明渠截流水文監(jiān)測中的高新技術(shù)及應(yīng)用

1、明渠截流水文監(jiān)測中的高新技術(shù)及應(yīng)用摘要：三峽工程明渠截流具有截流落差大、流量大等特點。截流水文監(jiān)測過程中，運用網(wǎng)絡(luò)、GPS、ADP等多項水文監(jiān)測高新技術(shù)，搜集了大量實時水文資料，為施工指揮、決策、設(shè)計等提供了根據(jù)。關(guān)鍵詞：水文監(jiān)測高新技術(shù)明渠截流三峽工程長江1前言長江三峽工程導(dǎo)流明渠截流具有截流落差高、流速流量大、截流總能量高、施工強度高等特點，影響因素眾多，技術(shù)問題復(fù)雜。截流戧堤落差、堤頭流速分布、戧堤形象、導(dǎo)流底孔分流比等水文信息對指導(dǎo)截流施工起著重要的支持作用。截流施工現(xiàn)場作業(yè)面較小，明渠內(nèi)流態(tài)紊亂，封航前必須保證通航等原因使許多常規(guī)方法的水文測驗無法實現(xiàn)。運用有線和無線網(wǎng)絡(luò)、多波束測深

2、和前視聲吶系統(tǒng)、全球定位流量測量系統(tǒng)、激光全站儀、電波流速儀等高新技術(shù)和方法，及時準確地搜集了大量流速、流量、水位、戧堤形象等實時資料，實現(xiàn)了信息的采集和發(fā)布自動化，防止了常規(guī)測驗方法的缺點，確保了平安。截流過程中搜集到的大量水文實測信息對指導(dǎo)截流施工起到了重要的作用。2網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用三峽工程明渠截流水文信息處理數(shù)據(jù)量大，時間要求緊迫，假如按照常規(guī)方法處理，不可能滿足工作需要。明渠截流期間，水文氣象信息處理中心以下簡稱中心負責(zé)水位、流量、流速分布、導(dǎo)流底孔與壩址的分流比、固定斷面監(jiān)測、水面流速流向等數(shù)據(jù)的搜集、分析、計算、整理、歸檔，并向截流決策部門、施工單位發(fā)布水文信息。利用現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

3、和信息處理技術(shù)建立現(xiàn)代化的信息效勞系統(tǒng)，實現(xiàn)從信息采集到基于eb的實時發(fā)布，是明渠截流對水文信息處理工作的要求。2.1網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境三峽工程明渠截流水文氣象信息網(wǎng)絡(luò)，包括中心局域網(wǎng)、中心與長江三峽工程開發(fā)總公司以下簡稱公司網(wǎng)連接、公司網(wǎng)與長江水利委員會水文局簡稱水文局網(wǎng)連接。中心局域網(wǎng)包括1臺效勞器、7臺微機、6臺筆記本計算機、2臺打印機，用雙絞線連接到交換機。這臺效勞器兼EB效勞器、數(shù)據(jù)庫效勞器和撥號效勞器。5條 線路接調(diào)制解調(diào)器，用于客戶撥號訪問中心的網(wǎng)絡(luò)。在其中的一臺計算機上連接水位自記儀和無線數(shù)據(jù)傳輸電臺。各外業(yè)站點裝備計算機，其數(shù)據(jù)通過Internet、無線數(shù)據(jù)傳輸電臺、或無線對講機傳

4、到中心。在中心的效勞器上安裝雙網(wǎng)卡，一塊用于連接中心局域網(wǎng)，另一塊用于與公司網(wǎng)互聯(lián)。與公司網(wǎng)聯(lián)接的網(wǎng)卡通過公司網(wǎng)分配的IP地址、網(wǎng)關(guān)聯(lián)到公司網(wǎng)、上互聯(lián)網(wǎng)。該IP地址由公司的域名效勞器解析，公司用戶用域名即可訪問到中心的網(wǎng)站。2.2網(wǎng)絡(luò)軟件環(huán)境中心的效勞器采用inds2000Server網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)?？蛻魴C及外業(yè)站點微機的操作系統(tǒng)為inds98/inds2000。外業(yè)站點與中心無線數(shù)據(jù)傳輸采用自行開發(fā)的通訊軟件，或用電子郵件發(fā)送數(shù)據(jù)到中心。數(shù)據(jù)處理中心用自行開發(fā)的一系列軟件建數(shù)據(jù)庫、計算、分析、處理數(shù)據(jù)。在公司網(wǎng)上使用LtusNtes中文版網(wǎng)絡(luò)軟件。2.3網(wǎng)站建立與維護制作了三峽水文氣象信息網(wǎng)，

5、包括水文監(jiān)測、壩址水情、龍口預(yù)報、氣象信息、水文計算、上游水情等主要欄目。2.4數(shù)據(jù)搜集、處理各外業(yè)站點的測驗數(shù)據(jù)通過無線對講機、無線數(shù)據(jù)傳輸電臺、Internet郵件等傳入數(shù)據(jù)處理中心。從外業(yè)站點發(fā)回數(shù)據(jù)處理中心的各種信息，全部存放在計算機硬盤上。由于采用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，整個系統(tǒng)的硬件、軟件及數(shù)據(jù)資源都能共享，這樣，數(shù)據(jù)處理中心工作人員就可互相協(xié)同工作，減小了各種數(shù)據(jù)在中心的滯留時間。數(shù)據(jù)處理中心工作人員，每收到一類信息，立即將其進展分析、計算、整理、歸檔，并及時向截流決策部門、施工單位發(fā)布水文信息。為了保證成果質(zhì)量，點繪了落差與水位關(guān)系曲線、上下龍口最大流速過程線、上下戧堤水面寬變化過程線、導(dǎo)

6、流底孔分流比過程線、壩址流量過程線等大量的圖形，用于數(shù)據(jù)的合理、正確性分析。2.5信息發(fā)布發(fā)布主要內(nèi)容包括水位、流量、流速、水面流速流向、固定斷面、水下地形等資料和相關(guān)的分析成果。信息發(fā)布主要以網(wǎng)站的形式，輔以電子郵件、 、 、短信、人工遞送等。公司網(wǎng)絡(luò)用戶直接上網(wǎng)訪問網(wǎng)站。公司外用戶可用撥號方式撥入中心的撥號效勞器或公司的撥號效勞器，來訪問網(wǎng)站。網(wǎng)站采用動態(tài)的形式發(fā)數(shù)據(jù)，只要登錄到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，即可在網(wǎng)站上及時看到。與此同時，根據(jù)截流的進展情況，一天一次、一天兩次或兩小時一次，制作水文監(jiān)測綜合信息，在網(wǎng)上發(fā)布。對公司的主要指導(dǎo)、相關(guān)單位及有關(guān)人員，將水文監(jiān)測信息發(fā)送到他們的電子郵箱或公司N

7、tes郵箱。對不能上公司網(wǎng)的單位，我們用 的方式，發(fā)送水文信息。對現(xiàn)場決策、管理及施工單位，用短信或 ，及時發(fā)送主要數(shù)據(jù)。在形成龍口后，從其他作業(yè)組抽調(diào)了兩人，用 逐時發(fā)布水文監(jiān)測數(shù)據(jù)。對公司主要指導(dǎo)、檔案館等有關(guān)單位，我們一天一次或兩次，將水文監(jiān)測資料、信息，制成紙介質(zhì)文檔，用人工遞送。3多波束測深及前視聲吶系統(tǒng)3.1系統(tǒng)簡介多波束測深系統(tǒng)也稱聲吶陣列測深系統(tǒng)。隨著計算機硬件與軟件不斷完善，以及GPS全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用，系統(tǒng)不僅在海洋測繪中得到廣泛應(yīng)用，而且在江河湖泊水下測繪中的作用日益廣泛。多波束測深系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了測深數(shù)據(jù)自動化和在外業(yè)準實時自動繪制出測區(qū)水下彩色等深圖，而且還可利用多波束

8、聲信號進展側(cè)掃成像，提供直觀的測時水下形態(tài)，被形象地稱為“水下T。多波束測深系統(tǒng)工作原理和單波束測深一樣，是利用超聲波原理進展工作的，不同的是多波束測深系統(tǒng)信號接收局部由n個成一定角度分布的互相獨立的換能器完成，因此系統(tǒng)每次能采集到n個水深點信息。明渠截流水文監(jiān)測中使用的多波束測深系統(tǒng)型號為SeaBat9001S，它具有兩種發(fā)射工作方式。3.2系統(tǒng)組成多波束系統(tǒng)是一套多傳感器系統(tǒng)，除多波束本身外，還包括定位測量系統(tǒng)、船舶姿態(tài)測量系統(tǒng)和船艏向測量系統(tǒng)。SeaBat9001S多波束測深系統(tǒng)由甲板單元處理器和水下探頭兩局部組成。其它配置包括處理器控制指令、采集和顯示數(shù)據(jù)，水下探頭發(fā)射和承受聲吶脈沖；

9、選件配置包括計算機、DGPS、運動傳感器RU、電羅經(jīng)YR、視頻信號記錄器、旁掃記錄器等。3.3在明渠截流中運用在明渠截流中，SeaBat9001S多波束測深系統(tǒng)主要用于明渠上、下戧堤圍堰形象監(jiān)測施測前，在臨時船閘LS01號固定斷面上進展了系統(tǒng)標定，標定工程包括導(dǎo)航系統(tǒng)時延Lateny、縱偏Pith、橫偏Rll和艏偏Ya。擔(dān)任本次測量導(dǎo)航的軟件為HypakAX，作業(yè)時用圖形和數(shù)字方式指示測船的航跡、偏航等各種導(dǎo)航信息。多波束數(shù)據(jù)采集由SeaBat9001S隨機攜帶的“6042軟件完成。多波束數(shù)據(jù)后理采用加拿大通用系統(tǒng)公司UniversalSyste開發(fā)的商用軟件“ARIS。由于隨著上、下戧堤龍口

10、不斷縮小，流速不斷面增大，故本次采用從上游往下游施測線路，結(jié)果說明多束波信號接收良好。局部成果見圖3：圖3下戧堤龍口水下地形圖通過ARIS軟件對測量結(jié)果進展數(shù)學(xué)建模，可生成三維立體圖。局部成果如圖4所示。三峽工程明渠截流中，當(dāng)上、下戧堤龍口接近40米時，多波束測深系統(tǒng)只一條航線就完成了水下布點工作，但假如采用單波束測深系統(tǒng)那么最少要4條航線才能完成水下布點工作。這為減少測船通過龍口次數(shù)，縮短外業(yè)工作時間，使上、下戧堤圍堰形象監(jiān)測信息能平安、及時、準確提供應(yīng)各用戶發(fā)揮了重要作用。圖4上截流戧堤龍口多波束掃測形象圖4ADP配合GPS的測流系統(tǒng)在三峽工程明渠截流水文監(jiān)測中，要求對截流戧堤堤頭流速及明

11、渠和導(dǎo)流底孔過流量進展實時監(jiān)測。隨底孔開啟數(shù)量變化或戧堤進占，導(dǎo)流明渠和底孔過流量相應(yīng)發(fā)生變化。顯然，常規(guī)流量測驗方法無法到達測驗歷時最小的要求。另外，明渠內(nèi)率亂的流態(tài)、戧堤堤頭較高的流速、禁航前明渠必須保證通航及高強度進占期要求24小時監(jiān)測等因素，確定了測船不可能在明渠內(nèi)進展拋錨定位測量。因此，在三峽明渠截流的水文監(jiān)測中，必須開發(fā)應(yīng)用一種新的測量系統(tǒng)。利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS對測船進展定位，多普勒聲學(xué)流速剖面儀ADP進展流速量測量的流量測量系統(tǒng)基于此而開發(fā)，滿足測驗歷時短、定位方便、全天候作業(yè)的要求，在明渠截流的流速和分流比測驗中發(fā)揮了重要作用。4.1GPS和ADP簡介全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GP

12、S是通過承受運行在固定軌道上的衛(wèi)星信號，從而求出地面點位置的一種定位技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于航空、軍事、交通、測量等各個領(lǐng)域。GPS的全天候、點間無需通視等特點被充分利用在控制測量中，在水下地形測量時可利用其實時差分形式可以對測點進展連續(xù)跟蹤定位。高精度的GPS接收機已成為測量單位的必備設(shè)備。ADP聲學(xué)多普勒流速剖面儀是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)的根本原理，用聲學(xué)換能器作傳感器，只需將探頭置于水面下一定深度處，即可測得垂線流速分布，具有測驗歷時短、測速范圍大、不擾動流場等特點，是目前世界上最為先進的水文測驗儀器之一。ADP可分為三個主要的功能系統(tǒng)：ADP傳感器或稱換能器系統(tǒng)，負責(zé)信號的發(fā)射、接收及相應(yīng)的

13、處理；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、記錄和存儲；導(dǎo)航系統(tǒng)，負責(zé)導(dǎo)航定位及速度數(shù)據(jù)的補償校正系統(tǒng)。ADP的測流原理：該儀器通過按一定規(guī)那么排列的四個聲波換能器，其探頭向水體中發(fā)射脈沖聲波，然后接收來自水體中挾載的浮游生物、泥沙小顆粒等反射體的反射信號，根據(jù)反射信號的多普勒頻移計算出水相對于ADP的運動速度矢量；利用測底脈沖測量水深及測船相對于地球的速度矢量，取兩者矢量差值就是要測量的流速矢量。用航行速度乘以時間可計算出水面寬。有了水深、水面寬和流速，即可計算出流量。4.2ADP配合GPS的測流系統(tǒng)系統(tǒng)由GPS參考臺、GPS流動臺、ADP、計算機、HYPAK及INVER兩個測量軟件組成。測量作

14、業(yè)時，GPS流動臺天線與ADP置于同一位置，通過數(shù)傳電臺接收參考臺的數(shù)據(jù)，利用實時差分形式對ADP測線點進展定位。當(dāng)測量斷面時，將斷面端點坐標事先置于HYPAK軟件，屏幕上即可顯示斷面位置和測船如今位置，測船可根據(jù)指示準確到達斷面并采用ADP橫渡法測量斷面流量；利用該系統(tǒng)進展垂線流速測量時，當(dāng)ADP開場搜集數(shù)據(jù)時，同時記錄測線坐標。4.3系統(tǒng)在明渠截流中的應(yīng)用截流戧堤堤頭流速分布、龍口最大流速、導(dǎo)流底孔分流量是三峽工程明渠截流必須的流速流量資料。實測時共布設(shè)了9條測速垂線和5個流量測驗斷面。在戧堤高強度進占期和龍口合龍期，要求每半小時測量一次垂線流速和分流比。假設(shè)采用常規(guī)測量方法，根本無法實現(xiàn)

15、。以GPS、ADP等組成的全球定位流量測量系統(tǒng)較好地完成了測驗任務(wù)。分流比觀測在茅坪一、導(dǎo)流底孔上、明渠壩軸線三處分別設(shè)Q01Q03斷面，利用導(dǎo)航軟件HAPAK控制測船進展定位，ADP橫渡法測驗流量。每斷面往返各施測一次，符合要求時取兩次均值作為斷面流量。從9月15日導(dǎo)流底孔開場過流至11月6日龍口合龍，共施測分流比81次，滲流量7次。流速分布測驗明渠截流戧堤進占過程中，在上、下戧堤堤頭各布設(shè)了3個斷面，每斷面上設(shè)測速垂線3條。測量時，通過HYPAK軟件記錄測線坐標，ADP采集數(shù)據(jù)歷時為120秒，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理即可求出垂線分層流速。ADP配合GPS的測流系統(tǒng)具有測驗歷時短、精度高、定位準確方便、

16、全天候作業(yè)的特點，防止了常規(guī)法測船定位、測速歷時長等缺點，在三峽明渠截流過程中搜集了大量實時準確的流速和流量資料。實際測驗過程中應(yīng)注意在選取斷面時防止大片回流區(qū)或同一斷面上有幾處回流區(qū)。5激光全站儀配合EPS成圖測繪系統(tǒng)激光全站儀是新一代測量儀器，集測距、測角于一身，并且在有人立尺和無人立尺狀態(tài)下均可有效使用。EPS成圖軟件，可以方便地進展展點、連線、編繪、計算等功能。在三峽工程導(dǎo)流明渠截流水文測報工作中，由激光全站儀和EPS成圖軟件組成的測繪系統(tǒng)，成功地完成了戧堤裹頭形象測量任務(wù)。實際應(yīng)用中，系統(tǒng)采用了Trible激光全站儀和清華山維EPS成圖軟件。系統(tǒng)使用時只需人工照準測點，全站儀的無棱鏡

17、反射功能使得在400間隔 內(nèi)不需要人工立尺，信號發(fā)射后EPS成圖軟件可自動完成三維坐標計算和成圖，實現(xiàn)了快捷準確地搜集資料，同時防止了戧堤堤頭進展有人立尺測量的危險性。系統(tǒng)在明渠截流過程中成功地進展了以下工程的測量：口門寬和水面寬測量。通過施測多個測點，繪出裹頭的形象，形成堤頂和水邊兩條曲線，找出曲線與戧堤軸線的穿插點，讀出坐標，從而計算出口門寬和水面寬；裹頭形象測量。在戧堤裹頭合理布置測點，最后成圖；裹頭水位接測。按極坐標法對裹頭水位按時進展測量。6電波流速儀的應(yīng)用6.1工作原理電波流速儀是微波技術(shù)推廣應(yīng)用而產(chǎn)生的高科技產(chǎn)品,利用多普勒效應(yīng)來測量水流速度。6.2電波流速儀的特點波流速儀是用微

18、波技術(shù)測量水流的外表流速，它不能測出水下流速分布，但是能很好地測出外表流速特征值。電波流速儀發(fā)射角為1度，電磁波呈橢圓擴散狀，測量間隔 越遠，電磁波覆蓋面越大，實際上電波流速儀所測量的是局部面積的平均流速。在實際工作中需注意測量位置的選擇，盡可能保持所測流速的特征性。電波流速儀的測驗性能表現(xiàn)為水面起伏度越大、流速越大、精度越高，在低流速測驗時，由于水面較平，宜產(chǎn)生鏡面反射而導(dǎo)致誤差增大，并且也不太穩(wěn)定。合適在流速較大的環(huán)境中測量。測量點布設(shè)要求。電波流速儀對設(shè)站位置的要求比擬靈敏。只要滿足設(shè)站點到測量點程度夾角不超過45度，垂直角不超過45度，并盡可能縮短測量間隔 即可。6.3在明渠截流水文監(jiān)測中的應(yīng)用下龍口水面流速測量當(dāng)下游截流戧堤龍口束窄至60時，由于平安原因無法采用測船進展流速分布測量。作為補充方案，采用電波流速儀施測龍口水面流速，每小時觀測一組數(shù)據(jù)，強進占期間每半小時觀測一組數(shù)據(jù)，實際應(yīng)用效果良好。上龍口測量11月6日，應(yīng)用電波流速儀在上龍口施行測量。每10分鐘觀測一組數(shù)據(jù)，龍口即將合龍期間，由于流速變化較大，改為每5觀測一組數(shù)據(jù)，后又改為每1分鐘觀測一組數(shù)據(jù)。7完