吴顺鹏
国投甘肃小三峡发电有限公司，甘肃兰州 730000
摘要：多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统，多波束测深技术颠覆传统观测方法，提高人机功效及测量质量，可实现水下精准测量，能够全面系统了解水下地形状态，为水库库容状况、大坝及边坡安全运行提供精确预警。
关键词：多波束技术；水下测量；淤积测量
中图分类号：TV145+.1
1前言
多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统,是现代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显示技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新技术等多种技术的高度集成。多波束测深系统最大工作深度12000米，横向覆盖宽度可达深度的 3倍以上。与传统的单波束测深系统每次测量只能获得测量船垂直下方一个测量深度值相比，多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的水底深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，其技术进步的意义十分突出。 ? ? ?
2多波束测深系统原理
多波束测深系统采用陶瓷压电技术,可以实时调节发射声波的角度、覆盖范围、声波频率以及工作参数,从而极大提升测量质量和效率。多波束系统的工作原理如下图所示,假设水底平坦,多波束测深系统工作时,首先由发射模块触发脉冲发生器向海底发射声波,声波遇到水底后通过反射或者散射以角度?被接收模块接收[1]。如图1-1、1-2所示,接收模块是由N个接收单元组成的阵列,已知接收单元之间的间距d,并测量出该点的声速值c,可通过式(1)、(2)求出各个单元之间的时延T1和T2,先对各个接收单元的信号进行一定的时间偏移以获得波前相干干涉,然后对各个接收单元的输出求和,最后求出对于入射角为θ时的最大接收阵列输出,将主波瓣轴向转向与垂直方向成θ角的方向即波束指向。实际上,对一次发射、接收的信号进行处理后,可以获得所需各个角度的测量值,从而获得一个水深条带的数据[2]。
多波束测深系统是利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束，接收海底反向散射信号，经过模拟/数字信号处理,形成多个波束，同时获得几十个甚至上百个海底条带上采样点的水深数据，其测量条带覆盖范围为水深的2一10倍,与现场采集的导航定位及姿态数据相结合,绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。测深时，载有多波束测深系统的船，每发射一个声脉冲，不仅可以获得船下方的垂直深度，而且可以同时获得与船的航迹相垂直的面内的多个水深值，一次测量即可覆盖一个宽扇面。多波束测深系统一般由窄波束回声测深设备（换能器、测量船摇摆的传感装置、收发机等）和回声处理设备（计算机、数字磁带机、数字打印机、横向深度剖面显示器、实时等深线数字绘图仪、系统控制键盘等）两大部分组成。 ? ? ?
3 多波束测深技术能够解决的实际问题
黄河作为一条高泥沙河流，多年平均流量1059 m3/s，多年平均年输沙量7200万t。黄河水电站受河流高泥沙影响，水库出现不同程度的淤积，对电站经济运行、水库使用寿命及水工建筑物及边坡稳定性有着重要的影响。
因此及时掌握水库淤积形态，了解水库冲淤变化情况，对控制水库泥沙淤积，延长水库使用寿命，确保电站安全稳定运行，最大限度发挥水库作用和效益起着至关重要的作用。
多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点,同综合卫星定位系统配合，是库区淤积测量工作的一个突破，可在库区淤积测量方面发挥重要作用。
（一）颠覆传统观测方法，提高人机功效及测量质量
相比传统单波束测深系统只能发射一个或两个固定频率的声波,难以兼顾数据采集效率和采集质量，多波束具有具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点。
（二）能够全面系统了解水下地形状态
多波束测深系统利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的库底发射超宽声波束，与现场采集的导航定位及姿态数据相结合,能够绘制出高精度、高分辨率的数字成果图，可更全面了解水下地形状态[3]。
（三）能够为大坝及边坡安全运行提供精确预警
可准确测量出大坝排沙孔、机组进水孔、溢洪道及水库边坡的冲淤情况，能够及时了解泥沙淤积及冲刷对水工建筑物及边坡的影响状况，为水库安全运行提供预警。
（四）能够为水库库容状况提供精确预警
通过全面、高精度的观测，可准确计算出水库库容变化，通过历年不间断数据，可绘制水库库容变化曲线，为水库正常运行及洪水期调度提供精确数据及预警信息。
4 多波束测深技术应用取得的显著成果
通过多波束测深技术的应用，为黄河大峡、小峡、乌金峡三级电站的经济运行及安全稳定运行提供了强有力的技术支撑，取得了显著成效。
在未进行相关技术的应用前，我们对三站库区淤积状况及库容变化的了解是模糊的，无法通过数据准确指导电站经济运行及安全运行，也无法通过库容变化去修正电站的运行方式及调度方式。
在技术应用后，对大峡、小峡、乌金峡电站水下地形图进行了高效、精确测量，并形应用连贯的数据比对分析，能够及时了解水下地形状态。对大坝排沙孔、机组进水孔、溢洪道及水库边坡的冲淤情况有了全面的了解，精准的分析电站水下部分及库区高边坡、滑坡体、堆渣体所处位置水下部分性态，更加全面的分析水工建筑物及岸坡稳定性。为电站经济运行提供数据保障，为安全稳定运行提供预警信息。
5 结语
多波束测深技术在黄河大峡、小峡、乌金峡电站库区淤积测量、指导电站运行及水工建筑物及边坡综合预警方面取得显著成效，下一步，将研究如何利用多波束测深技术成果，结合黄河流域水文特性及水流挟沙能力特性，依据已掌握的水文资料，制定科学的运行方案，三库联动，提高水库利用效率。根据上游水文站洪水预报及时修正调沙方案，以更大限度的冲涮库内淤积，增大库容。最大限度延长水库使用寿命，为水库的运行管理提供科学依据。
参 考 文 献：
[1]陈坚雄.多波束水下地形测量系统及其在水利建设方面的 应用[J].人民珠江，2005，26（4）：21-23.
[2] 王强，陆俊，左迎新.三峡库区水下地形多波束扫测[J]. 现代测绘，2005.
[3]王涛，万新，冯信等.即有库区内取水口预留岩埂围堰施 工技术应用[J].云南水力发电，2019，178（4）：31-34.