導(dǎo)語：水文監(jiān)測定位測驗(yàn)管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1前言

在1997年大江截流中，ADCP、GPS等先進(jìn)的儀器設(shè)備已經(jīng)開始應(yīng)用于截流水文監(jiān)測工作中，并取得了良好的測驗(yàn)成果。為大江截流順利完成提供了大量準(zhǔn)確可靠的水文數(shù)據(jù)。三峽工程導(dǎo)流明渠截流，其截流落差、流量、及施工強(qiáng)度等指標(biāo)均遠(yuǎn)高于大江截流，對截流期水文監(jiān)測也就提出了更高的要求，在分流比、戧堤頭流速、加糙區(qū)流速、龍口流速等水文要素測驗(yàn)上，不僅要求測驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，而且要求隨截流施工進(jìn)占隨時(shí)提供各項(xiàng)實(shí)時(shí)水文信息。為此，我們建立了全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全天候、快速多斷面的動(dòng)態(tài)巡測，滿足了截流施工決策對實(shí)時(shí)水文信息的需求。

2全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)組成

全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)由DGPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、ADCP測驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理遠(yuǎn)傳系統(tǒng)組成。其工作原理為利用DGPS實(shí)時(shí)差分模式準(zhǔn)確測定測船及測線位置，配以

圖1全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)框圖

ADCP走航方式測驗(yàn)斷面流量或定點(diǎn)方式測定垂線流速。實(shí)現(xiàn)了全天候作業(yè)，也克服了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)不準(zhǔn)確，易受天氣影響和測驗(yàn)歷時(shí)長的缺點(diǎn)。

2.2DGPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)

GPS定位具有精度高、速度快、全天候、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，滿足截流水文監(jiān)測對導(dǎo)航定位的要求。導(dǎo)航定位系統(tǒng)由GPS基準(zhǔn)臺(tái)、GPS流動(dòng)臺(tái)、計(jì)算機(jī)、電臺(tái)、顯示器、電池及導(dǎo)航軟件等組成。

明渠截流水文監(jiān)測區(qū)域集中在導(dǎo)流明渠及導(dǎo)流底壩段水域。GPS基準(zhǔn)臺(tái)架設(shè)在導(dǎo)流明渠附近的三斗坪水位站，保證基準(zhǔn)臺(tái)信號(hào)覆蓋整個(gè)截流河段。流動(dòng)臺(tái)安裝于水文監(jiān)測船上，使用HYPACK導(dǎo)航定位軟件將整個(gè)截流施工水域形象、分流比斷面、戧堤頭流速測驗(yàn)位置、龍口流速斷面等用CAD技術(shù)做成數(shù)字導(dǎo)航圖。水文監(jiān)測時(shí)，根據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目使用DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)可準(zhǔn)確到達(dá)監(jiān)測部位，完成監(jiān)測任務(wù)。

2.3ADCP測驗(yàn)系統(tǒng)

ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)的基本原理，用聲學(xué)換能器作傳感器，將探頭置于水面下一定深度處，測驗(yàn)水文要素，具有測驗(yàn)歷時(shí)短、測速范圍大、不擾動(dòng)流場等特點(diǎn)。

ADCP的測流原理：該儀器通過按一定規(guī)則排列的四個(gè)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(hào)，依據(jù)反射信號(hào)的多普勒頻移計(jì)算水相對于ADCP的運(yùn)動(dòng)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(shí)間可計(jì)算出水面寬。有了水深、水面寬和流速，即可計(jì)算流量。

其流速測驗(yàn)原理如下式：

式中：V­­——徑向速度（mm/s）；

FD­——多普勒頻移（NZ）；

FS­——­­ADCP聲波頻率（KHZ）；

C­——聲速（m/s）。

其流量測驗(yàn)原理如下式：

式中：Q­——流量；

n­——L點(diǎn)法向單位矢量，L為橫渡河流路徑上任意一點(diǎn)；

u­——流量矢量；

z­——水深，積分取水面至水底和此岸至彼岸。

ADCP測驗(yàn)系統(tǒng)由ADCP、計(jì)算機(jī)、WinRiver軟件組成。三峽河段及明渠截流水文監(jiān)測區(qū)域水深流急，一般采用DR300型BBADCP和WH300型WHADCP進(jìn)行流速流量測驗(yàn)。兩款儀器主要性能指標(biāo)見表1。

表1ADCP主要測量技術(shù)指標(biāo)

型號(hào)

頻率

(KHZ)

測量范圍

測速

(m/s)

測深

(m)

DR300

300

＜10

＜120

WH300

300

＜10

＜200

2.4數(shù)據(jù)處理遠(yuǎn)傳系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理遠(yuǎn)傳系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)、數(shù)據(jù)處理軟件及專用數(shù)傳軟件等組成。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)與ADCP測驗(yàn)控制計(jì)算機(jī)用網(wǎng)線聯(lián)接組成局域網(wǎng)，便于測驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸及共享。

測驗(yàn)斷面流量時(shí)，可以直接得到流量成果，對流量成果進(jìn)行合理性檢查后即可。而測驗(yàn)垂線流速時(shí)，將ADCP測驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，用WinRivre軟件和專用數(shù)據(jù)計(jì)算程序處理為沿垂線水深分布的流速圖表。經(jīng)處理的流速、流量和分流比的資料使用無線數(shù)傳電臺(tái)（35W的PacificCrest電臺(tái)，RADIOTRANS數(shù)傳軟件）傳送到水文氣象數(shù)據(jù)處理中心。水文氣象數(shù)據(jù)中心再進(jìn)行綜合性檢查確認(rèn)后，對外公布最后成果。

3全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)在明渠截流水文監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1測驗(yàn)項(xiàng)目及布置情況

在明渠截流水文監(jiān)測中，全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)主要用于分流比、龍口流速分布、流場和戧堤頭流速分布等項(xiàng)目的測驗(yàn)工作。共截流河段布置有3條分流比斷面、2條龍口流量斷面、10條流速斷面和16條流速垂線。見圖2。

圖2三峽工程明渠截流水文監(jiān)測斷面布置圖

3.2分流比測驗(yàn)

2002年09月15日，大壩導(dǎo)流底孔開始泄流，分流比測驗(yàn)隨即開始進(jìn)行。全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)安裝在風(fēng)云二號(hào)測輪上，根據(jù)GPS導(dǎo)航圖的指引，使用ADCP走航式巡測Q01、Q02、Q03斷面流量，測輪以較慢的航速往返測驗(yàn)每斷面流量，橫渡時(shí)盡量保持在規(guī)定斷面線上，以取得較好的測驗(yàn)精度，取往返流量的平均值作為斷面流量。由于3條斷面之間相距不超過2km，一次測驗(yàn)歷時(shí)基本可控制在30min以內(nèi)，保證了資料的可比性和分流比的精度。測驗(yàn)完成后，隨即將測驗(yàn)成果用數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送到水文氣象數(shù)據(jù)處理中心上網(wǎng)。選擇的Q01、Q02、Q03斷面規(guī)則，河床穩(wěn)定，水流條件較好，受截流施工影響很小，測得的流量精度高，準(zhǔn)確的反映了導(dǎo)流底孔分流比的變化情況。

在截流施工的前期，一般每天測驗(yàn)兩次。進(jìn)入高強(qiáng)度的龍口進(jìn)占期后，測驗(yàn)頻度逐漸增加，由每3h一次增加到1h一次，在合攏期達(dá)到每30min一次。使用全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)，無論是白天還是晚上、天晴還是下雨，測驗(yàn)均能準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確的進(jìn)行，滿足了截流施工對分流比變化實(shí)時(shí)了解的需求。施工管理決策部分利用及時(shí)、準(zhǔn)確的水文信息，有效的控制和調(diào)整施工進(jìn)度，保證了截流工程順利進(jìn)行和實(shí)現(xiàn)長江不斷航，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益巨大。

3.3流速分布測驗(yàn)

截流戧堤頭及龍口布置的流速分布斷面、流速垂線因戧堤的不斷進(jìn)占而相對移動(dòng)，因而需準(zhǔn)確測定流速分布斷面、流速垂線位置展開水文監(jiān)測。一般使用河道測繪監(jiān)測的截流戧堤的最新形象，制定標(biāo)定有流速斷面、流速垂線的導(dǎo)航圖，使用DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)引測船到達(dá)監(jiān)測部位，啟用ADCP測驗(yàn)流速，并記錄斷面、垂線坐標(biāo)。監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理后形成斷面流速、垂線流速圖表數(shù)據(jù)，經(jīng)過現(xiàn)場合格檢查后，數(shù)傳至水文氣象數(shù)據(jù)處理中心上網(wǎng)。每條垂線流速從測驗(yàn)到只需幾分鐘，真正做到了實(shí)時(shí)測驗(yàn)、實(shí)時(shí)。在戧堤頭流速分布測驗(yàn)中，測船需要靠近戧堤頭，戧堤頭處落差大，水流形成跌水，泡漩多，急流區(qū)與緩流區(qū)交錯(cuò)，過渡帶很窄，截流用大塊石和四面體不斷的翻滾下來，測船在此區(qū)域測驗(yàn)操作極為困難，為了測船安全及操作方便，將ADCP改裝到船頭，使得船長能夠方便的控制測船以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。實(shí)際測驗(yàn)過程中，測船沿戧堤頭下游流速較大的水域迎水上行，到達(dá)測驗(yàn)位置后相對穩(wěn)定測船實(shí)施項(xiàng)目測驗(yàn)，這種測驗(yàn)方式成功用于下龍口流速分布測驗(yàn)。

3.4下龍口流速分布測驗(yàn)

當(dāng)下龍口寬縮窄至60m后，風(fēng)云二號(hào)輪載ADCP安裝在船頭的全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)入下龍口進(jìn)行最大流速搜索測驗(yàn)工作。測船從下龍口下游中泓沿主流逆水而上，并在下龍口截流戧堤軸線下100m處開始采用動(dòng)船定位法測驗(yàn)垂線流速分布，測船每上行20m測驗(yàn)一線，直至軸線，測驗(yàn)完成后，保持測船船頭向上游的方向，減小動(dòng)力，使測船沿水流方向慢慢退回到安全水域，完成一個(gè)測次的最大流速搜索測驗(yàn)工作。在下一個(gè)測驗(yàn)時(shí)間再用此法進(jìn)行，直至測船不能進(jìn)入下龍口為止，較完整的測到了下龍口的流速分布資料，也為下龍口的截流施工提供了重要的水力學(xué)要素。

4結(jié)語

綜上所述，全球定位測驗(yàn)系統(tǒng)具有測驗(yàn)歷時(shí)短、精度高、定位準(zhǔn)確方便、全天候作業(yè)的特點(diǎn)，避免了常規(guī)法測船定位難度大、測速歷時(shí)長等缺點(diǎn)，能夠適應(yīng)不同環(huán)境、不同地點(diǎn)的水文測驗(yàn)要求，在水利工程施工及水文巡測中均能發(fā)揮較好的作用。此系統(tǒng)在三峽工程明渠截流中的成功應(yīng)用，開拓性地實(shí)現(xiàn)了全天候、連續(xù)的水文巡測，特別是動(dòng)態(tài)高頻度收集大量實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的流速和流量資料，滿足了三峽工程水文泥沙監(jiān)測范圍廣、要素多、時(shí)效急、難度大的要求。

作者簡介

葉德旭（1964.08——），男，重慶綦江人，高工，長江委長江三峽水文局副總工。