应用多波束的海洋工程测量技术研究

应用多波束的海洋工程测量技术研究

张志军、徐磊

摘要:介绍多波束探测技术在港口、航道测量和水下物体搜寻等方面的具体应用实例,进一步说明多波束探测技术的高精度、高效率、高密度和全覆盖的特点，展望多波束在三峡工程中的应用前景，为三峡工程水下探测提供新的技术手段。

关键词:海洋测量:多波束测深;水下探测:通航尺度

1前言

多波束测深系统[1诞生于20世纪70年代,我国从90年代开始陆续从国外引进大量多波束测深系统,并广泛应用于海道测量、海洋工程测量、海洋分界测量、海洋资源调查、水下考古测量等领域，在经济建设中发挥着越来越重要的作用。高精度多波束测深系统具有“水下摄影机”、“水下CT"之称，它的诞生及应用,弥补了单波束回声测深仪测深的片面性,弥补了四波束测深的低效率，也弥补了侧扫声纳、软硬式拖底扫海的深度值的不准确性，极大地提高了测量效率,真正实现了全覆盖、无遗漏精密扫测的要求，使人们第一次清晰全面地了解水下微地形地貌。多波束测深系统是现今国际海道测量组织推荐使用的新型海洋测绘设备[2],可以解决传统测量方式的不足,满足精密水下测量的要求,全面、准确、动态地掌握水底细微变化，实现更大的社会效益和经济效益。

2多波束探测技术的具体应用

随着时代的发展,我们越来越希望更深入地了解海底世界,多波束的出现在一-定程度上为我们揭开海底世界神秘的面纱。多波束属于精密测量仪器，它能够在底床形成密集、细小的“脚印”，从而获得高密度的海底像素,通过GIS技术分析、处理这些数据,我们就可以获得高清晰度的海底影像,初步实现水下可视化。

2.1快速准确确定通航尺度

在国际海道测量组织海道测量标准中,为把被测区域的不同精度要求用一种系统的方法处理,定义了4个测量等级,其中一级海道测量只适用于海道测量局明确规定的重要海区，在这些海区，船舶只能以最小吃水净深航行，并且海底特征可能对船只航行有危险，例如对重要海峡、港口、码头、锚地和海底浅层结构的详细探测。一级测量的测线间距要小，并要求使用侧扫声纳、换能器列阵组或高分辨率多波束回声测深仪获取100%的海底覆盖。测量时必须保证测深仪器能分辨出1m3的物体，在可能遇到危险障碍物的海区或狭窄海区,必须使用侧扫声纳和多波束测深仪。可见，利用多波束确定通航尺度的精度已经在国际上获得广泛认可。

图1是秦皇岛东航道扫测水下三维立体图,该航道为人工疏浚航道，航道边沿比较陡峭,航道底部还存在一些没有被挖掉的泥埂等浅点。通过多波束探测,确定了数个浅点的水深和准确位置，指导挖泥船进行右效疏游。极大地提高了挖泥船的工作效率。据测算,该航道长4.7km,宽160m, 如果用四波束扫测,至少需要2个月的时间，而应用多波束扫测，外业只用了1天,其工作效率成倍提高。由于多波束的应用,有力地保证了该航道按时、安全通航。按计划黄骅港将于2001年12月试运营,如何确定航道的通航尺度,是保证港口能否按时运营的关键。如果利用传统的四波束进行全航道(长约35. 5km,宽140m)扫测，最少需要半年,况且秋冬季节风大浪急,四波束作业难度大,根本不可能按时完成任务。2001年10月,建港指挥部决定利用多波束进行扫测。由于多波束扫测的高效性,最后用了4天外业，20多天完成内业处理，完成全航道1: 1000全覆盖扫测图,扫测结果显示航道最浅水深7.4m。疏浚部门根据扫测结果进行重点疏浚,后又经过多波束3次检测，使航道水深达到设计水深8m,保证航道按时运营。

2.2 水下搜寻

利用多波束进行水下搜寻工作，不仅可以快速准确搜寻到目标物，也根据目标物的海底原始形态，分析目标失事原因,还可以根据目标物周围冲刷变化,判断底床水动力情况等。图2是大连“5 7”空难搜寻扫测过程中,探测到的~飞机残骸及冲沟痕迹。此残骸高约1.5m,在残骸下方为一冲沟,可能是“飞机坠海后滑行所致。图3为天津港附近沉船扫测影像图,沉船大致走向为NNE-SSW,船首在下方。沉船两头被海流冲刷，形成深沟，尤其船首处,被冲刷的最厉害,沿海流方向产生一道深沟;在船体中间部分,由于海流被船体遮挡,船体两侧形成淤积体,左侧淤积体比较高,几乎与沉船高度一致，右侧淤积体较小。从图中我们可以分析，该海区海流为NW-SE向往返流，强流为NW向，在海流的作用下，沉船周围微地貌。

2.3水下地形观测

利用多波束测量,不仅可以全覆盖测量水下地形,而且打破了单波束只能测量床面水深,无法准确测量竖直面水深的局限;多波束除了中心波束以外,其他波束都有一-定的倾角,这样它可以轻松地实现竖直面的测量,达到真正全面观测的目的,我们就可以全面了解水下目标的冲刷、变形等情况。图4是青岛跨海大桥预研项目中探测的北、中、南三条选址预案中部分水下地形三维立体图,从图中可以清晰地了解水下微地貌。北线在胶州湾内，底质为塑性粘土,在水动力或人工作用下,产生阶梯状地貌。中线穿过中沙礁,为一典型的礁石地貌,从图中可以清晰地看出NW-SE向的节理、断裂，礁石右侧为海底淤泥,图像较淡且平坦。南线北接团岛，南至薛家岛，是胶州湾内海流最大区域,底质较粗，形成较深的冲刷痕和沙波。

2.4水下建筑物观测

由于防波堤、大坝等区域浪大流急且水深情况不明，所以测船很难靠近。利用传统的方法观测这些建筑物的水下部分,难度很大,如果利用多波束技术，可以轻而易举地实现。图5是且本北九州市响到防波堤由一块块巨大的建筑水泥块构成，海底面布满了碎石，并可依稀看到防波堤底部被冲刷出来的沟痕等细微地貌。从图中分析,我们可以知道该。

2.5泥沙运动研究

泥沙运动研究历来都是水下工程研究的重点,目前,关于泥沙运动方面的研究多集中在原位观测、数模计算、单波束水深比对、同位素跟踪等方法,由于技术限制，很少采用观测整体原始底床泥沙运动的方法。多波束的出现,可以很好地弥补这方面的缺陷。黄骅港建设在粉沙质海岸上,泥沙运动特性复杂。粉沙在水动力作用下极易启动和沉淀,所以研究泥沙运动规律是该港口的一个主要课题。笔者曾应用多波束技术进行该港的泥沙运动研究,取得良好的效果。图6分别是黄骅港外航道在某一次大风前后的水深变化情况,也就是航道底部泥沙变化情况。图中的黑线、红线和蓝线分别是风前测、风后测、风后泥沙沉淀后所测的航道水深。风前，航道因挖泥施工而凹凸不平;大风过程中，泥沙启动，形成.一个相对平坦稳定的高含沙体面，水深变浅;经过一段时间后,悬浮泥沙完全沉淀,水深增加,底部的凹凸程度降低，大风起到消峰填谷的作用。图中蓝线普遍高于黑线,表明在这个过程中有外来泥沙淤积在航道内。通过上图，可以一且了然地知道航道各所以可以精确计算出航道的泥沙淤积量。

2.6预防地质灾害

在河流或河口三角洲地带,由于洪水期和枯水期水动力平衡不同,极易引起水下滑坡、崩岸等水下地质灾害,这些地质灾害一般都有迹可寻。比如,崩岸发生的原因有两种:一种是此前出现了大洪水,近岸河床特别是岸脚发生了冲刷;另一种是该处河床单向变形的长期累积[s],如果事先知道岸脚发生了严重冲刷，我们就可以通过采取拋石等措施防止事故的发生。图7是长江镇江段和畅洲某段的水下地貌，该段在1998年被洪水冲刷侵蚀严重,如果造成崩岸,将危及到洲上的人民生命财产的安全,大水过后，经过抛石等综合治理,消除了事故隐患，岸脚恢复平缓状态。

2.7其他方面的应用

多波束技术还可以应用于其他领域,如应用多波束进行水下考古、水下管线埋设实时监测、海洋资源调查等。

3多波束在三峡工程中的应用前景

三峡工程于2003年6月蓄水发电，高峡出平湖成为了现实。蓄水后，必将对长江中上游流域的地形地貌、工程建筑、水上运输、泥沙运动等产生重大的影响，如果利用多波束技术对三峡水下工程进行监控,就可以全面了解河床及岸坡、建筑物的水下变化情况,及时发现事故隐患,也能够采取相应措施，防患于未然，保证三峡工程和水上运输等的安全;同时,可以深入探讨蓄水后三峡水库的水下地形动态变化规律、泥沙运动规律、坝体冲刷程度等,为三峡工程建设、水库安全运转等提供决策依据。水库形成后,将淹没滩险、单航段和牵引段等,形成横贯东、西的黄金水道,对发展和繁荣长江两岸至沿海地区经济,起到如虎添翼的效应。如何快速准确确定库区的通航尺度和航道范围，是航运部门测绘工作的重中之重。如果应用多波束扫测,不仅可以按时保质完成术生产的多种附加测量也把握航行通道的各利航行通告、疏浚浅滩等工作,保证航运工作的安全。在三峡水库的形成及以后的运行过程中将伴随着复杂的环境变化。三峡工程及其配套工程多为人工建筑，其出现在一定程度上打破了原有的水动力平衡,将受到强烈的冲刷破坏，原有地貌也将通过冲刷淤积等作用达到新的平衡。多波束是高精度、高密度的水下测量仪器，可以观测水下微地貌，初步实现水下可视化，在观测工程建设、底床微地貌等方面有广阔的应用前景。利用多波束观测岸坡和水下建筑物，将及时了解它们的细小变化,对重点水域进行监测，可以全面掌握监测区的微地形地貌在不同水位、不同季节、不同年度、不同汛期的变化情况,结合原型观测建立比较精确的数值模型，分析预测库区内泥沙运动、水动力变化规律。

4结束语

随着现代科学技术的发展，多波束测深系统日臻完善，并向着高精度、智能化、多功能的组合.式测深系统发展，多波束技术的应用范围也必将越来越广，为我们全面了解海底世界做出应有的贡献。

参考文献

[1]陈士杰. 海底管道探测与三维可视化技术的研究与实现[D].浙江大学,2020.

[2]鄢泓哲. 多波束测深系统关键技术研究[D].浙江海洋大学,2019.

[3]纪君平.多波束测深系统在现代海洋测绘中的应用研究[J].科技创新与应用,2019(19):178-179.

[4]林伟填.关于海洋测绘中测深技术的探讨应用[J].智能城市,2019,5(09):64-65.