摘要：三峡工程明渠截流具有截流落差大、流量大等特点。截流水文监测过程中，运用网络、GPS、ADCP等多项水文监测高新技术，收集了大量实时水文资料，为施工指挥、决策、设计等提供了依据。
关键词：水文监测 高新技术 明渠截流 三峡工程 长江
1 前言
长江三峡工程导流明渠截流具有截流落差高、流速流量大、截流总能量高、强度高等特点，影响因素众多，技术问题复杂。截流戗堤落差、堤头流速分布、戗堤形象、导流底孔分流比等水文信息对指导截流施工起着重要的支持作用。截流施工现场作业面较小，明渠内流态紊乱，封航前必须保证通航等原因使许多常规方法的水文测验无法实现。运用有线和无线网络、多波束测深和前视声呐系统、全球定位流量测量系统、激光全站仪、电波流速仪等高新技术和方法，及时准确地收集了大量流速、流量、水位、戗堤形象等实时资料，实现了信息的采集和发布自动化，避免了常规测验方法的缺点，确保了安全。截流过程中收集到的大量水文实测信息对指导截流施工起到了重要的作用。
2 网络技术应用
三峡工程明渠截流水文信息处理数据量大，时间要求紧迫，如果按照常规方法处理，不可能满足工作需要。明渠截流期间，水文气象信息处理中心（以下简称中心）负责水位、流量、流速分布、导流底孔与坝址的分流比、固定断面监测、水面流速流向等数据的收集、分析、计算、整理、归档，并向截流决策部门、施工单位发布水文信息。利用现代计算机网络技术和信息处理技术建设现代化的信息服务系统，实现从信息采集到基于Web的实时发布，是明渠截流对水文信息处理工作的要求。
2.1网络硬件环境
三峡工程明渠截流水文气象信息网络，包括中心局域网、中心与长江三峡工程开发总公司（以下简称公司）网连接、公司网与长江委员会水文局（简
称水文局）网连接。
中心局域网包括1台服务器、7台微机、6台笔记本计算机、2台打印机，用双绞线连接到交换机。这台服务器兼WEB服务器、数据库服务器和拨号服务器。5条电话线路接调制解调器，用于客户拨号访问中心的网络。在其中的一台计算机上连接水位自记仪和无线数据传输电台。各外业站点配备计算机，其数据通过Internet、无线数据传输电台、或无线对讲机传到中心。
在中心的服务器上安装双网卡，一块用于连接中心局域网，另一块用于与公司网互联。与公司网联接的网卡通过公司网分配的IP地址、网关联到公司网、上互联网。该IP地址由公司的域名服务器解析，公司用户用域名即可访问到中心的网站。
2.2网络环境
中心的服务器采用Windows 2000 Server网络操作系统。客户机及外业站点微机的操作系统为Windows 98/Windows 2000。外业站点与中心无线数据传输采用自行开发的通讯软件，或用电子邮件发送数据到中心。数据处理中心用自行开发的一系列软件建数据库、计算、分析、处理数据。在公司网上使用Lotus Notes中文版网络软件。
2.3网站建设与维护
制作了三峡水文气象信息网，包括水文监测、坝址水情、龙口预报、气象信息、水文计算、上游水情等主要栏目。
2.4数据收集、处理
各外业站点的测验数据通过无线对讲机、无线数据传输电台、Internet邮件等传入数据处理中心。从外业站点发回数据处理中心的各种信息，全部存放在计算机硬盘上。由于采用了网络技术，整个系统的硬件、软件及数据资源都能共享，这样，数据处理中心工作人员就可相互协同工作，减小了各种数据在中心的滞留时间。数据处理中心工作人员，每收到一类信息，立即将其进行分析、计算、整理、归档，并及时向截流决策部门、施工单位发布水文信息。
为了保证成果质量，点绘了落差与水位关系曲线、上下龙口最大流速过程线、上下戗堤水面宽变化过程线、导流底孔分流比过程线、坝址流量过程线等大量的图形，用于数据的合理、正确性分析。
2.5信息发布
发布主要内容包括水位、流量、流速、水面流速流向、固定断面、水下地形等资料和相关的分析成果。
信息发布主要以网站的形式，辅以电子邮件、电话、传真、手机短信、人工递送等。公司网络用户直接上网访问网站。公司外用户可用拨号方式拨入中心的拨号服务器或公司的拨号服务器，来访问网站。
网站采用动态的形式发数据，只要登录到数据库中的数据，即可在网站上及时看到。与此同时，根据截流的进展情况，一天一次、一天两次或两小时一次，制作水文监测综合信息，在网上发布。
对公司的主要领导、相关单位及有关人员，将水文监测信息发送到他们的电子邮箱（或公司Notes邮箱）。
对不能上公司网的单位，我们用传真的方式，发送水文信息。
对现场决策、管理及施工单位，用手机短信或电话，及时发送主要数据。在形成龙口后，从其他作业组抽调了两人，用电话逐时发布水文监测数据。
对公司主要领导、档案馆等有关单位，我们一天一次或两次，将水文监测资料、信息，制成纸介质文档，用人工递送。
3 多波束测深及前视声呐系统
3.1 系统简介
多波束测深系统也称声呐阵列测深系统。随着计算机硬件与软件不断完善，以及GPS全球定位系统的应用，系统不仅在海洋中得到广泛应用，而且在江河湖泊水下测绘中的作用日益广泛。多波束测深系统不仅实现了测深数据自动化和在外业准实时自动绘制出测区水下彩色等深图，而且还可利用多波束声信号进行侧扫成像，提供直观的测时水下形态，被形象地称为“水下CT”。
多波束测深系统工作原理和单波束测深一样，是利用超声波原理进行工作的，不同的是多波束测深系统信号接收部分由n个成一定角度分布的相互独立的换能器完成，因此系统每次能采集到n个水深点信息。
明渠截流水文监测中使用的多波束测深系统型号为SeaBat 9001S，它具有两种发射工作方式。
3.2 系统组成
多波束系统是一套多传感器系统，除多波束本身外，还包括定位测量系统、船舶姿态测量系统和船艏向测量系统。SeaBat 9001S多波束测深系统由甲板单元处理器和水下探头两部分组成。其它配置包括处理器控制指令、采集和显示数据，水下探头发射和接受声呐脉冲；选件配置包括计算机、DGPS、运动传感器（MRU）、电罗经（CYRO）、视频信号记录器、旁扫记录器等。
3.3 在明渠截流中运用
在明渠截流中，SeaBat 9001S多波束测深系统主要用于明渠上、下戗堤围堰形象监测
施测前，在临时船闸LS01号固定断面上进行了系统标定，标定项目包括导航系统时延（Latency）、纵偏（Pitch）、横偏（Roll）和艏偏（Yaw）。
担任本次测量导航的软件为Hypack MAX，作业时用图形和数字方式指示测船的航迹、偏航等各种导航信息。多波束数据采集由SeaBat 9001S随机携带的“6042”软件完成。多波束数据后理采用加拿大通用系统公司（Universal System）开发的商用软件“CARIS”。由于随着上、下戗堤龙口不断缩小，流速不断面增大，故本次采用从上游往下游施测线路，结果表明多束波信号接收良好。部分成果见图3：
图3 下戗堤龙口水下地形图
通过CARIS软件对测量结果进行数学建模，可生成三维立体图。部分成果如图4所示。
三峡工程明渠截流中，当上、下戗堤龙口接近40米时，多波束测深系统只一条航线就完成了水下布点工作，但如果采用单波束测深系统则最少要4条航线才能完成水下布点工作。这为减少测船通过龙口次数，缩短外业工作时间，使上、下戗堤围堰形象监测信息能安全、及时、准确提供给各用户发挥了重要作用。
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图4 上截流戗堤龙口多波束扫测形象图
4 ADCP配合GPS的测流系统
在三峡工程明渠截流水文监测中，要求对截流戗堤堤头流速及明渠和导流底孔过流量进行实时监测。随底孔开启数量变化或戗堤进占，导流明渠和底孔过流量相应发生变化。显然，常规流量测验方法无法达到测验历时最小的要求。另外，明渠内率乱的流态、戗堤堤头较高的流速、禁航前明渠必须保证通航及高强度进占期要求24小时监测等因素，确定了测船不可能在明渠内进行抛锚定位测量。
因此，在三峡明渠截流的水文监测中，必须开发应用一种新的测量系统。利用全球卫星定位系统（GPS）对测船进行定位，多普勒声学流速剖面仪（ADCP）进行流速（量）测量的流量测量系统基于此而开发，满足测验历时短、定位方便、全天候作业的要求，在明渠截流的流速和分流比测验中发挥了重要作用。
4.1 GPS和ADCP简介
全球卫星定位系统（GPS）是通过接受运行在固定轨道上的卫星信号，从而求出地面点位置的一种定位技术，目前已广泛应用于航空、军事、交通、测量等各个领域。GPS的全天候、点间无需通视等特点被充分利用在控制测量中，在水下地形测量时可利用其实时差分模式可以对测点进行连续跟踪定位。高精度的GPS接收机已成为测量单位的必备设备。
ADCP （声学多普勒流速剖面仪）是利用声学多普勒效应的基本原理，用声学换能器作传感器，只需将探头置于水面下一定深度处，即可测得垂线流速分布，具有测验历时短、测速范围大、不扰动流场等特点，是目前世界上最为先进的水文测验仪器之一。
ADCP可分为三个主要的功能系统：ADCP传感器（或称换能器）系统，负责信号的发射、接收及相应的处理；数据采集系统，负责数据采集、处理、记录和存储；导航系统，负责导航定位及速度数据的补偿校正系统。
ADCP的测流原理：该仪器通过按一定规则排列的四个声波换能器，其探头向水体中发射脉冲声波，然后接收来自水体中挟载的浮游生物、泥沙小颗粒等反射体的反射信号，依据反射信号的多普勒频移计算出水相对于ADCP的运动速度矢量；利用测底脉冲测量水深及测船相对于地球的速度矢量，取两者矢量差值就是要测量的流速矢量。用航行速度乘以时间可计算出水面宽。有了水深、水面宽和流速，即可计算出流量。
4.2 ADCP配合GPS的测流系统
系统由GPS参考台、GPS流动台、ADCP、计算机、HYPACK及WINVER两个测量软件组成。
测量作业时，GPS流动台天线与ADCP置于同一位置，通过数传电台接收参考台的数据，利用实时差分模式对ADCP测线（点）进行定位。
当测量已知断面时，将断面端点坐标事先置于HYPACK软件，屏幕上即可显示断面位置和测船现在位置，测船可根据指示准确到达断面并采用ADCP横渡法测量断面流量；
利用该系统进行垂线流速测量时，当ADCP开始收集数据时，同时记录测线坐标。
4.3 系统在明渠截流中的应用
截流戗堤堤头流速分布、龙口最大流速、导流底孔分流量是三峡工程明渠截流必须的流速流量资料。实测时共布设了9条测速垂线和5个流量测验断面。在戗堤高强度进占期和龙口合龙期，要求每半小时测量一次垂线流速和分流比。若采用常规测量方法，根本无法实现。以GPS、ADCP等组成的全球定位流量测量系统较好地完成了测验任务。
⑴ 分流比观测
在茅坪（一）、导流底孔上、明渠坝轴线三处分别设Q01～Q03断面，利用导航软件HAPACK控制测船进行定位，ADCP横渡法测验流量。每断面往返各施测一次，符合要求时取两次均值作为断面流量。
从9月15日导流底孔开始过流至11月6日龙口合龙，共施测分流比81次，渗流量7次。
⑵ 流速分布测验
明渠截流戗堤进占过程中，在上、下戗堤堤头各布设了3个断面，每断面上设测速垂线3条。测量时，通过HYPACK软件记录测线坐标，ADCP采集数据历时为120秒，经过数据处理即可求出垂线分层流速。
ADCP配合GPS的测流系统具有测验历时短、精度高、定位准确方便、全天候作业的特点，避免了常规法测船定位、测速历时长等缺点，在三峡明渠截流过程中收集了大量实时准确的流速和流量资料。
实际测验过程中应注意在选取断面时避免大片回流区或同一断面上有几处回流区。
转贴于5 激光全站仪配合EPS成图测绘系统
激光全站仪是新一代测量仪器，集测距、测角于一身，并且在有人立尺和无人立尺状态下均可有效使用。EPS成图软件，可以方便地进行展点、连线、编绘、计算等功能。在三峡工程导流明渠截流水文测报工作中，由激光全站仪和EPS成图软件组成的测绘系统，成功地完成了戗堤裹头形象测量任务。
实际应用中，系统采用了Trimble激光全站仪和清华山维EPS成图软件。系统使用时只需人工照准测点，全站仪的无棱镜反射功能使得在400m距离内不需要人工立尺，信号发射后EPS成图软件可自动完成三维坐标计算和成图，实现了快捷准确地收集资料，同时避免了戗堤堤头进行有人立尺测量的危险性。
系统在明渠截流过程中成功地进行了下列项目的测量：
口门宽和水面宽测量。通过施测多个测点，绘出裹头的形象，形成堤顶和水边两条曲线，找出曲线与戗堤轴线的交叉点，读出坐标，从而计算出口门宽和水面宽；
裹头形象测量。在戗堤裹头合理布置测点，最后成图；
裹头水位接测。按极坐标法对裹头水位按时进行测量。
6 电波流速仪的应用
6.1工作原理
电波流速仪是微波技术推广应用而产生的高科技，利用多普勒效应来测量水流速度。
6.2 电波流速仪的特点
⑴波流速仪是用微波技术测量水流的表面流速，它不能测出水下流速分布，但是能很好地测出表面流速特征值。
⑵电波流速仪发射角为1度，电磁波呈椭圆扩散状，测量距离越远，电磁波覆盖面越大，实际上电波流速仪所测量的是部分面积的平均流速。在实际工作中需注意测量位置的选择，尽可能保持所测流速的特征性。
⑶电波流速仪的测验性能表现为水面起伏度越大、流速越大、精度越高，在低流速测验时，由于水面较平，宜产生镜面反射而导致误差增大，并且也不太稳定。适合在流速较大的环境中测量。
⑷测量点布设要求。电波流速仪对设站位置的要求比较灵活。只要满足设站点到测量点水平夹角不超过45度，垂直角不超过45度，并尽可能缩短测量距离即可。
6.3 在明渠截流水文监测中的应用
⑴下龙口水面流速测量
当下游截流戗堤龙口束窄至60m时，由于安全原因无法采用测船进行流速分布测量。作为补充方案，采用电波流速仪施测龙口水面流速，每小时观测一组数据，强进占期间每半小时观测一组数据，实际应用效果良好。
⑵上龙口测量
11月6日，应用电波流速仪在上龙口实施测量。每10分钟观测一组数据，龙口即将合龙期间，由于流速变化较大，改为每5观测一组数据，后又改为每1分钟观测一组数据。
7 结束语
⑴ 网络技术的应用大大提高了水文信息采集和传输的速度和准确性，截流指挥、施工、等单位能及时获取最新的实测信息。
⑵ 多波束测深系统减少了常规水下地形测量方法的测船往返次数，可提供三维形象图，更加安全、直观、快捷。
⑶ GPS配合ADCP进行龙口流速及分流比测验，具有适应性强、不扰动流场、测验历时短、测速范围大、测验数据量大、风险小的特点，较好地适应了堤头流速测验等要求。
⑷ 激光全站仪无人立尺测量方法与激光仪配合经纬仪测量方法相比，减少了人工数据合成环节，更加方便快捷，资料准确性更高。
⑸ 电波流速仪利用多普勒频移效应测量水面流速，在其他测验仪器无法施测时作为一种补充手段，收集到了宝贵的龙口水面流速资料。