长江下游黑沙洲水道原型观测技术实施
梁向棋++舒晓明++曹树青++粱达炜
摘 要：为保证长江下游黑沙洲水道航道整治二期工程工可阶段原型观测顺利完成，改善当前水道不利水文条件下的航道条件，扩大航道尺度和通过能力，以黑沙洲水道河段概况为基础，结合长江航道测量实际情况，针对原型观测的内容和技术要求，提出以控制测量、地形测量、水深测量、水文测验及内业成图五个部分组成的观测实施方案，通过严谨的组织、合理的设计、规范的作业、严格的检查，圆满地完成了航道原型观测，同时对原型观测进行项目总结，针对项目实际提出了改进措施。
关键词：长江下游水道 原型观测 施工组织设计 技术实施
长江干线自西向东横贯中国中部，流域内地貌类型众多，流经峡谷河段、岩溶发育河段、冲积河流河段、平原多州滩分汊河段及感潮河段。长江水运建设是长江经济带长足发展的根基。航道测量是航道建设、维护的眼睛，为航道整治建筑物设计、航道整治工程可行性评估、效果评估等提供原始资料和数据基础。黑沙洲水道是长江下游重点碍航浅水道之一，平面形态为首尾窄、中间向左展宽的典型鹅头型分汊河道，由两个江心洲分成南、中、北三个汊道。南水道为现行主航道，但局部沿岸区域水深较浅，局部沿岸区域窜沟逐渐发展为深槽，使浅区流量减少，流速下降。中水道逐渐淤积衰亡，枯水期呈现干涸状态。由于其地理位置及水道情况的复杂性，对黑沙洲水道进行航道整治，改善当前水道不利水文条件下的航道条件，扩大航道尺度和通过能力，对长江下游航道建设和维护有非常大的意义。黑沙洲水道航道整治一期工程已于2011年9月竣工，为进一步改善船舶通航条件，拟开展航道整治二期工程。为满足二期工程河演分析、方案布置和航道整治建筑物设计的需要，需对黑沙洲水道开展原型观测。
工程概况
原型观测包括地形测量和水文测验。观测时间为期一年，包括洪、中、枯共四个测次，分别在**年2月、**年8月、**年11月、次年2月完成。
地形测量范围上起荻港水道皇宫庙、下迄白茆水道保定圩。河道地形测量水上部分观测到两岸的防洪大堤堤顶或与堤顶相近的高程。图上准确标注各种水利、码头设施的位置、尺度、高程等，并将陡岸坡、洲体上植被覆盖标识清楚，标明岸坡崩塌位置和范围、测流断面和水尺的准确位置、已实施整治工程位置、地名。
水文测验包括水位及比降、断面垂线流速分布（包括流量）、表面流速流向的观测以及河床质、悬移质取样。设流量观测大断面7处、临时水尺14把，固定水尺1把（设于黑沙洲水道出口三山河附近）。观测水尺水位、测流断面流速、流量、流向分布，测量时间应与地形测量同步。固定水尺观测从**年2月至次年2月进行每日连续观测，每日观测时间段为上午8：00、下午14：00、晚上18：00。表面流速流向观测南水道主槽布置7条流向线，北水道布置3条流向线，要求在地形测图上标绘流向线、表面流速值及观测时的风况条件；河床质及悬移质取样位置分布均匀，所取样本能较全面反应河段河床质及悬移质情况。
观测技术方案及实施
综合测区概况、观测内容及技术要求，将该原型观测分为控制测量、地形测量、水深测量、水文测验及内业成图五个部分完成。
1、控制组
控制测量平面采用1954北京坐标系，高斯正形投影三度分带，测区所处位置为39度带，中央子午线经度为117°；高程采用1985国家高程基准（绝对图）和当地航行基准（相对图）。采用国家C级网和E级网构建能覆盖整个测区范围的控制网，并解算椭球转换模型的布尔莎七参数。选取的控制点均匀地分布在河道两侧。
2、地形组
地形测量从测区上端至下端实施。无树林遮挡或树林较稀疏的地带，收星良好的情况下，采用中海达RTK测量；树林较密，天空不够开阔的区域，采用天宝R8测量或配合全站仪极坐标法联合测量。地形测量点距根据实际地形按图上0.8-1.5cm实施，对于地形复杂的区域进行了加密测量，详细测绘地形地貌及与重要地物的相邻关系。
3、水深组
为达到观测精度，水深测量时段内测区风力小于3级，浪高小于0.3m。采用快艇从下至上测量主槽水深，对于州滩等水深较浅快艇无法到达的区域采用吃水较浅的船舶同步测量，船舶无法到达的极浅水域采用人工涉水测量，测量范围覆盖整个测区。测船安装仪器后、作业前量取水温，查询《水运工程测量规范》声速表中对应声速值，设定测深仪的声速值、吃水值、灵敏度、量程倍乘、零米线、吃水线、发射功率等相关参数。船上测量人员同步记录浮标名称、位置、类型。
4、水文组
水位及比降观测。固定水尺位置严格按照技术要求中水尺位置坐标控制，设专人每日进行观读。水尺均设置在前方无沙滩阻隔、江水可自由流通、能充分反映当地水位变化情况、能牢固设立、受风浪、激流冲击和船只碰撞等影响较少的地方。使用全站仪三角高程测量方式在工作前后各测定一次水尺零点，并在观测前在三等水准点上进行高程的检查校准，确保了水尺零点测量精度满足四等水准测量要求。水尺观测每次读取水尺波峰波谷的读数，求取平均值，每处水尺均归算为基尺零点上水位。
表面流速流向观测。为保证观测精度，观测时风力不大于3级。采用自主研发的防水抗风型浮标结合GPS自动接收机施测，施放起始位置严格按照技术要求中所做规定执行，浮标均匀分布于水道中。
大断面流速流量流向观测。根据实测的断面资料进行测验垂线布设，布设方法按《河流流量测验规范》中的要求执行。测量船按断面设计采用横断面法施测，断面测点间距为图上0.4cm以内，在深泓和陡岸河床则适当加密了测点。测船始终保持慢速且尽量保持匀速运动。水文测验的流速流向采用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）施测，利用声学多普勒效应原理来进行流速测量，两岸测至ADCP盲区水深处，每次施测均从左岸→右岸、右岸→左岸施测一个来回以上，取所测断面流量的平均值作为实测流量值。
河床质和悬移质取样。采用1000cc横式采样器在各垂线处进行悬沙取样，水样采集时铅鱼到底后等待10秒钟后再采集底层水样，以防止铅鱼对水体的扰动。采集水样后，立即将水样装入容器内并盖紧（装水样的容器事先已清洗干净，不残留泥沙和杂物，每个容器均已编号），同时将样品瓶号、取样点号、层号、日期和时间记入含沙量取样记录表。对于部分水文断面上有垂线水深较浅的情况，换用吃水更浅的小船补测或人工涉水测量，确保垂线水样采样完整率。在悬移质取样的同时在每条测流垂线位置进行床沙取样，取样采用锥式取样器。为满足泥沙颗粒分析要求，床沙取样重量视粒径而定，一般细沙或沙质粘土取样不少于50g，粗沙取样100～300g，直径大于2mm者取样不少于1000g。如遇一次取样数量不足，则分次采取，连续三次取不到沙样时，则不再取样，并在资料中加以说明。
5、内业成图
内业组接收外业原始数据后对数据进行检查，检查严格按照《水运工程测量质量检验标准》执行。检查合格后提取水深数据进行等高线的编辑，绘制地物地貌及水位标记。采用清华山维绘图软件进行图形处理与绘制，清绘后，按AutoCAD格式成图提交。根据测量比例尺的要求，对图面多余数据进行适当的删除，确保了数据分布合理、图面美观。
质量检查
检查内容包括测量任务书、施工组织设计、地形测量、水深测量、水文测验、内业制图。按照《水运工程测量质量检验标准》，逐项对照《水运工程测量规范》上规定的内容进行详查，判断出缺陷的类型，分别按分部工程的缺陷个数及缺陷调整系数计算分部工程的质量得分值（其中调整系数是根据合同产值来确定的），进而求得各单位工程的质量得分值。
经检查，本项目测绘工作组织严谨、设计合理、监督检查严格、最终检查规范。外业作业组能严格执行《规范》和施工组织设计，操作规范，质量控制严密。内外业资料及成图地形测量图幅清晰，注记规范，等高线走向合理，地形图上各要素测绘详细，地物间关系表示合理，水文资料规范清晰，满足各项规范要求。
结论与展望
经验证，观测方案设计及实施适用性高、应用效果好，组织合理，施工控制严格，高效率、高质量地完成了黑沙洲水道航道整治二期工程工可阶段原型观测。为进一步完善观测方案，更好地完成长江下游水道地形、水文原型观测，针对原型观测方案实施中发现的问题，提出以下几点思考：①控制测量采用高斯正形投影三度分带，在投影边缘区域的变形较大，当测距边两端点的横坐标平均值达到45km时，边长的投影变形值已超出《工程测量规范》的要求，必须对测距边作高斯投影改正；②水道枯水期时，中水道演变为淤泥区域，不利于地形组作业人员行走，甚至极可能出现沉陷的危险情况，采用传统的GPS RTK测量方法不仅效率低，还不安全。针对这个问题，可以通过改善观测条件或改变测量方法进行解决。③浮标由水深测量人员在船上观测并记录，可能存在个别浮标漏测的情况，测量的浮标位置偏差也较大。目前，长江电子航道图（3.0版）系统已正式推广运行，该系统中包含了长江沿线各水道实时航标资料。原型观测中航标位置、类型的观测和记录，如果与电子航道图相结合，将能确保水道中航标测量的完整性和精确性。
（作者单位：长江航道测量中心）
