三维多波束系统在库区冲刷淤积计算分析中的应用

时间：2024-05-22

冯艺，孙红亮

(1. 雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610072；2. 四川中水成勘院工程物探检测有限公司，成都 610072)

0 引言

库区冲刷淤积是水利水电工程安全运行的直接威胁，并会加重维护成本和病险发生几率。在水库的河道上游区域，淤积将使原始河床抬高，水力坡降和河流流速随之减小，河槽的过水能力降低。在水库的河道下游区域，电站发电系统及泄洪系统将下泄清水，下切下游河床，水位随之下降，将不利于大坝坝体和沿河水工建筑物的基础安全。

目前，冲刷淤积评估大多仍采用断面计算法和等高线容积法[1-2]。①断面计算法适用于拐弯及叉河区域少、地形变化均匀的线形区域，断面布设的密度直接决定了计算精度，针对不同高程的库容计算极其繁琐而且误差较大；②等高线容积法只能获取整个计算库区的冲刷量或淤积量，但无法分别估算，且对地势平坦的地区，计算误差较大，加密测线提高精度则工作量巨大，难以在短时间内完成。

三维多波束系统，是一种具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形地貌检测新技术，广泛应用于海洋地形检测、海底资源与环境调查以及水下考古研究等领域[3]。其硬件系统成熟、稳定、可靠，完全能适应内陆河湖的水下地形检测作业，然而三维点云数据处理技术的滞后研究与开发，直接阻碍了其在内陆水电水利工程应用中的普及应用与推广，也由于内陆水电水利工程的水工建筑物水下检查需求的特殊性、复杂性，现阶段还没有一套成熟的、商品化水平较高的多波束数据后处理成图软件，能完全为内陆河流区域水下检测需求提供整套满意的解决方案[4]。

笔者针对水电水利工程中的冲刷淤积计算需求，引进目前国际市场占有率最高的丹麦RESON浅水多波束T50-P系统，并采用自编制程序模块对多波束采集的三维点云数据进行处理，保证点云地形及地貌特征点位置分布均匀性、密度合理性，以此构建的模型特征既直观又具有较高的精度。同时建立三维点云数据库，进行对比研究，可以提供水下三维地形地貌的冲刷淤积变化、清淤合计空间分布现状分析和点云数据计算结果的可视化成图等，以及可定期监测水下地形地貌的演变过程及变化规律、计算冲刷淤积方量，为水工建筑物的运行区的安全维护提供了重要数据依据以及技术保证。

1 三维多波束系统

三维多波束系统，其原理[5-6]是利用声呐发射换能器基阵向水底发射宽覆盖扇区的声波信息，并由声呐接收换能器基阵对水底声波回波进行窄波束接收。通过发射波束与接收波束在海底与船行方向垂直相交的条带区域形成数以百计的照射脚印区域，对这些脚印区域内的反向散射信号同时进行到达时间和到达角度的进行计算，再进一步通过获得的声速剖面数据计算就能得到该点的三维点云数据。

围绕高精度和高分辨的发展方向，国内、外学者开展了大量深入细致的研究工作。高分辨技术[7-8]、宽带信号处理[9]以及测深异常剔除[10-11]、联合不确定度的估算等技术的采用大幅度提高了多波束测深声呐三维点云数据的精度、分辨率和可信性。

我国水下三维多波束测深系统技术的研究与应用工作起步较晚，发展相对落后，主要以国家的科研试验项目为依托，直到20世纪80年代末有少量的试验样机问世。近年来，陆续有国内生产厂商推出了商业化的多波束测深硬件系统，但未见明显成熟的生产性案例，其设备作业性能的稳定性和可靠性还有待检验。因此目前我国涉海部门及单位使用的多波束测深硬件系统及三维点云数据处理软件几乎均为国外进口，价格昂贵，不利于在基层生产性作业部门的大规模推广。

由于三维点云数据处理及建模成图软件系统研制与开发是一项比较复杂的系统工程，各应用领域要求也不尽相同，涉及行业面较广，各行业需求特点又均有不同，集成难度较大。同时受时间、人力和物力等多种客观因素的影响，国产商业化三维点云数据处理系统至今仍处于功能测试、验证和优化完善阶段，离其商业化应用距离[12]。

本文硬件系统采用Teledyne RESON T50-P多波束件系统进行数据采集，后期数据处理首先采用配套的PDS2000进行初步的去噪及拼接，后自编制程序也仅针对水电工程中的特殊需求，设计冲刷淤积分析计算对比及成果三维可视化成图模块。

2 库区冲刷淤积计算

多波束系统采集数据为水下三维地形及地貌数据，经过PDS2000可转换为(x,y,z)的基本点云数字地面模型，通过自编数据模块建立数字高程模型进行冲刷淤积计算分析。

数字地面模型(digital terrain model，DTM)，是区域地形表面形态属性信息的数字化表达，是地貌形态的离散表示。地理数字地面模型空间实质是三维的，以高程为特征z值的DTM，称为数字高程模型(digital elevation model，DEM)，用(x,y,z)数字形式坐标表达区域内的三维地形地貌形态特征。

本次河道的冲刷淤积计算方法，以两期的DEM模型为基础数据，通过现有DEM减去原有DEM，对应位置的像元值求差，像元差值为正则表示淤积，像元差值为负则表示冲刷，从而获取河道的冲刷区和淤积区的空间分布格局。DEM具有数据点云密度大、精度高的特点且能提供任意位置的点高程坐标，保证了冲刷和淤积计算结果的精度。

最终整个库区或者某个区域的冲刷、淤积量，分别由冲刷区、淤积区对应的高程差值乘以所占的面积后求和得到，具体计算公式如下：

Vol淤积=Area像元×∑ΔZ(ΔZ>0)

(1)

Vol冲刷=Area像元×∑ΔZ(ΔZ<0)

(2)

式中:ΔZ表示冲刷(淤积)区所有像元的累加高程差。

3 工程背景

某水电站进水口与上一梯级泄洪洞口相距约3 km。2004年-2009年之间库区地形变化较大，进水口以上河段以淤积为主，进水口以下河段冲淤交替。2010年-2011年之间进水口以上河段淤积沙量增加约为35×104m3，淤积总量达到1 200 000 m3。2011年-2012年之间，进水口及以上河段主槽均产生了较大淤积，平均淤积厚度增加约4.0 m，局部河段淤积厚度增加5.0 m以上。施工弃渣与施工期泥沙淤积绝大部分在进水口上游河段，若不进行有效处理，势必可能会影响到进水口的安全。

2014年12月进水口河段较2012年库区清理后地形已经产生了较多淤积，平均淤积高程约3 m～4 m，拦沙库容已经大部分淤满。1#引水洞放空检查，集渣坑的淤积较少，主要为建筑垃圾和细颗粒的泥沙。2016年2月和4月，分别对2#和3#引水洞进行放空检查，发现集渣坑均已淤满。于2018年11月至2019年5月期间，对进水口区域的淤积区域进行清淤处理。

图1 2018年度清淤前期检测成果图

鉴于上述情况，分别于2017年度、2018年度、2019年度采用三维多波束T50-P系统进行水下地形检测，对整个库区进行三维数据采集、模型建立及可视化，进行冲刷淤积分析，推演水下地形冲淤演变、空间分布。我们选择进水口区域进行局部数据成果展示。

4 三维数据可视化

该进水口为洞外开敞式布置，拦污栅布置在连续通长的拦污栅墩内，顺水流方向依次为平台拦沙设施→斜坡→拦污栅墩→闸后通仓流道→引水隧洞进口喇叭段，总长为44.5 m。拦污栅墩高为43 m。拦沙坎通长布置于拦污栅墩前缘，坎高为5.0 m。

4.1 2018年度清淤前期检测成果

图2 2019年度清淤作业竣工后检测成果图

选取2018年度清淤前期的水下多波束声呐系统检测数据进行三维可视化成图(图1)，由图1可见：进水口上游侧拦沙坎清晰可见，槽状特征明显，下游侧拦沙坎模糊不清，表层泥沙沉积，拦沙坎至拦污栅段泥沙沉积明显。进水口区域左岸边坡相对较陡，表层凹凸不平，无明显沉积，基岩特征明显。河床高程由左岸向右岸逐渐上升，左侧河床底部略粗糙，右侧河床底部略平整。进水口区域正在进行的清淤工作，在河床底部区域形成一片密集的深挖区域，该区域顺河向长约30 m、横河向宽约30 m、最大深约2.5 m。

4.2 2019年度清淤竣工检测成果

选取2019年度清淤竣工后的水下多波束声呐系统检测数据进行三维可视化(图2)，由图2可知，2019年进水口清淤作业区域在河床中部形成一个长条状的深坑，该深坑至拦沙坎区域都存在清淤痕迹，清淤区域顺河向长约164 m，横河向处宽处约30 m、窄处为14 m，最大深约7 m。河床中部至右岸拦沙坎之间的大部分区域存在较浅的清淤作业痕迹，拦沙坎至拦污栅中间区域也存在清淤作业痕迹。进水口上游侧拦沙坎轮廓清晰可见，下游侧拦沙坎存在不同深度的清淤痕迹，局部仍被泥沙覆盖，模糊不清。拦沙坎至拦污栅中间区域的上游段清淤痕迹较明显，下游段无明显清淤作业痕迹。

图3 进水口上游50 m至下游150 m段冲刷淤积计算成果图

5 冲刷淤积计算分析

5.1 2017年度与2018年度冲刷淤积分析

取2017年度与2018年度水下三维多波束系统检测数据，利用自编软件模块，对进水口上游50 m至进水口下游150 m段进行冲刷淤积计算分析，可得：冲刷面积为15 482 m2，冲刷方量为-6 046 m3；淤积面积为18 908 m2，淤积方量为10 091 m3。因此该河段整体表现为淤积，合计冲刷淤积面积为34 390 m2，淤积方量为4 045 m3。

根据三维离散数据，利用自编软件模块，进行冲刷淤积成图(图3)，由图3可知：整体表现为黄色，表征为淤积0 m～0.5 m；进水口区域中下游河道淤积较为明显，表征为红色，最高淤积厚约为4 m；清淤区域清晰可见，最大清淤深度较淤积前约深2.5 m，表征为绿色。

图4 1-1断面对比分析成果图

图5 2-2断面对比分析成果图

图6 3-3断面对比分析成果图

选取进水口区域上游、中游、下游三处进行剖面分析(图4～图6)：

1)1-1断面：两年度水下检测地形基本一致；两岸以轻度冲刷为主，冲刷厚度小于0.5 m，冲刷淤积图色标表征为淡绿色；河床中间部位以轻度淤积为主，淤积厚度小于0.5 m，冲刷淤积图色标表征为黄色。

2)2-2断面：左岸边坡及左侧河道区域，两年度水下检测地形基本一致，以轻度冲刷为主，冲刷厚度小于0.5 m，冲刷淤积图色标表征为淡绿色；河床中间部位及右侧河道区域，淤积情况明显，最大淤积厚度约2.5 m，冲刷淤积图色标表征为黄色～浅棕色、局部红色。

3)3-3断面：左岸边坡及左侧河道区域，两年度水下检测地形基本一致，以轻度冲刷为主，冲刷厚度小于0.5 m，冲刷淤积图色标表征为淡绿色；河床中间部位及右侧河道区域，淤积情况明显，河床中间部位最大淤积厚度约4.5 m，冲刷淤积图色标表征为黄色～深红色。

5.2 2018年度与2019年度冲刷淤积分析

取2018年度与2019年度水下三维多波束系统检测数据，利用自编软件模块，对进水口上游50 m至进水口下游150 m段进行清淤计算分析(图7)，由图7可得：进水口上游100 m至进水口下游200 m段河道冲刷和淤积的总面积为39 467 m2，河道整体表现为流失，其中流失方量为-23 598 m3，流失面积为10 617 m2。

该段清淤主要分布在两个区域：第一区域为河道中间形成的深坑及深坑至拦沙坎中间区域，冲刷和淤积的总面积为35 966 m2，其中流失方量为-20 101 m3，流失面积为9 345 m2；第二区域为拦沙坎至拦污栅区域，冲刷和淤积的总面积3 500 m2，该段河道整体表现为流失，其中流失方量-3 496 m3，流失面积1 272 m2。

根据三维离散数据，利用自编软件模块，进行冲刷淤积成图(图7)，由图7可知：

图7 进水口区域淤积分析成果图

图8 2-2断面2017年-2019年度对比分析成果图

1)整体表现为黄色，表征为淤积0 m～0.5 m。

2)进水口区域游河道中间区域清淤痕迹最为明显，表征为深蓝色，最大清淤深度约为6 m。

3)进水口区域河道中间区域至右岸大部分区域清淤痕迹清晰可见，清淤深度较清淤前约深2.5 m，表征为绿色。

4)拦沙坎至拦污栅区域上游侧大部分区域清淤痕迹清晰可见，清淤深度较清淤前约深6 m，表征为深蓝色。

选取进水口区域中游2-2剖面进行分析(图8)，由图8可见：

1)河道中间距拦沙坎55 m处为清淤留下的深坑，深坑在该处呈现最大深度为7.5 m，宽带约35 m。

2)从清淤深坑到左岸位置地形与前两年度水下地形基本一致。

3)从清淤深坑到右岸区域清淤痕迹逐渐减弱，拦沙坎左侧30 m范围内清淤痕迹不明显。