多波束在富春江水库库容测量中的应用

余鸿慧 陈敏 谷松立

水库库容和淤积测量实质是通过测量不同时间的水库区域水下和陆上地形，计算分析出水库区域水下和陆上地形变化情况，进而得出水库库容和淤积变化情况。由于水库位于山区，地形起伏大，区域辽阔，常规地基地形测量技术难以展开，尤其对于水下地形部分，需要专业的集测深、导航、数据处理于一体的综合水下地形测量系统进行。从而，相对于常规的测量技术，水库库容和淤积测量具有专业性更强、技术要求更高的特点。本文采用基于CORS的多波束测深系统对富春江水库坝前至三江口段的水下地形进行了自动化扫测，获取了高精度的水下地形数据，为实现库容计算提供了准确可靠的数据来源，取得了良好的应用效果。

一、富春江水库基本情况

富春江水力发电厂地处浙江省桐庐县境内，位于钱塘江中游富春江七里泷峡谷出口处，上游距新安江水力发电厂约60km，下游距浙江省省会杭州市110km。富春江水力发电厂始建于1958年8月，1962年春停工缓建，1965年10月复工续建，1968年12月25日第一台机组发电。电站边基建、边生产，1977年4月15日最后一台机组投产。电站控制流域面积31645km2，占钱塘江流域总面积的64.73%。水库正常高水位23m，相应库面积56 km2，库容4.4亿m3，为日调节水库。

电站建成后，通过合理的调度，最大限度地发挥了日调节水库的调节功能，拦洪错峰，减轻了下游洪灾；淡水顶潮，改善了下游城市的供水质量，取得了明显的社会效益。但是，至目前为止，富春江水力发电厂水库经过了多年的运行，库容和库区淤积情况也已多年未测，不甚明晰。因此，为了使得水库调度方案能够更加切合库容实际，以提高水库的发电经济效益以及确保水库和大坝的安全运行，水库库容和库区淤积情况亟待测量查明。

二、基于CORS的回声测深控制方法

1. CORS定位技术

CORS定位的基本思想是利用流动站周围的基准站观测数据和已知坐标，计算流动站处的误差改正数，解决RTK定位中流动站离基准站距离较远情况下，差分观测值中对流层、电离层的误差残余大，无法实现精确定位的问题。整个系统由参考站网、数据处理中心、数据通信链路和用户四个部分组成，是CORS系统中为用户提供实时高精度动态定位服务的系统组成部分，见图1。

图1 CORS系统构成图

2.回声测深技术

回声测深仪是水下地形测量中最广泛使用的测深设备，数据获取的效率要远远高出使用测深铅垂和测深杆的效率，见图2。

图2 回声测深仪原理

回声测深仪主要由发射机、接收机、发射换能器、接受换能器、显示设备、电源等部分组成。安装在船舷或固定安装在船底的发射机换能器，在沿测深线航行中，向水下发射一定频率的声波脉冲，以速度C在水中传播到水底，经过反射或者散射返回，被接收机换能器接收。并且声波在水中的传播速度为C。声波在水中传播的时间t可以通过测深仪中的电子设备测得。根据时间t和声波在水中的传播速度C即可得出换能器至水底的距离，进而加上换能器至水面的距离即为水深。

3. CORS-回声测深联合自动化测深技术

该技术主要由CORS定位技术和回声测深技术两部分组合而成，水下点位的平面位置由CORS获得，而高程信息由CORS和回声测深技术联合获得。工作原理见图3。

图3 CORS-回声测深联合自动化测深技术

虽然CORS系统能够实现大范围覆盖，但是在一定程度上尤其是山区，其精度、可靠性、准确性并非均匀分布，与地理位置、气象条件有一定关系。因此，为了保证库区淤积测量的有效，需要进行库区CORS系统可靠性研究，主要包括CORS系统通讯信号强度测试、CORS系统定位精度、CORS系统与GNSS静态控制网和传统控制网的比较分析。

三、多波束水下测深系统

1.多波束水下测深系统原理

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向水底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出水下地形的三维特征。

2.多波束水下测深系统组成

一套完整的多波束测深系统通常由多波束声学系统、外围辅助传感器、数据处理软件三部分组成。多波束声学系统主要包含换能器、声纳处理系统及显示系统；外围辅助传感器包含有GPS、罗经、表面声速仪、声速剖面仪以及姿态传感器；数据处理软件主要有导航采集软件和后处理软件，系统组成详见图4。

图4 多波束测深系统组成

主要设备技术参数：

（1）换能器，型号EM2040C（双探头），频率200～400kHz可调，步距10Hz；最大测深490m；水深分辨率≤18mm；最大波束覆盖宽度200°；波束数目800个；最大输出频率50Hz；实时橫摇、纵摇、艏摇稳定：橫摇稳定±15°，纵摇稳定±10°，艏摇稳定±10°；换能器耐压深度：50m；重量22.9kg。

（2）光纤罗经，航向动态精度±0.1°；航向静态精度±0.1°；航向重复精度±0.025°；航向分辨率0.01°；航向稳定时间＜ 3min。

（3）运动传感器，升沉精度5cm或者5%；升沉分辨率1cm；升沉周期0.03-30s；纵摇/横摇精度0.01°；量程无限制。

（4）声速剖面仪，量程1400～1550 m/s；响应时间＜ 1 ms；精度0.05 m/s；分辨率0.015 m/s；温度范围-2～+32℃。

（5）GPS，采用RTK实时差分定位技术，平面定位精度±10mm+1ppm，高程定位精度±20mm+1ppm。

四、实例应用

1.富春江水库水下地形测量

富春江水库的水下地形测量采用3中的多波束测深系统，多波束测深系统由多个部分组成，测量前要完成系统组装、参数校准、软硬件调试等一系列复杂准备工作，因不是本文主要内容在此不赘述。本次测量区域为坝前至三江口段，多波束扫测过程中按照先近岸后中间、先主流后支流的顺序进行至待测区全覆盖，保证相邻两测线间有有至少20%的重叠度，符合规范要求，具体测量作业流程如图5所示。

图5 多波束水下地形测量作业流程

2.库容计算

利用多波束完成库区水下地形测量后得到的成果数据为包含X、Y、Z坐标的文本文件，将点文件导入ArcGIS软件，利用软件中的表面体积功能可快速实现任意水位库容量的计算，经过多次计算，可以得到不同高程对应的库容，进而绘制富春江实测区域库容曲线，计算结果如图6所示。

图6 计算库容曲线

五、结语

本文结合富春江水力发电厂大坝库区淤积测量实际，研究基于CORS系统的集自动精确导航、自动水下地形测量、水下地形数据处理的综合性库区淤积测量技术体系，主要研究内容为基于CORS系统的复杂地理气象条件下的库区水下地形信息获取技术研究。该技术体系的研究不仅能够彻底改变当前库区淤积测量和库容计算分析的低精度、低效率、低可靠性、人工程度高的现状，而且对于库区淤积测量和水下地形测量技术的发展也会具有较大的推动作用。

该技术仅需CORS系统和移动通讯信号双重覆盖即可实施，而目前我国大部分地区已经实现了CORS系统和移动通讯信号双重覆盖（浙江CORS系统已经投入运行多年，系统稳定可靠，移动通讯信号也早已覆盖全省，所以富春江水力发电厂库区完全具备该条件），对于该技术的实施具有较好的应用条件。同时，该技术实施效率高，精度有良，所需人力、物力极小，极为适合各种库区的水下地形和淤积测量。因此技术成果应用区域较为广泛，也易于推广。