ARC-船的研發(fā)及應用

[] D.K.

河流、河口以及水庫中的測量工作歷來是耗時費力的事，然而由于ARC-船的誕生，使一切都發(fā)生了改變。由瓦林福德水力研究機構(gòu)國際環(huán)境水力學專家研制的ARC-船，是一種遙控船，可以用來收集河流、河口和水庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如流速、水深和懸移質(zhì)泥沙濃度等。該船在國際上已經(jīng)得到較為廣泛的使用，用戶包括英國環(huán)境署、加拿大的水調(diào)查局以及新西蘭的水和大氣研究所(NIWA)等監(jiān)管機構(gòu)。

1 滿足使用者的需求

為了滿足英國環(huán)境署的需求，瓦林福德水力研究機構(gòu)于2011年開始研制ARC-船。與以前的工藝相比，要求該船在性能、可靠性和易用性等方面應有所提高。為此，這兩個組織共同合作以保證所研制的船能夠滿足使用者的要求。

造船工程師設計的ARC-船為V形船體，可以達到最佳的操縱靈敏性以及最小的空氣夾帶量，以確保收集到的數(shù)據(jù)具有效高的質(zhì)量。該船可以配備GPS，而且配置了開放式基底的密封支架，這樣，可以在其上裝設各種儀器，包括聲學多普勒水流剖面儀，淺底地層剖面儀以及回聲測深器等。該船還可以攜帶多參數(shù)探測系統(tǒng)，以進一步擴大其應用范圍。

船的長度約為2 m，船頭可以快速地被拆下，以使其長度減少到1.2 m。這樣可以將船分成2個部分來運輸，且只需使用一輛中等長度的車就能拖運，省去了拖車或?qū)Ｓ密囕v。

在船的上層甲板上安裝有扶手，這樣即使是在最困難的地方，也能使船上的一些配置很安全；另外，該船還具有獨立控制螺旋槳和雙舵，即使是在最惡劣的條件下，也可以提供卓越的操作靈敏性。該船采用的是工業(yè)標準的遙控設備，控制范圍可達200 m，借助于藍牙將數(shù)據(jù)傳到陸地上的筆記本電腦。

2 操作優(yōu)勢

ARC-船在經(jīng)過嚴格的測試(包括在北威爾士的巴拉國家白浪漂流中心進行漂流測試以后，于2012年正式下水投入使用。環(huán)境署首批定制了17艘，ARC-船隨后被環(huán)境署授予優(yōu)秀項目獎。由于ARC-船已證明了其自身在操作中的價值，環(huán)境署的船隊所需要的船數(shù)量在不斷增加，因此現(xiàn)在在英格蘭和威爾士每一個區(qū)域辦事處中，至少會使用一條ARC-船。

ARC-船提供了真正的運行效率，環(huán)境署的水文測量和遙感勘測隊技術(shù)顧問尼克埃弗拉解釋道，該船的裝置和操作非常容易，因此利用它可以在更短的時間內(nèi)測量更多的地點。在ARC-船發(fā)明之前，需要四五個人在一整天的時間里來測量一個地點，而現(xiàn)在只需要2個人在1d時間里最多可以完成6個地點的測量工作。

由于ARC-船可以只需要一個人操作，一旦它進入水中，一個人便能獨立完成一項測量任務，多出的一個人可以開展其他工作。這樣一來，在原先需要借助于載人船和大型團隊才能完成工作的地方，其生產(chǎn)率可以提高近10倍。

ARC-船也為環(huán)境署顯著地節(jié)約了成本。因為該船幾乎可以布置在河上的任何地方，測量人員現(xiàn)在可以選擇能提供最好數(shù)據(jù)的地點，而不會局限于測量人員可以更方便達到或者是具有適當基礎(chǔ)設施的地區(qū)。這種輕松的布置可以減少對昂貴的固定式索道系統(tǒng)的投資及維護費用，后者需通過在河面上牽引流量測量設備來為流量計量站收集標定數(shù)據(jù)。

與ARC-船不同的是索道被固定在一個地點。索道的修建和維護相對來說費用昂貴。大型索道的安裝費用在5萬～10萬英鎊之間，而且需要投入持續(xù)的維護費用。

從河邊的安全方面來看，ARC-船的使用也有助于提高環(huán)境機構(gòu)從業(yè)人員的安全性。為了開展測量工作，他們不再需要到河里或是穿過橋梁及其他潛在的危險地段。

3 防洪反應快速

2013年12月，英國各地的暴雨造成一些沿海建筑物較嚴重的損壞，其中包括賽德和林肯郡的防洪堤壩。環(huán)境保護機構(gòu)向這兩個地方派出了ARC-船來評估建筑設施的損壞程度，并迅速地提供評估資料，以便研究和采取補救措施。

在賽德，惡劣天氣和洶涌的風暴造成150 a來最高浪潮記錄，這對白金漢附近的封砂防洪堤造成了嚴重的損壞。由于沖刷作用，致使在建筑物中形成一個跨度達70～80 m的漏洞，從而導致大量的海水進入一個具有特殊科學價值的生物自然保護區(qū)，并對當?shù)氐墓I(yè)生產(chǎn)和居民的生活造成了威脅。

由于安裝了聲學多普勒水流剖面儀，所以ARC-船能夠通宵地開展測量工作，根據(jù)其測量和收集的數(shù)據(jù)，工作人員在現(xiàn)場即可繪制出漏洞的三維圖。這使環(huán)境署能迅速行動，以有效地修復損壞部位。

在過去，這種類型的測繪工作一直是由一個團隊在船上使用安裝在桿上的儀器來完成的。在賽德和林肯郡這次水災事故中，ARC-船的應用獲得了巨大成功，它能夠快速地進行測量并收集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，以便工作人員迅速采取行動來保護這些受災地區(qū)。更重要的是，自從有了ARC-船，工作人員可以安全地待在陸地上。

4 庫容及其淤積程度評估

ARC-船也可用于庫區(qū)的測量工作。因為英國管理機構(gòu)要求對水庫及湖泊的評估已擴大到包括較小的水域，瓦林福德水力研究機構(gòu)借助于ARC-船，能夠快速、安全、經(jīng)濟地收集測探數(shù)據(jù)。

ARC-船都配備有一個聲學多普勒水流剖面儀或者是回聲測深儀，當船被引導穿過水面時，可以對庫區(qū)河床進行掃描，對記錄的數(shù)據(jù)進行分析以后，即可以得到準確的測量深度，還可以形成整個水體的三維圖。在GIS或CAD中經(jīng)過少量的三維后處理，即可以確定準確的水量。

除了可用于對較小水庫的測量，對于較大的水庫，也可以利用這個新技術(shù)的優(yōu)點來輔助完成諸如創(chuàng)建泥沙淤積模型之類的工作。這種模型可以防止庫容損耗，通過沖沙、開挖和疏浚等方式來延長水庫的使用壽命。

同樣，ARC-船可以用來進行水下水電站調(diào)查或者是抽取管道中的進水量來評估其淤積程度。這項工作極其重要，因為泥沙會嚴重損壞水輪機，或?qū)_刷管道的運行或者對供水管道從水庫中抽水造成很大的影響。