三峽水庫深水測深技術試驗研究

李 平 樊 云 彭勤文 李紅巖

(長江水利委員會長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌 443000)

1 概述

三峽水庫形成與運用初期，大量泥沙落淤水庫。泥沙在沉降過程中，構成了泥沙容重不等的淤泥層面，給河床底的界定帶來一系列不確定因素;高邊坡、部分河段水深近200 m以及水體雜物構成了復雜的測深環(huán)境。

理論上，水深測量精度與測深儀發(fā)射的聲波能量、集束度、反射面(河床)密度及聲波載體的水溫以及水體含鹽度、含沙量有關。河道測繪測深精度受測深、定位、水位改正、測量環(huán)境效應等誤差因素影響。

(1)測深誤差包括測深儀本身誤差(儀器標稱值)、換能器動態(tài)吃水、聲速、水深改正模型所形成的誤差。

(2)定位誤差包括GPS接收天線多路徑效應、差分方法(偽距/相位差分)、電離層改正模型、單頻/雙頻機、衛(wèi)星幾何強度、定位點到GPS差分基準站的距離、差分信號發(fā)送間隔、不同坐標系間坐標轉換等所形成的誤差。

(3)水位改正誤差包括水位觀測值、水位改正模型、高程基準面等造成的誤差。

(4)測量環(huán)境效應誤差包括波浪效應、定位中心偏心效應、測深延遲效應、船速效應、波束角效應等。

本文充分利用三峽水庫蓄水前后所收集的庫區(qū)水道地形、典型河道斷面資料，綜合三峽水庫近壩段測深技術試驗資料，探求在有淤泥沉積和高邊坡的河床邊界條件下，應用不同頻率、波束角的測深儀獲取優(yōu)質回波效果與改正的方法，以求解決深水水庫河道測繪的難題。

2 測深精度試驗

三峽壩區(qū)近壩河段的斷面形態(tài)充分反映出三峽河段的典型特征，即水深、邊壁陡峭。三峽水庫蓄水后，壩前泥沙落淤形成的特殊河床底。三峽水庫深水測深試驗工作選擇在三峽壩區(qū)近壩河段。參與試驗的測深儀7臺套，工作頻率為24～200 kHz。

針對測深與測量環(huán)境效應誤差因素，三峽水庫近壩段測深技術試驗包括以下內(nèi)容:

(1)精密測深方法試驗研究;

(2)測深載體對測深的影響，即船體動吃水深與運動速度的關系;

(3)測深儀器的適應性，包括測深儀的頻率、功率、數(shù)據(jù)更新率、性能參數(shù)、聲速與姿態(tài)數(shù)據(jù)、通信、穩(wěn)態(tài)性等;

(4)測深精度試驗，即儀器穩(wěn)定性、靜態(tài)精度、動態(tài)精度，水溫對測深的影響，時間延遲對精度的影響，河床淤積物密度對測深的精度影響;

(5)姿態(tài)效應的耦合作用與改正，主要是波束角參數(shù)與邊界條件的綜合影響，采用單波束測深儀與運動傳感器配套運用;

(6)信息處理技術，含數(shù)據(jù)存貯、輸出、校核、數(shù)據(jù)處理、測深總改正數(shù)分析確定等;

(7)河床界面判定;

(8)作業(yè)技術對測圖精度的影響。

3 影響因素分析

目前，使用廣泛的水下地形測繪系統(tǒng)大多由平面定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)、測深系統(tǒng)組成。本文僅討論單波束測深儀測量水深精度問題。

(1)測深波束角效應及穩(wěn)定性。將測深儀測量的水深與測繩所測水深進行比對，衡量測深儀水深測量精度。結果表明，測量值最大相差1.96%。隨水深的增加，不同測深儀間的差別更明顯。即使用同一部測深儀測量同一床面點(面)調(diào)節(jié)測深儀的靈敏度，在高敏與低敏情況下的水深值也存在差異，最大相差0.41%，這與測深儀的穩(wěn)定性有關。

(2)床面泥沙組成。對于硬質平坦床面，在相同高程面，無論使用何種測深儀測量的水深都應是相同的;在床面松軟或存在沉積物(淤泥)的情況下，使用不同頻率測深儀測量的水深值普遍存在差異。

沉積物(泥沙)顆粒之間總存在空隙，聲波在沉積層面上能產(chǎn)生反射與透射［1］。泥沙的粒徑與穿透深度的關系比較復雜，不是單一的對應關系，主要由表面反射、內(nèi)部反向散射和分層反射等信號疊加而成。沙粒間孔隙距對聲波散射起到較大作用。沉積物的密度、孔隙度、聲速和反射系數(shù)相互影響，具體參數(shù)見表1。

表1 典型沉積物的密度、孔隙度、聲速和反射系數(shù)

(3)床面起伏。測深儀具有一定波束角，發(fā)射超聲波覆蓋的床面為不規(guī)則面。根據(jù)最短邊聲波優(yōu)先反射的原理，不同波束角的測深儀，在相同床面區(qū)測量，測量的水深值可能存在差異，差異大小則取決于床面起伏變率。對同一部測深儀，徑向測量的同一點水深差值，也會隨起伏度增大而增加。在S34斷面，起點距 140 m(邊坡約 36.7°)，最大差值達11.19 m;床面的起伏度越大，測深儀的波束角越大，測得水深值越小，反之亦然。

(4)淤泥河床。使用測深儀的高、低工作頻率測量淤泥干容重較小的床底，獲得的水深不盡相同，這與淤泥層密度大小有較大關系。河床表層的淤泥干容重至少達到0.5 g/cm3，才可獲得高、低頻相同的水深成果。

測深儀工作頻率在100～200 kHz時，測量聲波在水中傳播輻射至河底，在介質干容重約為0.18 g/cm3的界面時均能產(chǎn)生反射，并形成回波。測深儀工作頻率約為24 kHz時，測量聲波在水下傳播時，可穿透一定的淤泥層面，其反射回波信號的介質干容重最小約為0.5 g/cm3。

在同一床面沉積的泥沙干容重為0.18 g/cm3時，使用不同頻率的測深儀測量同一點水深，結果表明，工作頻率越低的測深儀，測量的水深值越大，而中、高工作頻率測深儀測量的水深值則差別越小。隨沉積泥沙干容重的增加，不同工作頻率測深儀測量的水深值之差逐漸減少，當床面泥沙干容重達到某一量值約1.20 g/cm3時，使用低頻與高頻測深儀測量同一平坦床面的水深基本相同。當三峽大壩壩前河段水底的泥沙粒徑在0.004～0.129 mm之間，干容重約為 0.90 g/cm3時，使用工作頻率24 kHz與200 kHz的測深儀測量的水深值存在差別(見圖1)。

圖124 kHz與200 kHz測深差與床面泥沙容重關系圖

(5)測深載體。常見的水深測量均使用船舶為載體，現(xiàn)行國家、行業(yè)規(guī)范均規(guī)定，測深儀濕端設備(換能器)安裝在測船的中部，以減少動船時船舶坐尾抬頭而造成的吃水深變化影響。測船動態(tài)吃水深變化因船型、航速的不同，呈動態(tài)變化，船艏、船尾的變化也不相同。在內(nèi)河水文測量中，參試的風云2號、水文026輪屬大、中型測船。試驗中，不管以何種速度航行，均產(chǎn)生動態(tài)吃水深。航速越大，動態(tài)吃水深越大，試驗測船的船中動態(tài)吃水最大值可達0.10 m，一般為0.06 m左右，測船縱傾平均達 0.3°，見表2。因此，在實際測量中，換能器宜安裝在測船中部。若安裝在測船其他部位，應綜合考慮測量航行速度，適當調(diào)整換能器安裝的鉛直度，以便換能器在測船航行中能保持鉛直狀態(tài)。測量實施前，應先行試驗測船動態(tài)吃水，以改正動船對水深測量的影響。

表2 測船動態(tài)吃水試驗統(tǒng)計

(6)水溫影響。超聲波在不同水溫條件下，傳播速度不同。水溫測量的準確性決定了聲速的準確性。一般河流水流處于動水中，水流擾動充分，水溫沿水深分層不明顯，可作恒溫體加以處理。

三峽水庫正常運行后，水庫水深可達200 m，中、底層水基本處于靜止狀態(tài)，與上層水交換不充分，存在水溫分層現(xiàn)象，部分時期甚至出現(xiàn)水溫躍層現(xiàn)象。在試驗期，水庫水體表層與底層水溫相差1℃，且呈線性分布;而在以表、中、底層水溫分別設置聲速，測量水深產(chǎn)生的誤差在允許范圍內(nèi)，小于0.1%。因此，運用分溫層計算水深更為精確。

(7)船姿對水深的影響。改變測船姿態(tài)對單波束測深系統(tǒng)的影響有兩個方面:①GPS天線與測深儀換能器不在同一垂線時所表現(xiàn)出的點位誤差;②由于測深儀換能器向下發(fā)射聲波，所得的水深并非垂直向下，該時刻測深儀所測得水深及水深點點位存在一定偏差。

在施測過程中，測船姿態(tài)改變3個分量變化是不均勻、隨機的，是否應用姿態(tài)傳感器對測量深度存在明顯差異。當航向(從左至右或從右至左)相同時，橫斷面圖基本重合，其面積最大相差 0.16%。當航向不同時，面積相差最大值達1.47%，橫斷面圖平坦處變化不大，在陡坡處變化明顯。

4 結論

深水水庫地形測量精度主要受測量系統(tǒng)構成、測量技術、數(shù)據(jù)處理等多種因素綜合影響。波束角過小或過大的測深儀在測量高邊坡區(qū)水深時誤差較大，且工作頻率過低，這可能將新淤積的泥沙層過濾掉。高工作頻率100～200 kHz的聲波信號，在河底表面介質干容重約為0.18 g/cm3時就發(fā)生反射，產(chǎn)生回波信號。低工作頻率(24 kHz)穿透的河底淤泥干容重約為 0.5～1.08 g/cm3，受到發(fā)射功率制約，穿透淤泥層厚度有限，水深越大，穿透能力越小。因此，適合大水深、高邊坡環(huán)境河床測量的測深儀應滿足波束角4°～8°、工作頻率100～200 kHz、儀器輸出功率大于150 W的基本條件。

為保證地形測量精度，應適當控制測量船速，外接姿態(tài)測量系統(tǒng)，進行測船姿態(tài)改正(包括動態(tài)吃水)，從而提高平面與水深測量精度。深水條件測量必須監(jiān)視測量水體水溫，特別是水溫躍層，若存在水溫躍層時，水深應分層改正。

［1］ 王寶成，左訓青，車 兵.不同頻率回聲測深儀測量水庫淤泥的初步研究［J］.人民長江，2006，37(12):59 －60.