水利工程論文-明渠截流水文監(jiān)測(cè)中的全球定位測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)摘要：GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、ADCP測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理遠(yuǎn)傳系統(tǒng)組成全球定位測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)，開拓性地實(shí)現(xiàn)了全天候、快速、多斷面連續(xù)的動(dòng)態(tài)水文巡測(cè)，滿足了三峽工程明渠截流水文監(jiān)測(cè)范圍廣、要素多、時(shí)效急、難度大的要求，對(duì)分流比、戧堤頭流速、龍口流速等水文要素做到了隨時(shí)測(cè)驗(yàn)，實(shí)時(shí)發(fā)布。關(guān)鍵詞：明渠截流水文監(jiān)測(cè)全球定位測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用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(cè)工作中，并取得了良好的測(cè)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(duì)截流期水文監(jiān)測(cè)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(cè)驗(yàn)上，不僅要求測(cè)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(cè)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(cè)，滿足了截流施工決策對(duì)實(shí)時(shí)水文信息的需求。2全球定位測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)2.1系統(tǒng)組成全球定位測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)由DGPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、ADCP測(cè)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(cè)定測(cè)船及測(cè)線位置，配以圖1全球定位測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)框圖ADCP走航方式測(cè)驗(yàn)斷面流量或定點(diǎn)方式測(cè)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(cè)驗(yàn)歷時(shí)長(zhǎng)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(cè)對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目使用DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)可準(zhǔn)確到達(dá)監(jiān)測(cè)部位，完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。2.3ADCP測(cè)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(cè)驗(yàn)水文要素，具有測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大、不擾動(dòng)流場(chǎng)等特點(diǎn)。ADCP的測(cè)流原理：該儀器通過(guò)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(lái)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(duì)于ADCP的運(yùn)動(dòng)速度矢量；利用測(cè)底脈沖測(cè)量水深及測(cè)船相對(duì)于地球的速度矢量，取兩者矢量差值就是要測(cè)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(cè)驗(yàn)原理如下式：式中：V徑向速度（mm/s）；FD多普勒頻移（NZ）；FSADCP聲波頻率（KHZ）；C聲速（m/s）。其流量測(cè)驗(yàn)原理如下式：式中：Q流量；nL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(cè)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(cè)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(cè)驗(yàn)。兩款儀器主要性能指標(biāo)見表1。表1ADCP主要測(cè)量技術(shù)指標(biāo)型號(hào)頻率(KHZ)測(cè)量范圍測(cè)速(m/s)測(cè)深(m)DR30030010120WH300300102002.4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(cè)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(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸及共享。測(cè)驗(yàn)斷面流量時(shí)，可以直接得到流量成果，對(duì)流量成果進(jìn)行合理性檢查后即可。而測(cè)驗(yàn)垂線流速時(shí)，將ADCP測(cè)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(wú)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(duì)外公布最后成果。3全球定位測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)在明渠截流水文監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用3.1測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目及布置情況在明渠截流水文監(jiān)測(cè)中，全球定位測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)主要用于分流比、龍口流速分布、流場(chǎng)和戧堤頭流速分布等項(xiàng)目的測(cè)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(cè)斷面布置圖3.2分流比測(cè)驗(yàn)2002年09月15日，大壩導(dǎo)流底孔開始泄流，分流比測(cè)驗(yàn)隨即開始進(jìn)行。全球定位測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)安裝在風(fēng)云二號(hào)測(cè)輪上，根據(jù)GPS導(dǎo)航圖的指引，使用ADCP走航式巡測(cè)Q01、Q02、Q03斷面流量，測(cè)輪以較慢的航速往返測(cè)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(cè)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(guò)2km，一次測(cè)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(cè)驗(yàn)完成后，隨即將測(cè)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)發(fā)布。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(cè)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(cè)驗(yàn)兩次。進(jìn)入高強(qiáng)度的龍口進(jìn)占期后，測(cè)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(cè)驗(yàn)系統(tǒng)，無(wú)論是白天還是晚上、天晴還是下雨，測(cè)驗(yàn)均能準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確的進(jìn)行，滿足了截流施工對(duì)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(zhǎng)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(cè)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(duì)移動(dòng)，因而需準(zhǔn)確測(cè)定流速分布斷面、流速垂線位置展開水文監(jiān)測(cè)。一般使用河道測(cè)繪監(jiān)測(cè)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(cè)船到達(dá)監(jiān)測(cè)部位，啟用ADCP測(cè)驗(yàn)流速，并記錄斷面、垂線坐標(biāo)。監(jiān)測(cè)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)合格檢查后，數(shù)傳至水文氣象數(shù)據(jù)處理中心上網(wǎng)發(fā)布。每條垂線流速?gòu)臏y(cè)驗(yàn)到發(fā)布只需幾分鐘，真正做到了實(shí)時(shí)測(cè)驗(yàn)、實(shí)時(shí)發(fā)布。在戧堤頭流速分布測(cè)驗(yàn)中，測(cè)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(guò)渡帶很窄，截流用大塊石和四面體不斷的翻滾下來(lái)，測(cè)船在此區(qū)域測(cè)驗(yàn)操作極為困難，為了測(cè)船安全及操作方便，將ADCP改裝到船頭，使得船長(zhǎng)能夠方便的控制測(cè)船以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。實(shí)際測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)船沿戧堤頭下游流速較大的水域迎水上行，到達(dá)測(cè)驗(yàn)位置后相對(duì)穩(wěn)定測(cè)船實(shí)施項(xiàng)目測(cè)驗(yàn)，這種測(cè)驗(yàn)方式成功用于下龍口流速分布測(cè)驗(yàn)。3.4下龍口流速分布測(cè)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(cè)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)入下龍口進(jìn)行最大流速搜索測(cè)驗(yàn)工作。測(cè)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(cè)驗(yàn)垂線流速分布，測(cè)船每上行20m測(cè)驗(yàn)一線，直至軸線，測(cè)驗(yàn)完成后，保持測(cè)船船頭向上游的方向，減小動(dòng)力，使測(cè)船沿水流方向慢慢退回到安全水域，完成一個(gè)測(cè)次的最大流速搜索測(cè)驗(yàn)工作。在下一個(gè)測(cè)驗(yàn)時(shí)間再用此法進(jìn)行，直至測(cè)船不能進(jìn)入