富春江电厂坝下水底2012～2016年间地形变化分析

王健平，程 翔，郑淑倩

（1.国网新源水电有限公司富春江水力发电厂，浙江杭州，311504；2.浙江华东测绘地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

富春江电厂坝下水底2012～2016年间地形变化分析

王健平1，程 翔1，郑淑倩2

（1.国网新源水电有限公司富春江水力发电厂，浙江杭州，311504；2.浙江华东测绘地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

随着船闸扩建工程的开展，富春江电厂坝下水底地形变化显著，冲刷淤积量的计算精度直接影响了对水下地形变化的评估，甚至涉及对水利设施安全维护工作更好地把控。利用2012年、2016年富春江流域部分河段水下地形图为基础资料，分别建立数字高程模型并进行叠合分析，实现对泥沙输移的定量化和可视化。结果表明：2012～2016年间，流域冲刷区、淤积区所占比重相当；淤积量有212.78万m3，占整个区域的39.93%，主要分布在地势较高的岛屿以及坝址东岸船闸扩建工程区；水下则以泥沙冲刷为主要现象，冲刷量达296.23万m3，面积比例为52.58%。

水下地形；数字高程模型；冲刷淤积

0 引言

富春江扩建改造船闸布置在富春江电厂大坝下游右岸岸坡，是紧接原有船闸下闸首在其后新建一座标准IV级船闸，主要用于解决货物运输问题，以发挥水运的天然优势[1]。然而，随着船闸扩建，坝下河道的过水断面缩窄，导致水流速度加快，加剧了对左岸护坡的冲刷，势必影响流域水下地形的变化过程。同时，在船闸周而复始的开闭作用下，下游河床冲淤变化剧烈，淤滩及滩槽易位现象不可避免。如何快速准确获取水下冲刷淤积量是关键，其结果精度直接取决于测量技术手段的有效性以及计算方法的可靠性。

水下地形测量的基本工作可以分为定位和测深，其中定位包括平面定位和水位两部分[2]。传统测量通常采用光学定位并结合单波束测深，但两者存在一定的弊端，前者受距离限制，对观测者的视力和操作熟练度依赖较大，而且水下地形测量是在运动的载体上进行，定位精度不及陆地测量精度高，读数易出错。而单波束测深过程采用单点连续测量方法，沿测线上的测深数据十分密集，而在两测线之间没有数据，是一种非覆盖型测量[3]。若能引入GPS定位以及多种测深手段配合，一方面GPS技术具有全天候、全球覆盖、连续实时、高精度定位等特点，另一方面，条件许可的情况下，采用多波束测深技术可实现从原先的点、线状推展到面状，测量范围大、速度快且精度高。

水下冲淤分析的传统方法有地形断面法，该方法适用于拐弯较少、叉河较少的线形区域，结果精度直接取决于断面布设的密度，且在空间分析上有较大的局限性，在实际应用中存在计算精度不够高、空间分析能力差等弱点。利用GIS强大的空间分析和空间数据库功能，叠加对比不同时期的数字高程模型（DEM），可以有效解决水下地形冲淤演变、空间分布和计算结果可视化等问题，为科学合理地利用富春江流域、研究其变化规律提供重要技术保障。

1 研究区概况

富春江为钱塘江上游，新安江与兰江汇合后河段始称富春江，下起富阳，上至淳安县。本次研究范围为富春江电厂大坝至下游渡济大桥区段，全长约5.5 km（见图1线内范围）。富春江电厂大坝主坝坝型为混凝土重力坝，最大坝高47.7 m，坝顶长度554.4m，坝体工程量65万m3，以坝顶溢流为主要泄洪方式。大坝东侧为富春江船闸扩建工程，距下游杭州市约110 km，按IV级航道通航标准（通航500 t级船舶）规划建设。

图1 研究区示意图Fig.1 The study area

2 数据源及采集方法介绍

富春江电厂大坝至下游1.2 km处（图1浅色覆盖区）水位条件良好，水深大且分布均匀，故采用覆盖率高、细微地形反映较全面的多波束测深技术；大坝下游1.2 km至渡济大桥（图1深色覆盖区）受岛屿及高速公路的影响，水深分布不均，水位太低易导致多波束探头触碰到水底而造成损坏，因此，该区段采用单波束测深技术，并通过往返多次测量以达到精度要求；陆地堤坝部分则采用RTK野外编码法进行测量。图2显示了研究区2012年部分水下地形图。

图2 研究区2012年部分水下地形图Fig.2 The topographic map of 2012

表1列举了本次外业测量涉及到的主要仪器设备。其中，多波束测深系统工作平台由浙江华东测绘地理信息有限公司自主研发，其目的是解决大型船只无法进入内陆小流域及对在建水利水电工程进行作业的问题。整个工作平台包括漂浮平台和动力平台，前者由多波束测深探头、罗经、GPS定位装置、数据采集终端、浮标及连接支架组成（见图3），具有小型化、模块式可拆卸且稳定性好等特点，后者则采用了橡皮艇。两者间推动式分离连接设计，一方面将测深系统置于橡皮艇前方，有效避免了动力马达产生的水流对精度造成干扰，另一方面，大大降低了橡皮艇震动对漂浮平台产生的影响。

表1 主要测量设备说明Table 1 Introduction for the main measuring devices

3 冲刷淤积计算过程

3.1 点云数据预处理

综合各种测深技术采集的水下高程点密度往往较大，通常可达百万级，无法直接用于生成反映地形变化的数字高程模型（DEM）。如何从这些大数据中挖掘有效信息，在保证精度的前提下最大程度地稀释冗余点是关键。

图3 漂浮平台结构图Fig.3 Structure of the floating platform

拟对研究区范围按照规则格网进行划分，判断各高程点所在格网的索引号。在此基础上，以格网内的点为操作对象，并采用多线程并行处理技术，完成异常点剔除、冗余点稀释等过程。异常点剔除依托正态分布的原理，删除落在置信区间以外的异常概率显著上升的点。冗余点稀释要保证经处理后的点空间分布均匀且合理，因此，采用三维坐标（X，Y，Z）来标示各点，并依据空间矢量距离以及空间矢量夹角来判断各点间的相似性，在此基础上，对所有点进行分层，落在同一层的点相似性较大，可按一定稀释比例进行随机抽样，最终保留的点无论在平面上或是高程上均具有代表性，能够真实还原水下地形变化特征。

表2 数据输入格式说明Table 2 Introduction for data input

程序采用C#与MATLAB的混合编程，实现了自动化、流程化的点云数据预处理。经测试，400万点可在32 s内完成操作，满足高效率、高精度的要求。

3.2 水下地形三维模型的建立

水下地形通常采用不规则三角网（TIN）或DEM来表示，前者根据区域的有限个点集将区域划分为相等的三角面网络，后者则是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。

图4 点云数据预处理流程图Fig.4 Flow chart of data pre-processing

坝前淤积及坝后冲刷监测管理信息系统（以下简称系统）是浙江华东测绘地理信息有限公司开发的GIS软件，在水下地形数据加工、数据集中管理以及冲淤（库容）等重要信息提取方面有较大的应用价值。其中，水下地形构建模块提供了多种方法由高程点（等高线）生成TIN、DEM。TIN与DEM间的转换本质上是一个插值过程，系统支持线性插值和自然邻点插值，且方便用户自定义DEM的输出分辨率以满足后续分析的精度要求。对于以DEM形式提供的水下地形数据，在三维视图中可通过拉伸高程对比度与颜色渲染达到三维仿真的效果。

3.3 冲淤体积的计算及可视化

空间分析是系统的核心内容，包括体积面积计算、坡度坡向分析、剖面分析以及冲淤量计算等。冲淤量计算是通过对两期DEM叠加分析，快速准确地获取冲刷量、淤积量和冲刷淤积空间分布图。其依据的主要原理是对应像元求差（现有DEM-原有DEM），像元值为正表明泥沙淤积，反之，泥沙则被冲刷，整个库区的冲刷淤积量则分别由冲刷区、淤积区对应的高程差乘以各自所占面积得到，计算公式如下：

式中，∑ΔZ表示冲刷（淤积）区所有像元的高程差累加。

4 水下地形变化及原因分析

这里选用了研究区2012年、2016年的水下DEM数据，结果显示：该时段内富春江水电站冲刷区、淤积区所占比重相当，淤积量有212.78万m3，占整个区域的39.93%，主要分布在地势较高的岛屿以及坝址东岸船闸扩建工程区；水下则以泥沙冲刷为主要现象，冲刷量达296.23万m3，面积比例为52.58%；其余7.50%为地形不变区，集中在流域两侧的堤防和岸坡（如图6）。图5和表3统计了冲刷淤积区在各有效高程差范围的像元分布情况，大部分像元都落在区间（-1,0）和（0,1），像元数分别为54 808、51 476，占总数的29.14%和27.37%，另外，高程差在区间（-5,6）的像元比重达97.72%，几乎占据了整个研究区。

图5 冲刷淤积区像元分布图Fig.5 Statistics of the pixelof erosion and sedimentation area

表3 冲刷淤积区面积分布统计表Table 3 Statistics of the erosion and sedimentation area

5 结语

结合各种测深手段来获取水下地形，并利用GIS技术支持下的可视化方法来研究流域水下地形冲淤变化具有以下几方面的优越性。

（1）数据精度高。多波束测深系统是由单频测深系统发展而来的，从原先的点、线状推展到面状，具有测量范围大、速度快且精度高等优点。多波束工作平台的研制使其在内陆小流域及在建水利水电工程的应用成为可能。因此，在水位条件允许的情况下，尽量采用多波束测量，一方面避免为保证精度而须往返多次测量的重复劳动，另一方面，点密度足够大，确保了地形变化特征全部被采集到。

（2）数据预处理过程快速且结果可靠性高。随着计算机技术的发展，大部分算法都可以通过程序来实现，数据处理人员便可从繁琐的机械劳动中解脱出来，降低人工成本，提高工作效率，且最终保留的点空间分布均匀合理，能够如实地还原水下地形。

（3）结果可视化优势。可以便捷地建立水下地形三维模型、三维立体显示与渲染、冲淤量计算并进行空间分析等。 ■

[1]张公略，李君涛，吴世东.富春江船闸扩建改造后电站黑启动对下游航运安全影响分析[J].水道港口，2011，32(5)：341-345.

[2]段文义，任少华.钱塘江河口水下地形测量新技术应用发展[J].浙江水利科技，2013，41（2）：53-55.

[3]张伟.多波束测深系统在水下地形测量中的应用研究[D].中国地质大学（北京），2009.

作者邮箱：zheng_sq@ecidi.com

Analysis on change ofunderwatertopography ofsome parts of Fuchun riverfrom 2012 to 2016

by WANG Jian-ping,CHENG Xiang and ZHENG Shu-qian Fuchunjiang Hydropower Plant

As the reconstruction ofship lock,the underwater topography has changed significantly.Ob⁃taining high-precision deposition-erosion data is criticalas ithas a directeffecton safety and mainte⁃nance of water conservancy facilities.Based on the digital elevation model(DEM)established with un⁃derwater terrain data in 2012 and 2016,this paper has realized quantization and visualization of sedi⁃menttransport.The result shows thatthe proportion of deposition and erosion area is almost the same. The deposition is about2.127 8 million cubic meters,occupying 39.93%ofthe totalarea,mainly distrib⁃uted over the land areas.While sediment erosion is the major phenomena for underwater area.The amountreaches 2.962 3 million cubic meters,occupying 52.58%.

underwater topography;digitalelevation model;erosion and deposition

P229.1

B

1671-1092（2017）01-0055-06

2016-07-01

王健平（1964-），男，浙江富阳人，高级工程师，多年来从事水工和防汛管理工作。