長江干流城市供水取水口水下地形監測分析

摘要：長江是城市供水重要水源地，取水口附近水下地形容易發生沖刷和淤積。為了解取水口附近的地形變化情況，采用多波束測深系統和無人機系統對取水口進行監測，對采集的數據進行了處理和分析。結果表明：取水口附近水下地形具有上游沖刷、下游淤積的變化規律。研究成果對取水口沖淤變化預測和水資源管理具有重要意義。

關鍵詞：城市供水;取水口;水下地形;監測分析;水資源管理;長江干流

中圖法分類號：X832文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.003

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0018- 04

供水是城市的重要基礎設施，城市供水安全是城市經濟穩定發展和人民生活質量的重要保障[1]。長江干流流經11個省、自治區、直轄市，其中包含安徽省段安慶、池州、銅陵、蕪湖、馬鞍山5個城市，為沿江城市提供了優質水源。長江每年經歷洪水期和枯水期，供水工程取水口附近水下地形會發生較大變化，易出現沖刷和淤積，需對城市取水口水源保護區內水下地形進行水深測量和沖淤分析，以及時了解城市供水頭部的變化情況，并根據監測情況提出城市供水預警和水資源管理方案[2]。因此，取水口工程監測對城市供水極其重要。

1 技術路線

城市供水取水口監測采用多波束掃測和無人機航攝相結合的方式，具體技術路線為：①根據取水口的位置布設多波束和無人機測線，采用多波束測深系統對水下地形進行全覆蓋測量，掃測長度為順水流方向以取水口頭部中心線上下游各250 m，掃測寬度為垂直水流方向自水邊至水邊線外300 m;②采用無人機系統對取水口保護區范圍上游3 000 m至下游500 m進行高清視頻航拍，對取水口上游1 000 m至下游100 m重點區域進行航片拍攝、制作正射影像圖;③對采集的數據進行處理、分析，制作沖淤效果圖，取水口監測具體流程如圖1所示。

2 數據采集

數據采集過程包括多波束水下地形監測和無人機陸上影像監測。

2.1 多波束水下地形監測

2.1.1 多波束數據采集

多波束換能器采用舷外安裝方式，固定在左舷距測量船首約1/3處，光纖羅經安裝在測量船駕駛艙中心位置，建立船體坐標系，準確量取光纖羅經、GNSS天線、換能器在船體坐標系中的位置參數[3]。平面定位采用網絡RTK，利用與多波束測深系統配套的測量軟件導航，沿設計測線掃測，實時采集定位數據和測深數據[4]。為提高測量精度，最大程度地降低系統誤差，保障測深數據質量，多波束水深測量寬深比為1∶4，不同測段、相鄰條帶測深重疊寬度不低于掃測的30%，船速控制在6～9 km/h，數據更新率根據水深、船速進行相應調整[5]，多波束測深和數據采集如圖2所示。

2.1.2 多波束數據處理

在進行測量數據內業處理前，對各項測量的原始數據文件及記錄進行檢查，確認數據完整、符合要求，查看水位曲線需符合潮位變化趨勢，保證水位的真實可靠性[6]。取3組數據，依次按照橫搖、縱搖、艏向的順序進行校準參數計算，計算結果的平均值作為最終校準結果。備份測量數據，并進行聲速、潮位及姿態改正，運用CARIS軟件對采集的水深數據進行編輯，采用人機交互方式對水深數據進行判斷、編輯，并剔除假水深信號，結合規范要求和設計書要求輸出水深數據。每次作業完畢，根據技術要求進行精度檢查，比對分析水深情況，主要內容包括檢查線與主測線和交叉區域高程互差比對[7]，詳見表1，結果表明精度滿足多波束規范要求。

2.2 無人機陸上影像監測

2.2.1 無人機數據采集

利用大疆無人機進行影像數據采集，根據測區地形地貌情況，合理布設像控點，并按照圖根控制點精度施測。在采集前，檢查無人機狀態，利用飛控軟件布設合理的航線，飛行時間選在風速較小、風向穩定、透明度較好的時段，以保證所得影像完整清晰、層次分明、顏色飽和、反差適中，能辨別出地面上最暗處的影像細節。各影像之間重疊度、像片旋偏角、航線彎曲度符合規范要求[8]。各條航帶間沒有漏洞，可建立立體模型，最終提交的航攝成果數據均符合設計書和規范要求。

2.2.2 無人機數據處理

對像控點照片名稱進行編輯，與相應的像控點匹配。剔除航攝像片中傾角大的像片，每個架次的航攝像片所對應的像控點匹配好。利用專業的無人機測繪攝影測量軟件進行處理，導入航攝照片、POS文件和像控點文件，并在對應的影像上進行刺點，一般需要選擇至少4張以上影像圖，并在輸出坐標系中選擇需要的坐標系，進行初始化處理、點云及紋理、數字地面模型及正射影像圖處理，空三射線圖如圖3所示。對于生成的正射影像圖，可利用鑲嵌圖編輯器從多幅影像中選擇最佳影像來消除移動物體或瑕疵，制作高質量的正射影像圖和數字地面模型，全方位查看城市取水口情況[9]。

采用北京三維EPS處理軟件和GIS軟件對生成的正射影像圖，根據影像形狀、大小、色調與陰影等進行二維、三維判讀，依據地形圖圖式制作線劃圖[10]，對于無法判讀或不能確定的，到現場調繪，并調查其屬性，高程數據利用生成數字地面模型進行加密高程點。

3 成果制作和分析

評定測量使用平面及水位控制轉換參數。通過與已有平面控制點成果比對，坐標差值及定位中誤差結果都符合要求，可作為本次測量的轉換參數使用。人工驗潮數據準確，符合潮位變化趨勢，所測水深正常，等深線勾繪光滑銜接，無突變情況發生。無人機測量內外業工作進展有序，數字正射影像圖上像控點的坐標與實際RTK采集的相控點坐標進行比對[11]，校核成果滿足航空攝影規范要求。

3.1 取水口頭部立體影像和地形圖制作

利用Caris軟件對數據進行編輯，刪除噪點，制作取水頭部管道立體影像圖[12]，如圖4所示。從圖4中可以清晰看到管道位置和管道周圍的護管樁，并詳細研判管道是否發生傾斜、護管樁是否倒塌、周圍水下地形是否變化情況。導出TIFF格式數據，在GIS軟件中進行二次開發，獲得需要的坐標成果，在CAD中調用文本數據，制作1：1 000水下地形圖。

3.2 影像制作和沖淤分析

為更準確地分析水廠取水口位置的水下地形變化情況，運用GIS軟件，提取水下高程點和等高線數據生成數字高程模型，把監測區域本次測量數據與往年測量數據進行對比分析，采用不同色帶表示沖淤區域水下地形高程變化，紅黃表示沖刷，綠藍色表示淤積，等值線表示沖淤的深度線[13]。在城市供水取水口制作了取水口附近的沖淤分析圖，通過不同的顏色和線性進行分析比較，可以直觀、清晰地顯示取水口附近的水下地形沖淤變化。GIS建模主要步驟有數據提取、數據建庫、TIN模型生成和編輯、沖淤量計算和沖淤圖繪制和合成等。

為便于分析數據成果，把無人機拍攝取水口附近的航片生成正射影像與GIS制作的沖淤圖無縫拼接，制作了取水口沖淤影像圖。水廠取水口監測分析情況類似，現以銅陵二水廠監測為例，銅陵二水廠取水口沖淤影像如圖5所示。監測對比分析采用2014年5月和2019年12月數據，通過取水口沖淤影像圖可以看出：該區域近岸河床變化不大，沖淤互現，但以淤積為主;遠岸河床有沖刷，局部有沖刷坑，沖刷深度達6 m。重點區域城市供水取水口上游側有一長約200 m的沖刷帶，沖刷深度為1～2 m，取水口下游呈現淤積狀態，淤積厚度約1 m;取水口外50～100 m，有1～2 m厚的淤積帶。取水口位置水下地形未發現異常情況，沒有大的淤積和堵塞，沖淤情況符合常態。

4 結 語

通過全面、科學地監測和分析長江城市取水口情況，發現了取水口地形變化規律：取水口上游有沖刷帶，一般沖刷深度在2 m左右，下游有淤積。陸上地形采用無人機系統，未使用激光掃描儀系統，讓操作更簡單、成本更低、實用性更強。根據采集的水下點云數據，制作了取水口頭部管道立體影像圖，清晰、直觀反映了取水口附近的建筑物運行狀態，證明了該水陸一體化監測方法的可行性。創新了監管手段，監測和分析成果具有參考價值，為取水口管理和工程設計提供了科學決策和效果評估，并為水資源的可持續利用和經濟社會的高質量發展提供了基礎。

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（編輯：唐湘茜）

Monitoring and analysis of underwater terrain near the urban water intake in the main stream of Yangtze River

ZHAO Jun

（Anhui Yangtze River Administration Bureau， Wuhu 241000， China）

Abstract： The Yangtze River is an important source of urban water supply， and the underwater terrain near the water intake is prone to erosion and siltation. In order to understand the terrain changes near the water intake， a multi-beam sounding system and an unmanned aerial vehicle system were used to monitor the water intake， and the collected data were processed and analyzed. The analysis results showed that the underwater terrain near the water intake has change law of upstream erosion and downstream sedimentation， The analysis results are of great significance to the prediction of the erosion and sedimentation changes of the water intake and the management of water resources.

Key words： urban water supply; water intake; underwater topography; monitoring and analysis; water resource management;main stream of Yangtze River