游水位上升，原有急流险滩可随着水位抬高而被淹没，航道水深增加，航道等级提高，而下游水量减少，水流形势发生较大改变，下游的航运能力降低，从而对整个河段的航运造成一定程度的改变[6]。这些变化极大地增加了航道运行的安全隐患，及时，准确的掌握这些变化，并作对应的调整可有效降低安全风险，利用多波束测深系统可以准确清晰的了解、掌握水下地形，对水深，水下暗礁，浅滩等影响航运的因素准确掌握，提高航运安全。

张从奎[7]运用SEABAT 8101多波束测深系统在三角碛河段卵石沙波运动观测中对一段航道试验段做了2次重复水深测量，测量结果的分析表明，多波束测量的水深资料可反映水下微地形和分析局部沉积物运移趋势，且具有传统单波束测深不可比拟的优势；付伟[1，8]利用RESON SeaBat 7125多波束测深系统对丹东大东港航道进行水下地形测量并与单波束测量的水深数据进行比较，其应用于航道测量是可行的，其测深精度完全可以满足航道管理和航标维护的要求。

2.3 水流场模拟

水利工程的修建，改变了原来河流的生态环境，尤其是水流流速的改变，导致部分水生生物的生存环境发生巨大改变，为了了解生态环境改变对水生生物的影响，降低其对水生生物的影响[1]，模拟水流流速改变十分必要。获取水下地形数据则是进行模拟的前提，利用多波束测深系统，可以快速、高效获得准确的水下地形数据。莫伟均利用EchoSweep300多波束测深系统获得北盘江支流打帮河的部分河段水下地形数据，导入FLOW3D得到三维实体河道模型，结合走航式声学多普勒流速仪（ADCP），最后利用FLOW3D数值模拟，得到了打帮河生境下鱼类对流速的适宜性曲线。

3 影响多波束测深系统测量精度的因素及改善措施

根据国内外研究状况，结合多波束测深系统实际操作应用，笔者发现所获得的水下地形地形测量的精度和质量会受到多种因素的影响，影响多波束测量质量和精度的主要因素如下[9，10]。

3.1 设备因素

多波束测深系统是组合设备，每一个仪器的本身精度和系统安装精度都会对最终的成果精度造成一定的影响。

由于多波束换能器安装在导航船上，这很容易导致仪器实际位置不可能完全水平，同时在测量过程中受风、涌、波浪等因素影响，换能器与真实水平面总会存在夹角，我们通常把换能器与船只水平面纵向的夹角称为纵摇偏差，换能器与船只水平面垂直方向的夹角为横摇偏差。每一个横摇角与纵摇角都包含一个动态分量和静态分量。

动态分量可以通过姿态仪予以校正；静态分量是由于设备安装在导航船造成的，称之为横摇偏角和纵摇偏角。罗经安装的指向与船艏指向可能存在偏差，我们称这个偏差叫艏向偏差；由于定位系统与测深系统不同步，使测深点产生位移，导致测得的河底地形发生变形，这种效应通常称为定位时延误差。

对于这些影响因素，通常在条件允许下选用更加精准的定位仪器，而仪器安装时产生的横摇偏差，纵摇偏差，定位时延误差及艏向偏差，需要在实地测量前，选择合适的已知地形进行外业数据采集和内业数据计算的校准步骤，有效提高测量精度。

3.2 环境因素

多波束测深系统在实地测量过程中，受到当地环境影响，也会对测量精度产生一定的不利影响，主要因素有水面的风速，浪涌，船速，水下地形的复杂程度等，而且它们之间是相互关联，通常影响导航船的稳定包括水面风速过大引起浪涌较大、船速过快，导致接收的回波信号减少包括水下地形的复杂程度、船速过快。为减少这些环境因素带来的不利影响，在实地测量时，通常会选择在天气良好，风浪较小时间段，保持船体平稳慢速行驶，适当增加测量回次从而尽量提高测量精度。

4 应用展望

水下地形测量技术受益于电子技术、计算机技术和材料工艺技术等高新技术的高速发展。多波束测深是在20世纪70年代在单波束测深仪的基础上发展起来的，从单点测量改变成线式测量，并可以得到三维立体图，使水下地形测量技术发展到新的高度。多波束测深系统是一种有着高分辨率，高稳定性，全覆盖的水下地形设备，能更快更精准的绘制水下地形，大大减少了用户测量时间与成本，是当今水深测量和水底地形勘测最先进的测量设备，必将成为水下地形测量主要工具之一[11，12]。

参考文献

[1]李蓉，郑垂勇，马骏，等.水利工程建设对生态环境的影响综述[J].水利经济，2009.

[2]具杏祥，苏学灵.水利工程建设对水生态环境系统影响分析[J].中国农村水利水电，2008.

[3]丁继胜，周兴华，刘忠臣，等.多波束测深声纳系统的工作原理[J].海洋测绘，1999（03）：15-22.

[4]韩其为，杨小庆.我国水库泥沙淤积研究综述[J].中国水利水电科学研究院学报，2003（03）：5-14.

[5]张壮志，刘畅快.多波束测深系统在葛洲坝导沙底坎清淤中的应用[J].大坝与安全，2011（06）：13-16.

[6]曹民雄，庞雪松，刘兆衡.水电枢纽建设对航道影响的表现及对策[J].水运工程，2011（10）：76-77.

[7]张从奎，蒋方强，陈宏乾.多波束测深系统在内河航道测量中的运用[J].中国水运（上半月），2014（4）：40-42.

[8]付伟.多波束测深系统在大东港航道测量中的应用[J].科技与企业，2014（12）：263.

[9]李家彪，郑玉龙，王小波，等.多波束测深及影响精度的主要因素[J].海洋测绘，2001（1）：26-32.

[10]李伟，赖陪伟.影响多波束测量精度与质量的因素分析与措施[C].中国浙江：2008.

[11]刘经南，赵建虎.多波束测深系统的现状和发展趋势[J].海洋测绘，2002（05）：3-6.

[12]原大为，宿良君，周开元.水下地形测量的发展趋势概述[J].黑龙江水利科技，2005（01）：26.