测量中心主题报告.doc

提高水位测量精确度的抗风浪型水尺的研制与应用长江航道测量中心 长江航道测量中心隶属于交通运输部长江航道局, 是一个以水上原型河演观测和工程测量为主的公益事业性单位，并积极开展内河电子航道的研究和开发工作，持有国家测绘局颁发的甲级测绘资质证书，通过了质量、环境、职业健康安全（Q/E/OHS）一体化管理体系认证，拥有国内最先进的测绘仪器设备及雄厚的技术力量。 长江航道测量中心现有职工200余人，拥有中高级专业技术职称人员占总人数的50%以上，拥有大专以上学历人员约占总人数的85%以上。拥有大小各类专用的水上测量船（艇）十余艘，除常规测量设备外还拥有双频RTK GPS、星站差分GPS、双频测深仪、全站仪机器人、电子水准仪、ADCP流速仪、多波束测深系统、侧扫声纳、磁力仪和浅震仪等多种测绘仪器和设备，外业基础数据采集和内业数据处理全部实现了数字化。其业务范围主要包括：工程测量控制、地形、线路工程、水利工程、水下疏浚、陆地吹填工程、变形观测、地下管线、精密工程、桥梁工程、海洋测绘控制、水下障碍物探测、水下地形、港口及航道工程测量等。 近年来，长江航道测量中心深入贯彻落实科学发展观，坚持“面向全长江，服务全行业”，以“服务长江航运、服务流域经济、服务沿江百姓”为己任，凭借着雄厚的技术实力、科学的管理和良好的信誉，在致力于为长江航道提供坚实的测绘保障的同时，积极开展对外测绘经营，足迹遍及海内外。积极参与的大型项目有芜湖大桥航迹测量、广东西江航道测量、湘江煤炭湾试挖槽原型观测水文观测、上湄公河航道整治工程测量、泰国普吉岛深水航道疏浚工程测量、马来西亚柔佛州刁曼岛邮轮码头疏浚工程测量、缅甸仰光蒂拉瓦港口吹填工程测量等，完成了厦门环东海域、天津港、唐山曹妃甸、山东日照、广西防城、大连港等疏浚吹填工程的勘测。在测绘进程中部分项目荣获全国测绘学会科技进步三等奖、湖北省测绘学会科技进步一等奖，全国测绘学会裴秀奖金奖等荣誉。长江航道测量中心利用全球定位系统、地理信息系统、卫星遥感技术为代表的“3S”测绘新技术以及多波束扫测系统等技术，初步建立了长江航道基础地理信息平台，长江航道测绘数据库等地理信息系统建设，能依据用户的不同要求，提供满意的测绘产品和保障服务。一、 提高水位测量精确度的抗风浪型水尺的研制与应用的背景（一） 、长江航运发展的需要三峡水库的建成在防洪、发电、航运等各个方面发挥着重要的作用。为全面落实加快发展“畅通高效、平安绿色”航运的总体要求，全面推进“一条主线四个长江”（以建设长江黄金水道、发展现代长江航运为主线，实现平安长江、数字长江、阳光长江、和谐长江）发展战略，加快实现长江航运现代化，全面提升长江航运核心竞争力，努力实现长江航运发展的新跨越，发挥长江的航运优势，打造一流的黄金水道，长江航道局加快了对中游宜昌至城陵矶的整治步伐。（二）航道整治的需要长江中游宜昌至城陵矶河段长约408公里，按地理环境及河道特性分为两大段，即宜昌至大埠街段、大埠街至城陵矶段。为改善该地区通航条件，使航道达到规划尺度，近年来长江航道局加快了对这两个河段实施航道整治工程建设的进度。为配合上述河段的航道整治工程前期规划设计工作，掌握该河段的水位变化规律和水文特性，在城陵矶宜昌河段设立31处固定水尺，常年观测，每日观测三次（观测时间为8:00、14:00、20:00）。由于三峡大坝实行调节水位管理模式，流经坝下31处水尺的水流经常较急，外加天气变化多端风浪较大，水尺观测的准确性下降。提高水位观测的精度，为航道整治提供准确的测量数据，可以提高航道整治的科学性和合理性。因此需要开展抗波浪型水尺的研制与应用研究。 (三)水上测绘技术的需要长期以来，长江航道测绘每年原型观测中有大量的水尺水位观测、比降观测和水文测验，经常用到水位水尺。观测通常是采用传统方法，即将刻度尺固定在杆桩上垂直打入水中，观察水面与刻度尺的接合处，以获得水位的数值。由于波浪的影响，水面与刻度尺的接合位置是上下波动的，这种波动幅度的大小和周期是无规律的，观察者只能靠经验估算波动幅度的平均值来确定水位。这种确定水位的方式受波浪的影响较大，也与观察者的经验有很大的关系，主观性较强，因而误差较大。这种误差较大的水位数值，直接影响到航道整治的科学性和合理性。因此，如何提高水位观测的准确性，特别是在有风浪的情况下要准确的观测到水位，一直是长江航道测量中心需要解决的技术难题。二、提高水位测量精确度的抗风浪型水尺的研制与应用的内涵与主要做法（一）、分析现象找原理在长江中游测量的过程中，特种测绘处一位外业测量工程师发现：有一个小支流通过12米宽的小沟与大江相通，同样在大风浪天气里，大江波浪高约0.3米左右，而支流的水面较却较为平稳（支流就象一个避风港）。测种测绘处组织全体测量人员对此现象展开讨论，百思不得其解。后来我们组织技术水平较高的工程师在类似天气下踏勘观察了类似支流情况，现象较为一致，在长江风浪较大的情况下，支流的水面仍然较为平稳。经过中心专家组的长时间分析，得出结论：因连接支流的小沟较为狭窄，对波浪有一定的阻力作用，所以导致了支流水面较为平稳。我们联想到在波浪较大的情况下，水尺不易观读的问题，试想：如果水尺设在支流入口，那么水位可能受波浪的影响也较小，以以上支干水流连接的现象作为原理，研制抗波浪水尺实物，我们开展试验研究。（二）、开展技术攻关测量中心为了提高水位水尺的观测精度，组织专业技术人才，展开科技攻关工作。测量中心为解决生产中的技术难题，成立了专业技术委员会，集中中心专业技术水平最高，开拓精神强，学术造诣深的学术带头人组成专家委员会，专门对测量领域的基础性问题，生产中的技术难题展开研究，解决生产的实际问题，近年来先后开展了长江航道测量资料管理系统研制、GPS精密单点定位技术在航道测量中的应用研究、长江航道测量作业流程和数据处理标准化研究、长江航道局域无缝垂直基准建立及高程转换模型研制等科题研究，提高了理论水平，解决了实际难题，提高了生产效率。（三）、项目人材培养测量中心始终坚持以人为本，重视人材在科技创新工作中的主体地位，大力实施“111”工程和“职工素质达标工程”，着力提升职工队伍的科学素养和创新能力，为科技大进步、中心大发展提供人才保障。与此同时测量中心以重大工程建设和科研项目为依托，加强高层次人才培养，建立学科带头人制度，成立专家委员会，通过培育造才、岗位育才、重奖英才、大胆用才等手段着力提高科技人材的能力和水平。该项目在立项过程中测量中心大胆起用工作年限不长的大学生参与了部分工作，为他们的成长提供了宽广平台，激发了广大青年科技人员干事创业的激情与活力。（四）、实物研究：通过反复试验和思考，测量中心特种测绘处的向晋祥工程师提出了一种装置，如下图（图1实物图，图2为简易水尺图，图3为“校尺”玻璃管图，图4为完整的新型抗波浪水尺结构示意图，图5为装置俯视示意图）：1、实物结构实物主要由四大部分组成：尺体、玻璃管体、毛细管件和水尺浮标四部分组成。水尺构件说明主 体 构 件主 要 部 件标号尺 体搪瓷刻度尺M1杆桩M2玻璃管体上封盖1透明卡箍5螺栓4有机透明圆玻璃管3毛细管件毛细管6下封盖7水尺浮标红色浮标22、工作原理经过思考，在搪瓷水尺（长1.2米，尺面宽7厘米）上加了个“附尺”（即透明圆玻璃管），用来“校正”水面的波动（选圆玻璃管做“附尺”是因为玻璃管便于清洗、防腐蚀、易于视读等多方面的考虑）。毛细管好比支流的入口，玻璃管内水面好比支流水面，玻璃管外水面好比长江水面。3、实物匹配研究透明圆玻璃管和管底的毛细管直径大小及两者直径是否适配对水尺观读的准确性十分重要，为弄清楚这个问题，测量中心技术人员进行了长达两个月的实验。相关试验，结果如下（见表4）：表4 透明圆玻璃管和毛细管直径尺寸及适配试验圆玻璃管直径X（cm）7X66X4XX3.53.5X1.5X1.5玻璃管内、外水面波动步调（一个波浪周期）较一致滞后12秒（不超过一个波浪周期）滞后2秒以上（超过一个波浪周期）实验特点毛细管直径大于3.5毫米，玻璃内的水面会随波浪同步升降1.53.5毫米毛细管连通46厘米的玻璃管时，管内水面滞后不超过一个波浪周期，玻璃管内水面显示较为平稳如果毛细管小于1.5毫米，玻璃管内水面延时超过一个波浪周期，太细会发生“倒吸”现象，水面反而会高出管外水面，不能反映真实水位。试 验 结 果1、从圆玻璃管实验结果来看：圆玻璃管选用直径46厘米较合适；2、从试验匹配效果来看：要与直径46厘米圆玻璃管相匹配，要保持圆玻璃管内水面显示平稳，毛细管选用1.53.5毫米毛细管，较为合适； 从以上结果来看，抗波浪型水尺要想达到最佳效果，毛细管和圆玻璃管尺寸达配是非常重要，最终选用直径46厘米圆玻璃管，毛细管选用1.53.5毫米毛细管，作最适尺寸。4、在试验的过程中又发现，当读尺者离水尺3米以外时，玻璃管内的水面不易视读，为此我们在玻璃管内放一个颜色反差大的红色浮标，以便观察玻璃管内水面刻度。通过以上研究、实验，新型“抗波浪型水尺”最终方案如下表：方案主 体 构 件主要部件尺寸抗波浪型水尺尺 体1、长度为1.20米2、1.6米杆桩玻璃管体1、直径为5厘米2、制作封盖3、制作透明卡箍毛细管件毛细管直径2.5毫米，长4厘米水尺浮标半球状，短轴半径不超过1cm5、样品试验：把样品水尺放在有波浪的江水进行试验。试验表明，在三、四级风浪下，玻璃管内水平稳定，易于观读，说明研制的“新型抗波浪水尺”的方案是可行的。（五）、推广应用情况和效果检查抗波浪型水尺研制成功后，为了检验其时效性和水位观测精度，我们在长航系统内水位测量单位进行了推广应用,反馈如下： 1、坝下宜昌至城陵矶31处固定水尺观测点加设了“抗波浪型水尺”，新型抗波浪型水尺水面显示平稳，在有风浪的情况，原观测水尺的准确性只有65%左右，抗波浪型水尺的准确性达95%左右。准确性提高明显。2、2010年1月2011年3月，长江宜昌航道测绘处在芦家河段昌门溪、姚家港水尺以及平时的原型观测中进行了试用，在有风浪的情况下,透明圆玻璃管内水面平稳，水尺的读数误差0.5cm（达到测量标称精度）。 3、长江武汉航道局监利测绘处、荆州测绘处进行长达一年多时间的试用，检测，普遍反映：携带和操作简单，在有风浪的情况下，红色浮标波动不大，较为平稳。测量人员能在较短时间内完成读尺任务，提高了水尺观读效率和准确率，体现出较好的抗波浪效果。4、在太平口、窑监、芦家河等水道的原型观测和比降观测中进行了试用，水位观测和比降观测的数据准确，水位改正效果好，物理模型验证均通过，得到专家的一致认可。（六）主要创新点技术创新点(1)“抗波浪型水尺”是一种完全不受波浪影响的新型水位水尺；(2)“抗波浪型水尺”结构简单，操作方便，适于推广使用；(3)“抗波浪型水尺”设计巧妙，技术先进，具有自主知识产权，专利在申请过程中。(4) 将来还可以利用现代电子技术，进一步改进，提高工作效率。（七）实现的目标1、本项目通过运用技术手段和先进管理方式，有效解决了在风浪较大的情况下水位观测数据不准确的问题，提高了原型观测和工程测量的水位精度，保证了质量，提高了工作效率。2、抗波浪型水尺的研制成功，消除了波浪对水位观测的影响，大大提高水位测量的精度，提高了航道整治的效果，也为湖泊抗洪救灾决策等提供了可靠的依据。3、该项目的研制成功，增强了技术水平，提高了企业的竞争力，对增强企业软实力、提高社会影响力、提升企业形象有着重要的意义。4、该项目的研制过程，培养了人材，锻炼了队伍，提高了业务水平和研发能力。三、提高水位测量精确度的抗风浪型水尺的研制与应用效果1、目前国内还没有这种能消除波浪影响的水位水尺。因此，能消除波浪影响的水位水尺的研制成功是一种创新，成果的应用范围也较为广泛。2、芦家河和荆江河段是中游航道整治的重点和难点，为此从宜昌至城陵矶共设有31处固定水尺，长年观测。“抗波浪型水尺”如在这些河段率先使用，将有效提高该河段水位观读的准确性，掌握该河段的水位变化规律和水文特性，提高该河段治理的整体效果和维护水深。3、产生的经济效益抗波浪水尺的研制成功有效减少了有风浪天气对工作的影响，同时提高了水尺观读人员效率，加快了内业数据处理的进度，提高了有效工作时间。通过测算，每年节省成本支出103.68万余元，经济效益主要体现在工作效率提高，节约成本支出，在水利工程、航道整治工程中节约建筑材料消耗，在将来的推广应用方面还可以通过销售设备盈利等几个方面。4、社会效益（1）、抗波浪型水尺研制的成功，确保了今后各原型观测河段物理模型试验的成功以及整治工程方案的设计正确，其潜在社会效益是无形的，经济效益也是不可估量的。“抗波浪型水尺”在长江上的推广应用，必然对长江水运及沿江地区的经济发展作出贡献。 （2）、研究成果不仅能在长江航道的原型观测、工程测量和航道施工中广泛使用，也可应用于我国其它的江、河、湖、海的水位测量，防洪水位预报、船舶航行水位预报等。水位测量精确度的提高，不仅能提高对河道整治、水利建设决策的科学性和合理性，还可为抗洪救灾等决策提供可靠的依据。“抗波浪型水尺”的推广应用，必将会在社会和经济两方面都产生较大的效益。