浅谈陈行水库安全管理之外侧滩面动态监测

裘一鸣

（上海城投原水有限公司,上海,200949）

0 前言

水库作为一项关键基础设施，对国家的发展以及社会的安稳有着非常关键的意义，根据水利部的明确要求，各水利部门应高度重视水库安全管理，牢固树立以人为本、生命至上、安全发展的理念，把确保水库安全作为各项工作的重中之重[1-2]。

陈行水库始建于1990年,兼具避咸蓄淡、避污蓄清双重功能，是上海最早的民用水库，也开创了上海原水“两江并举”的先河。陈行水库位于长江下游罗泾段，其位置如图1所示，是典型的边滩水库，故而水库大堤长期受长江径流动力影响，临江一侧滩面水动力条件强劲且十分复杂。为了关注水库运行期大堤临江侧的滩势变化情况，及时掌握可能出现的危及水库大堤安全的风险，开展水库临江侧滩面水下地形的动态监测就显得非常必要。

水下地形动态监测通常采用整体地形测量与固定断面测量结合的方式[3]。整体地形能全面反映水库大堤临江侧滩面地形的总体特征，但由于其测量费用相对较高且滩面地形在短时间内变化不会太大，故一般其观测频率较低；固定断面只反映地形的局部特征，通常布设在地形变化复杂且对大堤安全影响较大的重点监测位置，由于其测量费用相对较低，可采取较高频率进行观测。

图1 上海陈行水库位置示意图Fig.1 Location of the Chenhang reservoir

对两种动态监测成果采取合理有效、可视化的数据处理方法，使两种数据直观地展现水库大堤临江侧水下地形整体及局部的冲淤变化情况，通过河势滩势分析，发现险情及时报警，可以确保水库大堤安全，实现水库安全管理专业检测的目的。

1 水下地形测绘原理

水下地形测绘包含平面位置定位和水深测量两部分内容。采用GPS-RTK进行平面位置坐标以及实时水面高程采集，采用回声测深仪进行实时水深测量。平面定位中心与水深测量中心需在同一位置，通常是将GPS天线头与测深仪换能器的连接杆绑在一起来保证位置一致性。GPS-RTK数据与测深数据通过UTC时间进行匹配以获取水下地形点坐标及高程，测量结果按主测线与检查线的重合点水深比作为测量精度指标。

GPS-RTK（GPS Real Time Kinematic）测量技术是一种高精度实时动态载波相位差分定位技术[4]，RTK分为常规RTK与网络RTK两种。常规RTK系统主要由三部分组成：参考站（基准站）、流动站以及播发差分数据的基准站电台。它的原理是将基准站采集的载波相位或者载波相位的修正值以电磁波的形式由电台发送给移动站，移动站接收到基准站信号后进行求差，或者改正流动站接收到载波相位进而解算位置坐标（X,Y,Z）。网络RTK也称多基准站RTK，其定位的基本原理是利用地面布设的多个基准站组成GPS连续运行网络，综合利用各个基站的观测信息，通过建立精确的误差修正模型，实时发送RTCM差分改正数给流动用户来进行修正以获得精确的结果[4]，文中部分数据采用上海CORS网络进行采集。

回声测深仪是利用声波反射的信息来测量水深的仪器，回声测深仪的工作原理是根据超声波能在均匀介质中匀速直线传播，遇不同介质面产生反射的原理设计而成[5]。进行水深测量时，将测深仪的换能器安置于水面以下一定位置，使换能器吃水保持在30～50 cm。进行水深测量前采用声速剖面仪定时测定声速，并将测定的声速设定至测深仪中。测深仪向水下地形发射超声波信号并接收地形反射回来的信号，通过发射到接收的时间间隔以及已测定的声速即可计算换能器至水下地形的深度，再量取换能器的吃水深度以及由RTK实测采集的水面高程，即可计算出水底地形的高程值。

此外，在平面定位与水深测量匹配时应考虑延时改正以及测量船的姿态改正，提高测量精度。

2 局部河势动态监测

陈行水库大堤临江侧滩面整体水下地形测量范围为水库大堤往长江一侧延伸，监测频次为2～3年一次。图2为动态监测开展以来其中一次所测地形色谱图。由图可知该区域水下地形的高程分布，非常直观地反映了水库大堤临江侧滩面地形的起伏变化状况。

图2 陈行水库外侧水下整体地形色谱图Fig.2 Chromatogram of underwater topography outside Chen⁃hang reservoir

将相邻两期的水下地形测量数据按高程方向进行差值运算，将所得结果形成两次测量地形冲淤状况分布，见图3。图中蓝色（负值）表示冲刷，红色（正值）表示淤积，非常清楚地表达了冲刷最严重的区域及冲刷深度。根据该图可分析得出，陈行水库外侧滩面表现为既有冲刷也有淤积，且总体变化较小。具体来看，陈行水库取水口以内、以上浅滩表现为略有冲刷，冲深幅度大多在0.2 m以内；取水口以内、以下浅滩表现为略有淤积，淤厚大多在0.5 m以内；取水口附近自上而下表现为淤积，大多淤厚在0.5 m以内，陈行水库下游码头局部淤厚在1～2.0 m；取水口以外-8～-11 m滩面冲淤相间，除下游码头外侧局部冲刷深度超过1.0 m以外，总体变化较小；-11 m以外滩面表现为淤积，淤积厚度在0.5 m左右。

图3 陈行水库外侧相邻两期水下地形测量冲淤分布图Fig.3 Comparison of sediment distribution in the two adjacent underwater topography measurement results

3 固定断面动态监测

对于监测频次较高的固定断面观测数据，目前工程上用的一些断面成图软件侧重于单期测量数据的处理，针对动态跟踪测量所得的多期观测数据，无法通过这样的软件进行数据入库管理、叠加比较。笔者采用AutoCAD平台上二次开发的固定断面数据处理插件，该软件可将每一期数据按自定义格式导入数据库，并能根据需求进行检索，从而得到任意多期断面的叠加和任意两期断面的冲淤对比与统计。

笔者使用该软件对陈行水库动态监测固定断面数据进行了处理，主要处理方法有任意多期断面叠加（见图4）、任意两期断面冲淤对比统计（见图5）。图4通过不同时间段所观测的固定断面直观表达了该断面在观测期间的变化情况。图5中红色（深色）填充表示淤积，绿色（浅色）填充表示冲刷，根据该图，可清楚识别该断面冲刷/淤积的位置及程度，断面图在下端以表格的形式列出该断面最大冲刷量、冲刷长度、平均冲刷量、最大淤积量、最大淤积长度、平均淤积量等统计数据。

图4 陈行水库外侧任意多期断面测量数据叠加图Fig.4 Superposed section data of many times measurements of underwater topography outside

图5 陈行水库外侧任意两期断面冲淤分析统计图Fig.5 Analysis on sediment distribution in the two underwater topography measurement results

4 结语

陈行水库的安全管理包含运行管理、日常巡视、防台防汛、专业检测等多个方面，外侧滩面的动态监测乃是水库专业检测中一个重要的组成部分。通过开展水库大堤临江侧滩面地形动态监测，采用GPS-RTK技术与回声测深仪结合进行水下地形测量，并进行合理、可视化的测量数据处理，直观、定量地反映临江侧滩面地形整体冲淤情况以及局部重点断面的冲淤状况、变化趋势等，进而通过河势滩势分析掌握滩面地形的变化对大堤安全产生的影响，为水库的安全管理提供强有力的理论依据和技术保障，为水库长期、可靠运行奠定了基础，同时也对同类型水库的安全管理工作起到了一定的借鉴意义。