長江口深水航道水深測量聲速改正方法探討

摘 要：本文主要介紹了水深測量中聲速改正的常用方法，討論了幾種聲速改正方法的優(yōu)缺點。同時結(jié)合實測數(shù)據(jù)，對長江口深水航道水深測量聲速改正方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：長江口； 深水航道；水深測量；聲速改正

0 前 言

長江口深水航道作為我國的一條重要航道，充分發(fā)揮了在長江航運主通道中的咽喉要塞作用、通江達(dá)海作用，長三角航運經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的基礎(chǔ)支撐作用，綠色循環(huán)發(fā)展中的探索創(chuàng)新作用，已成為世界級的黃金水道。如何確保長江口深水航道的通航水深達(dá)到12.5米的安全水深，除了日常的疏浚維護(hù)，也離不開水深測量工作。如何保障所測量水深準(zhǔn)確，減少水深測量誤差？下面就影響水深測量誤差之一的聲速改正誤差進(jìn)行探討，找出最適合長江口深水航道水深測量的聲速改正方法。

1 水深測量必須進(jìn)行聲速改正

目前，在長江口深水航道水深測量中使用最廣泛的測深儀器是單波束回聲測試儀，它可以在船只航行時快速而準(zhǔn)確地測得水深的連續(xù)數(shù)據(jù)。

1.1 回聲測深儀原理

回聲測深儀是利用聲波反射的信息測量水深的儀器。它的工作原理是利用換能器在水中發(fā)出聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物后反射回?fù)Q能器，根據(jù)聲波往返的時間和所測水域中聲波傳播的速度，就可以求得障礙物與換能器之間的距離，如圖1所示。

假設(shè)聲波在水中的傳播速度為V，當(dāng)在換能器探頭加窄脈沖聲波信號，聲波經(jīng)探頭發(fā)射到水底，并由水底反射回到探頭被接收。測得聲波信號往返行程所經(jīng)歷的時間為t，則Z = Vt/2，那么最終的水深：H = Z + h。傳播時間t由測深儀測量并計算，聲速V由測量人員測量并在測深儀中設(shè)置。

1.2 聲波在海水中的傳播規(guī)律

聲波在海水中的傳播速度不是固定的，而是一條空間曲線。其彎曲程度隨海水的溫度、鹽度和水中壓強而變化。在海洋環(huán)境中，這些物理量越大，聲速也越大。所以在使用回聲測深儀之前，應(yīng)對儀器使用的聲速值加以校正。聲速改正是水深測量誤差的主要來源，聲速測量精度直接關(guān)系到測深精度。

1.3 聲速改正方法

聲速改正方法可以分為間接改正法和直接改正法。

1.3.1 間接改正法

（1）比對法：用檢查板、金屬桿、水聽器等，置于換能器下方一定深度處，實測測深點的準(zhǔn)確深度。根據(jù)準(zhǔn)確深度調(diào)整測深儀聲速，使測深儀深度等于準(zhǔn)確深度。這樣就可獲得較為準(zhǔn)確的聲速值。此法測出的聲速只是某測深點的某一時刻的某一水深的平均聲速。

（2）水文資料計算法：海水中的聲速是由海水溫度、鹽度、密度、壓力等共同決定的，它們之間具有復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。如果能夠依次測量處這些影響因子的值，那么根據(jù)諸多經(jīng)驗公式就可以算出該點的聲速值，從而對水深測量進(jìn)行聲速改正。此法測出的聲速值誤差較大且操作比較繁瑣。

1.3.2 直接改正法

利用聲速剖面儀測量聲速，直接進(jìn)行聲速改正。聲速剖面儀是一種高精度測量聲速的設(shè)備，它可以快速測出各個深度段的海水的聲速值、溫度及深度等。目前，大多數(shù)的回聲測深系統(tǒng)所使用的聲速值均由聲速剖面儀測量。聲速剖面儀是使用最廣泛的一種聲速測量儀器。

2 長江口深水航道水深測量聲速改正方法

下面就以聲速剖面儀測量聲速進(jìn)行聲速改正為例，探討長江口深水航道水深測量中的聲速改正方法。

2.1 平均聲速改正方法和剖面聲速改正方法

聲速剖面儀所測量的聲速值是一條曲線，應(yīng)用于聲速改正的方法有兩種：平均聲速改正方法和剖面聲速改正方法。

（1）平均聲速改正方法：在測區(qū)最深處使用聲速剖面儀測量該點聲速曲線，導(dǎo)出聲速數(shù)據(jù)后取平均值作為該測區(qū)的平均聲速，輸入測深儀或內(nèi)業(yè)軟件對所測水深進(jìn)行聲速改正。

（2）剖面聲速改正方法：測得聲速曲線后，在內(nèi)業(yè)軟件里根據(jù)聲速曲線對應(yīng)的水深深度進(jìn)行逐一改正。

2.2 兩種聲速改正方法優(yōu)缺點比較

（1）平均聲速改正方法

優(yōu)點：可直接將平均聲速輸入測試儀中進(jìn)行聲速改正，操作比較簡單、方便。

缺點：平均聲速改正方法僅適用于水深較淺或聲速變化較小的區(qū)域，改正精度較低。

（2）剖面聲速改正方法

優(yōu)點：剖面聲速改正方法僅適用所有的水深區(qū)域，不受測區(qū)聲速變化影響，改正精度較高。

缺點：由于測深儀的特性，無法將剖面聲速值輸入測試儀中直接進(jìn)行聲速改正，必須在內(nèi)業(yè)后處理軟件進(jìn)行改正，操作比較復(fù)雜。

通過對兩種聲速改正方法優(yōu)缺點進(jìn)行比較，可以看出剖面聲速改正方法精度更高，而且適用范圍也更廣，是一種更優(yōu)的聲速改正方法。但是平均聲速改正方法因其操作便捷，在水深測量中也被經(jīng)常采用。

2.3 兩種聲速改正方法在長江口深水航道水深測量中的應(yīng)用比較

基于長江口深水航道走向的特殊性，下面選取上游、中游、下游等3個測區(qū)，每個測區(qū)分別布設(shè)5條測線進(jìn)行水深比對。各測區(qū)分布見圖2。

為保證驗證結(jié)果準(zhǔn)確無誤，統(tǒng)一采用海巡1666對3個測區(qū)的15條測線進(jìn)行水深測量，并使用同一套內(nèi)業(yè)聲速改正軟件對測量水深分別進(jìn)行平均聲速改正和垂線聲速改正。

3個測區(qū)聲速情況及采用兩種聲速改正方法后的水深情況比對如下：

2.4 水深比對結(jié)果分析

通過比對兩種聲速改正方法后的水深，發(fā)現(xiàn)測區(qū)1和測區(qū)3的各測線水深幾乎沒有差別，而測區(qū)2的各測線大部分水深有差別，且各水深與平均聲速位置對應(yīng)的水深差值越大，測量誤差也越大。分析原因是因為長江口深水航道是連接長江與東海的通道。2號測區(qū)屬于兩股水流交匯界的地方，水文條件比較復(fù)雜。從所測的聲速剖面可以看出該區(qū)域聲速變化比較大，不適宜采用平均聲速改正。

因此，對于單波束回聲測深儀水深測量的聲速改正，平均聲速改正法僅適用于水深較淺且聲速變化不大的區(qū)域。特別是在水深深度跨度越大的區(qū)域，采用平均聲速改正方法的誤差也會越大，而剖面聲速改正方法適用于所有的深度及聲速變化區(qū)域。

2.5 小 結(jié)

在長江口深水航道水深測量過程中的聲速改正，建議采用剖面聲速改正方法，以提高測量的精度，減小聲速改正的誤差影響?；蛘呖蓪㈤L江口深水航道水分成上、中、下游等3個部分。上游和下游聲速變化不大的區(qū)域可以采用平均聲速改正，中游聲速變化大的區(qū)域采用剖面聲速改正。

3 結(jié)束語

文章主要介紹了水深測量中聲速改正的常用方法及各種聲速改正方法的優(yōu)、缺點。通過實測數(shù)據(jù)比較，對深水航道水深測量聲速改正方法進(jìn)行了分析，找出最適合的聲速改正方法，力求使因聲速改正引起的水深測量誤差降到最低，獲得最準(zhǔn)確的水深測量數(shù)據(jù)，確保長江口深水航道的安全通航。

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作者簡介：

郭兆峰，高級工程師，主要研究方向：海洋測繪及海圖制圖