三峽庫(kù)區(qū)水深測(cè)量影響因素及改正方法研究

聶金華　　全小龍　　張辰亮(長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌　443000)

?

三峽庫(kù)區(qū)水深測(cè)量影響因素及改正方法研究

聶金華全小龍張辰亮(長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌443000)

摘要：三峽水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)水深大幅增加，使水深測(cè)量精度影響因素變得更為復(fù)雜。對(duì)深水庫(kù)區(qū)水深測(cè)量影響因素展開了研究，通過對(duì)影響因素的比測(cè)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析及總結(jié)，找出相應(yīng)的改正方法以提高水深測(cè)量精度。這些對(duì)開展水庫(kù)泥沙研究、水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度具有重要意義。對(duì)研究目的和內(nèi)容、試驗(yàn)過程以及數(shù)據(jù)分析等情況作了介紹。

關(guān)鍵詞：庫(kù)區(qū)蓄水；水深測(cè)量；影響因素；三峽水利樞紐

1研究目的與內(nèi)容

自2009年三峽水庫(kù)成功蓄水至175 m以后，庫(kù)區(qū)水深大幅增加，部分河段水深超過了200 m。水深的急劇增加，導(dǎo)致水庫(kù)測(cè)深精度下降現(xiàn)象突出，且已成為該庫(kù)區(qū)水深測(cè)量亟待解決的技術(shù)問題。

影響水深測(cè)量精度的因素很多，主要有測(cè)量?jī)x器及儀器載體、水流條件、河床邊界和氣象條件等。長(zhǎng)江委水文局于1997、2006年開展了水深測(cè)量選型試驗(yàn)研究，使深水測(cè)量測(cè)深儀選型問題已得到解決。但是，水深測(cè)量過程中，受測(cè)區(qū)水流、風(fēng)浪等外界因素影響，測(cè)船會(huì)出現(xiàn)左右、前后搖擺及升沉變化(即測(cè)船姿態(tài)變化)，這種變化對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生的影響會(huì)隨水深的增大而增大；而且每年特定時(shí)期，水庫(kù)水體還存在水溫分層，它對(duì)測(cè)深精度有著同樣不可忽視的影響。

為此，需深入研究庫(kù)區(qū)水深測(cè)量影響因素及改正方法。這對(duì)于提高水深測(cè)量精度，特別是對(duì)水庫(kù)泥沙研究、水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和科研價(jià)值。主要研究?jī)?nèi)容包括：①影響三峽庫(kù)區(qū)水深測(cè)量精度的因子；②單波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)船姿態(tài)改正技術(shù)；③適用三峽水庫(kù)水深測(cè)量的最佳聲速公式；④存在水溫躍層時(shí)水深測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法。

2外業(yè)試驗(yàn)

三峽庫(kù)區(qū)壩前至廟河河段屬西陵峽廟南寬谷段。該河段斷面形態(tài)呈“V、U”型且岸坡坡角在15°~75°之間；水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，平均水深約140 m，水流平緩；河床中泓底質(zhì)多為細(xì)粉沙、粘土。圖1示出了代表河床變化平緩和劇烈的8個(gè)典型斷面。

圖1　深水試驗(yàn)斷面布置示意

在水庫(kù)存在典型水溫躍層(5月底~6月)與不存在水溫躍層時(shí)期，根據(jù)分單波束測(cè)深系統(tǒng)集成與不集成姿態(tài)傳感器的實(shí)情，使用不同船型并按1∶2 000精度測(cè)量試驗(yàn)斷面，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(1) 在每一斷面上，中泓觀測(cè)水溫梯度，并采用低、中、高船速各往返觀測(cè)1次；同期，使用淺地層剖面儀測(cè)量斷面一次。

(2) 在S33、S34斷面，做快速調(diào)向、變速航行、急速停車及倒車等特殊航向試驗(yàn)。

3數(shù)據(jù)分析

基于海洋測(cè)繪領(lǐng)域水深測(cè)量影響因素及改正方法研究成果、前期水深測(cè)量研究成果、庫(kù)區(qū)泥沙淤積分析成果、庫(kù)區(qū)本底監(jiān)測(cè)成果和試驗(yàn)原型觀測(cè)成果開展數(shù)據(jù)分析。

3.1影響水深測(cè)量精度的因子

(1) 當(dāng)測(cè)船的橫搖角Roll和縱搖角Pitch大于波束角寬度時(shí)，不僅產(chǎn)生深度誤差，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生測(cè)深點(diǎn)的位置誤差；船的橫搖和縱搖對(duì)波束較寬的測(cè)深儀影響較小。

(2) 測(cè)船的起伏Heave對(duì)深度測(cè)量產(chǎn)生直接的影響；而且船的橫搖和縱搖也會(huì)使測(cè)船產(chǎn)生誘導(dǎo)起伏(或稱感生起伏)。

(3) 低速測(cè)量過程中，測(cè)船動(dòng)態(tài)吃水較?。贿^快的船速會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)吃水明顯增大。

(4) 測(cè)船移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生測(cè)點(diǎn)測(cè)深誤差和位置偏移誤差；在測(cè)量條件一定(波束角和水底傾斜角)的情況下，船速較高會(huì)產(chǎn)生較大的誤差；為提高測(cè)量精度和測(cè)深效果，應(yīng)限制測(cè)量船速。

(5) 其他測(cè)量條件相同時(shí)，不同船型會(huì)對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量船姿，測(cè)深系統(tǒng)中的姿態(tài)傳感器可大大降低或消除船姿對(duì)測(cè)深及平面定位的影響；但當(dāng)船姿相差較大時(shí)，可導(dǎo)致實(shí)時(shí)采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)不能完全消除測(cè)船姿態(tài)的影響，則此時(shí)不同船型會(huì)存在一定的測(cè)量誤差。

(6) 水深測(cè)量環(huán)境復(fù)雜多變。國(guó)內(nèi)外對(duì)水深測(cè)量影響因素研究和實(shí)踐表明：水體水溫、水體密度、床面組成及傾角等是影響水深測(cè)量的主要環(huán)境因子。

3.2單波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)船姿態(tài)改正技術(shù)

3.2.1深度改正

(1) 船體橫搖對(duì)深度的影響。設(shè)船體在t時(shí)刻發(fā)生橫搖角α，實(shí)測(cè)深度為R，測(cè)深儀的波束角為θ，則因橫搖產(chǎn)生深度方向的附加誤差為：

當(dāng)|α|<θ時(shí)，α引起測(cè)深信號(hào)的偏移仍在波束角的范圍之內(nèi)，深度毋需改正；

當(dāng)|α|>θ時(shí)，則引起附加測(cè)深誤差Δd，即

(1)

(2) 船體縱搖對(duì)深度的影響與船體橫搖對(duì)深度的影響相似。設(shè)β為船體縱搖角度，則船體縱搖引起的深度方向的改正為：

當(dāng)|β|<θ時(shí)，β引起測(cè)深信號(hào)的偏移仍在波束角的范圍之內(nèi)，深度毋需改正；

當(dāng)|β|>θ時(shí)，則引起附加測(cè)深誤差Δd，即

(2)

(3) 升沉變化Heave對(duì)水深測(cè)量產(chǎn)生直接影響，對(duì)于平面位置不產(chǎn)生影響，改正量為:

z=R*cosφ+Heave

(3)

式中，φ為入射波束與垂直方向夾角。

3.2.2平面改正

由于船姿的作用，實(shí)際測(cè)量點(diǎn)沿船體坐標(biāo)系的某個(gè)軸發(fā)生一定程度的旋轉(zhuǎn)(橫搖角α、縱搖角β、航偏角γ)，從而改變了船體坐標(biāo)系VFS和當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系LLS的相互關(guān)系，也改變了波束腳印坐標(biāo)在VFS下的計(jì)算參數(shù)，其綜合影響為

(4)

A=Dtanφdh+Ddβ

(5)

B=Dtanφdh2/2+Ddα

(6)

式中，D為深度，D=Rcosφ；dh、dα、dβ分別為航向、橫搖角和縱搖角測(cè)量誤差。

3.2.3動(dòng)態(tài)吃水改正

動(dòng)態(tài)吃水可通過船體處于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)時(shí)的GPS天線在垂直方向的差值來確定，它同深度在同一垂直面上，因而對(duì)測(cè)深有著直接影響。經(jīng)試驗(yàn)，在常規(guī)測(cè)量速度(4節(jié)左右)行進(jìn)過程中，動(dòng)靜吃水平均變幅不大于1 cm，可忽略；測(cè)船高速航行時(shí)動(dòng)態(tài)吃水明顯增大，超過10 cm。

3.2.4船速影響

(1) 船只移動(dòng)造成的測(cè)深點(diǎn)位置偏移誤差計(jì)算。該誤差是測(cè)量水深和船速的函數(shù)，它隨水深和船速的增大而增大，且總是在測(cè)量船測(cè)量航向上產(chǎn)生正的測(cè)深點(diǎn)位置偏移誤差。水深100 m 和船速10節(jié)，產(chǎn)生0.69 m的誤差；水深200 m和船速10節(jié)，產(chǎn)生了1.37 m的誤差，因此對(duì)于水深小于200 m和船速小于10節(jié)時(shí)，測(cè)量船移動(dòng)產(chǎn)生的測(cè)深點(diǎn)位置偏移誤差小于1.37 m。

(2) 測(cè)深誤差。船只移動(dòng)產(chǎn)生的測(cè)深誤差與測(cè)量水深、船速、波束角和水底傾斜角等因素有關(guān)。當(dāng)α=-1°,θ=1.5°時(shí)，對(duì)于水深200 m和10節(jié)船速，其最大測(cè)深誤差為-0.01 m，相對(duì)測(cè)深精度為0.005%水深，且當(dāng)α和θ一定時(shí)，測(cè)深誤差隨測(cè)量水深和船速的增大而增大。在200 m水深和10節(jié)船速的條件下，當(dāng)α=-10°,θ=2.5°時(shí)，最大誤差為-0.03 m，相對(duì)測(cè)深精度為0.015%水深；當(dāng)α=-60°,θ=5.0°時(shí)，最大測(cè)深誤差為-0.06 m，相對(duì)測(cè)深精度達(dá)到0.03%水深。由此得出結(jié)論，當(dāng)測(cè)量水深和船速一定的情況下，測(cè)深誤差隨α的增大而增大，但增加量受θ的限制。因此相對(duì)水底傾角的變化，測(cè)深誤差隨θ和船速的增大變化更為明顯。為滿足不同等級(jí)測(cè)量的要求，應(yīng)根據(jù)不同測(cè)量等級(jí)的精度要求采用窄波束或甚窄波束和限制船速的方法降低其影響。

3.3適用三峽水庫(kù)水深測(cè)量的最佳聲速公式

水中的聲速主要受水溫、鹽度和壓力(深度)影響。溫度增加1℃，聲速增加約4.5 m/s；鹽度每變化1‰，聲速變化約1.3 m/s；深度增加1 m，約增加0.1個(gè)大氣壓，聲速增加約0.016 m/s；其中以水溫變化對(duì)聲速影響最大。

以庫(kù)區(qū)采用聲速剖面儀實(shí)測(cè)溫度、聲速為基準(zhǔn)，應(yīng)用《水道觀測(cè)規(guī)范》(SL257-2000)聲速公式、《海道測(cè)量規(guī)范》(GB12327-1998)聲速計(jì)算公式、Wilson精確公式、Medwin公式(Wilson 簡(jiǎn)化公式1)、Wilson 簡(jiǎn)化公式2，以及Leroy、Dell Grosso、Mackenzie 公式和Chen-Millero-Li[1998]聲速方程共9種經(jīng)驗(yàn)聲速公式進(jìn)行試算。在不考慮鹽度影響、水溫變幅達(dá)19.63℃(10.94~30.57℃)的條件下，不同公式計(jì)算的聲速與實(shí)測(cè)聲速結(jié)果比較如下。

(1) 同層水溫變幅較大時(shí)，接近程度依次為Chen-Mille-Li、Machenzie、海道、Medwin公式；

(2) 沿深度樣本系列偏差算術(shù)平均值小的依次為Chen-Mille-Li、Machenzie、海道、Medwin公式；

(3) 樣本系列偏差離散度較小的依次為Machenzie、Medwin、Leroy、海道、Chen-Mille-Li公式；

(4) 樣本系列標(biāo)準(zhǔn)差較小的依次為Machenzie、Medwin、Leroy、Chen-Mille-Li、海道；且Chen-Mille-Li公式計(jì)算的聲速結(jié)果沒有系統(tǒng)偏差。

經(jīng)綜合考慮，認(rèn)為Medwin公式的適用性最佳。

3.4有水溫躍層時(shí)水深測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)際測(cè)量中，高精度的聲線跟蹤算法相當(dāng)重要。聲線跟蹤是建立在聲速剖面基礎(chǔ)上的一種波束腳印(投射點(diǎn))相對(duì)船體坐標(biāo)系坐標(biāo)的計(jì)算方法。聲線跟蹤通常采用層追加方法，即將聲速剖面內(nèi)相鄰2個(gè)聲速采樣點(diǎn)劃分為一個(gè)層，可將層內(nèi)聲速變化假設(shè)為常值(零梯度)或常梯度。

在水溫躍層存在的庫(kù)區(qū)，采用表層聲速測(cè)深將會(huì)帶來較大的誤差，測(cè)深誤差隨水深的增加而增大。聲線跟蹤模型考慮了聲波波束入射角的影響，即測(cè)船姿態(tài)對(duì)水深測(cè)量及改正的影響。理論上，經(jīng)聲線跟蹤模型改正后的水深與實(shí)際水深更接近。

試驗(yàn)時(shí)，以標(biāo)記有刻度的鋼絲繩為目標(biāo)物，以回聲儀測(cè)目標(biāo)深度。在上下溫差達(dá)19.63℃、水深為140.70 m的情況下，測(cè)深儀測(cè)深為144.9 m，誤差達(dá)4.2 m；采用聲速剖面數(shù)據(jù)，按常值(零梯度)和常梯度聲線跟蹤2種改正方法，其最大水深差、較差的標(biāo)準(zhǔn)差分別為(0.25 m、0.10 m)、(0.25 m、0.10 m)，改正效果顯著。

4結(jié)語(yǔ)

所開展的三峽庫(kù)區(qū)水深測(cè)量影響因素及改正方法研究，將有利于提高庫(kù)區(qū)水深測(cè)量精度，革新測(cè)量方法；其研究成果將直接用于對(duì)三峽水文泥沙的觀測(cè)，同時(shí)，對(duì)深水環(huán)境測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展具有較高的實(shí)用價(jià)值。

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中圖法分類號(hào)：TV697.72A

文章編號(hào)：1006-0081(2015)11-0032-03

作者簡(jiǎn)介：聶金華，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，工程師.

收稿日期：2015-09-06