水道地形觀測誤差分析及改進措施

周儒夫 馬耀昌 張正明

(1.長江水利委員會水文局 荊江水文水資源勘測局,湖北 荊州 434020;2.長江水利委員會水文局 長江上游水文水資源勘測局， 重慶 400020;3.江蘇省測繪產(chǎn)品質(zhì)監(jiān)站，江蘇 南京 210013)

水道地形觀測誤差分析及改進措施

周儒夫1馬耀昌2張正明3

(1.長江水利委員會水文局 荊江水文水資源勘測局,湖北 荊州 434020;2.長江水利委員會水文局 長江上游水文水資源勘測局， 重慶 400020;3.江蘇省測繪產(chǎn)品質(zhì)監(jiān)站，江蘇 南京 210013)

水庫建成后，水庫淤積及壩下游沖刷是重點研究的內(nèi)容。水道地形資料是分析研究水庫淤積及壩下游河床沖淤演變的重要依據(jù)。通過水道地形觀測誤差來源及實測數(shù)據(jù)分析，提出了測深儀選型、等精度觀測等改進措施，并在三峽水庫淤積及壩下游荊江河段河床沖刷演變觀測中得到成功應(yīng)用。

水道；地形觀測；誤差分析；沖淤量；測深儀選型；等精度觀測

1 研究背景

近年來，長江上游干支流河段梯級水庫陸續(xù)建成運行，水庫淤積及壩下游沖刷是社會各界關(guān)注重點[1]。一方面，因建庫后水流流速減緩，泥沙在庫內(nèi)沿程落淤，在庫底形成一種特殊的水流泥沙結(jié)構(gòu)，同時水深急劇增加、邊坡變陡，給大水深測量及水體邊界確定帶來一定困難。另一方面，隨著水庫清水下泄，壩下游河段將受到不同程度的長時間、長距離沖刷，使河床下切、岸坡變陡，崩岸險情時有發(fā)生，因此水道地形觀測精度及時效性顯得尤為重要。采用地形法與輸沙法計算河道沖淤量，局部河段定量上存在較大差別，甚至在定性上出現(xiàn)相反結(jié)論[2～3]。目前，國內(nèi)許多學(xué)者對兩種方法計算河道沖淤量進行了深入研究，如申冠卿等認為斷面法不存在積累性誤差，能真實反映河道縱橫向沉積量及隨時間變化過程，而沙量平衡法計算沖淤量存在明顯的失真[4]。已有文獻表明，地形法較輸沙法計算河道沖淤量更為可靠，但文獻中并沒有深入分析其緣由。本文旨在對地形法中的觀測誤差進行分析研究，提出在地形法中提高河道沖淤量計算精度的測量方法。

2 水道觀測誤差主要來源分析

2.1 測量儀器產(chǎn)生的系統(tǒng)差

測深儀受傳播介質(zhì)(水溫分布、水流條件等)、反射界面(不同河床底質(zhì)反射聲波的能力)、反射位置(測船穩(wěn)定度、測深儀換能器鉛垂度、床面地形坡度、測船移動速度等)及儀器性能(發(fā)射功率、頻率、發(fā)散角、靈敏度等)等諸多因素影響，不同類型測深儀在同一位置測定水深值不同，同一測深儀調(diào)節(jié)不同靈敏度，獲取水深值的差異也很大[5]。在三峽庫區(qū)宜昌段，采用4種不同類型測深儀與比測板定點測深較差統(tǒng)計情況見表1[6]。

由表1可知，即使在良好測深條件下，不同測深儀的測深值是不相同的，而且水越深，絕對誤差越大。本次試驗表明，采用不同測深儀對河床進行定點測深，相互間最大誤差可達3.7%，遠大于規(guī)范中測深精度要求。因此，一旦使用了某種型號測深儀，相對其他測深儀而言，測量值會存在系統(tǒng)差。

對于不同品牌或同品牌不同型號GNSS接收機，采用網(wǎng)絡(luò)或單基站RTK檢校，一般平面位置較差±3 cm，高程較差±5 cm，無法通過多測回相互抵

表1 不同類型測深儀與比測板定點測深較差統(tǒng)計

消。對水道測量精度要求較高的，各測次間應(yīng)盡可能采用同類型GNSS設(shè)備。

2.2 引據(jù)點產(chǎn)生的系統(tǒng)差

20世紀90年代前，長江沿岸高等級國家基本控制點較少，起算控制點多源于不同年代、不同部門，加密控制成果必然存在系統(tǒng)偏差。近年來，河道基本控制雖得到較大改善，但局部控制點仍不在同一系統(tǒng)。在壩下游地區(qū)，部分高等級控制點受人類活動及沉降影響，近幾十年來高程變動值超過10 cm。利用長系列歷史資料計算河道沖淤量，沒有考慮引據(jù)點系統(tǒng)差及沉降影響，沖淤量計算結(jié)果存在較大誤差。

2.3 水位節(jié)點設(shè)測產(chǎn)生的誤差

水位設(shè)測是水道觀測中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實際生產(chǎn)中水位節(jié)點多在開工、收工處布設(shè)，常忽略彎道、水道窄深寬淺轉(zhuǎn)折處、跌坎、較大分匯流、分汊河段等節(jié)點的布置，同時，水下測量區(qū)域與布設(shè)水位節(jié)點間普遍存在外延現(xiàn)象，給水道觀測質(zhì)量帶來較大影響。圖1、2為蘆家河淺灘董3、荊12斷面2005年2～3月橫、縱比降變化圖。

圖1 董3、荊12斷面橫比降變化關(guān)系

圖2 董3、荊12斷面縱比降變化關(guān)系

從圖1、2可以看出，枯水期隨主流歸槽貼岸后，董3、荊12斷面產(chǎn)生橫比降，且變幅較大無規(guī)律，兩月內(nèi)平均橫比降右岸比左岸分別高0.09 m和0.33 m。董3、荊12枯水位河寬分別為1.2 km和1.9 km，若按一岸接測水位計算斷面河槽面積，兩者間產(chǎn)生0.06 km2、0.31 km2誤差。由此可見，特殊河段橫比降對河道沖淤量計算影響較大。

目前，水位測量常用方法有幾何水準、光電測距三角高程、GNSS RTK測高及無驗潮模式等。采用幾何水準測量精度高，但投入人力多，作業(yè)效率低；采用全站儀接測水位，只要嚴格控制測邊距離、天頂距和各測回較差限值，觀測精度完全即可達五等水準要求[7]；采用網(wǎng)絡(luò)RTK測水位，作業(yè)效率高，但測定水位值可靠性差。

采用網(wǎng)絡(luò)RTK測定的水位值大部分達不到五等水準精度，其原因是GNSS信號易受水面多路徑效應(yīng)、近岸及近岸植被遮擋影響，RTK難以獲得固定解或獲得固定解不穩(wěn)定。因此，平原地區(qū)水道觀測不宜采用RTK測定水位。

2.4 水溫梯度對大水深測量產(chǎn)生的測深誤差

壩下游河道水面至水底溫差較小，以枝城水文測驗斷面為例，水溫變幅均在 0.15℃內(nèi)。但在大水深條件下，水溫躍層變化顯著。在三峽庫區(qū)任意選取5個固定斷面，采用表層溫度計算聲速與HY1200聲速剖面儀于中泓線進行水溫觀測，有關(guān)水深、過水面積統(tǒng)計見表2。

表2 水溫改正前后對斷面過水面積影響統(tǒng)計

從表2可知，未經(jīng)溫躍層改正計算的斷面面積均比改正后的斷面面積偏大，其中S59-1過水?dāng)嗝婷娣e差值為353 m2，產(chǎn)生相對誤差為0.44%。圖3為金沙江溪洛渡庫區(qū)JB001進行水溫改算前、后的斷面變化圖，其中最大水深的改算值為-2.0 m。所以，在大水深水道地形測量中必須合理劃分水溫觀測區(qū)，并采用聲線跟蹤對水深數(shù)據(jù)進行處理。

圖3 S59-1斷面水溫改正前、后(引起水深變化部分)斷面變化

儀器改正方法最深點/m面積/m2L-RR-L差值L-RR-L差值誤差/%DF3200MKⅢHY1600Knudsen320M未改正20.2520.250.005476155237-476-0.43時改20.2320.25-0.025468155258-577-0.52時姿改20.2220.220.005467255266-594-0.54未改正20.1520.25-0.105474855246-498-0.45時改20.1520.25-0.105475755230-473-0.43時姿改20.1420.19-0.055473855240-502-0.46未改正19.7819.680.105474955320-571-0.52時改19.2219.62-0.405481355352-539-0.49時姿改20.0219.670.355474855270-522-0.47

注：計算范圍是120 m高程以下面積，水位139 m

2.5 延時、姿態(tài)、航向及動吃水產(chǎn)生的測深誤差

延時、姿態(tài)、航向及動吃水受不同的測量儀器、采集軟件、水體邊界形態(tài)及船型等多種因素交叉影響，產(chǎn)生的測深誤差較為復(fù)雜。利用Hypack Max軟件，采用3種測深儀對三峽庫區(qū)S34斷面進行多次折返測量，分別按不進行延時和姿態(tài)改正(未改正)、僅作延時改正(時改)、延時及姿態(tài)同時改正(時姿改)3種情況進行整理，相互間較差統(tǒng)計見表3[7]。

從表3可以看出，在淺水條件下，測深數(shù)據(jù)變化不明顯。航向相同時，3種測深儀改正后的橫斷面圖基本重合，面積最大較差為0.16%；同一斷面不同航向，測量面積相差超過1.47%。通過比較，平坦處高程變化小，陡坡處測深誤差大。因此，測船航向在近岸部分對測深影響大，且不能通過往返測相互抵消。不同船體及速度下，中型測船平均動吃水5 cm左右，小型測船3 cm內(nèi)，按相關(guān)規(guī)范無需改正。但對于單測次精度要求較高的水道測量，必須進行動吃水實驗及改算。

2.6 河道觀測布置對沖淤量計算的影響

河道沖淤量計算主要通過前后測次斷面河槽面積差值推算得到。圖4為荊江石首彎道河勢及斷面布置圖。該河段原布置7個固定斷面，平均斷面間距1 647m。為探索合理布設(shè)彎道斷面，采用切割斷面精簡計算，結(jié)果見表4(斷面數(shù)據(jù)同為1∶5 000地形圖上切割)[8]。

圖4 石首彎道河勢及斷面布置

從表4可以看出，地形數(shù)據(jù)完全相同時，采用不同斷面間距，網(wǎng)格地形法與斷面法計算槽蓄量誤差

表4 石首彎道不同斷面沖淤量統(tǒng)計

注：表中沖淤量“+”為淤積，“-”為沖刷

較大，河道沖淤量計算結(jié)果在定性上甚至出現(xiàn)相反結(jié)論。根據(jù)已有研究資料，固定斷面布置應(yīng)考慮河勢形態(tài)，如在卡口段、放寬束窄段、分匯流處和洲灘汊道等處布置斷面，同時避開局部劇烈沖刷坑，斷面間距以河寬的2倍為宜[9]。

綜上所述，在庫區(qū)深水條件下，影響測深精度的主要因素是水溫梯度及近岸高邊坡的測深誤差；對壩下游河道，影響沖淤量計算的主要因素為控制基準、斷面布設(shè)間距及水位節(jié)點設(shè)測。

3 水道觀測改進措施

3.1 選擇適宜的測深設(shè)備

在儀器系統(tǒng)誤差中，水深測量精度關(guān)鍵在于測深儀器設(shè)備的選取。測深設(shè)備主要指標包括頻率、功率和波束角等。低頻率，穿透力強，靈敏度低；高頻率，穿透力弱，靈敏度高。功率大，測程大，抗干擾性差；功率小，測程小，抗干擾性強。波束角大，測深腳印大，測深誤差大；波束角小，測深腳印較小，測深精度高，但回波接收能力弱。因此，庫區(qū)深水高邊坡和壩下游淺水河段應(yīng)采用不同型號測深儀。經(jīng)過多次試驗，長江荊江河段宜選用波束角小于8°、工作高頻200 kHz或低頻24 kHz、儀器輸出功率大于150 W的HY1601、ODOM3200MKⅢ等型測深儀。

3.2 采用等精度觀測

在觀測誤差中，若前后測次的作業(yè)人員、測量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集及處理軟件、引用控制點、主要水位節(jié)點等相對固定(如測量設(shè)備采用同一測船及GNSS接收機、固定安裝位置、相同航向等)，則船體姿態(tài)、動吃水、GNSS平面定位差及邊坡測深誤差以及延時等在前后測次中產(chǎn)生誤差大致相當(dāng)。因水道觀測范圍一般較大，即使很小的誤差對沖淤量計算影響也很大。表5為研究宜枝河段年內(nèi)沖淤量變化，假定測船動吃水改算與不改算以及董3～荊12河段橫比降觀測與未觀測，對沖淤量計算的影響情況。

表5 觀測誤差對河道沖淤量產(chǎn)生的誤差影響

注：動吃水按3 cm計算

以2015年度該河段沖刷總量約為1 800萬m3為例，動吃水及橫比降影響分別占實際沖淤量的12.5%和10.3%?？梢?，很小的觀測誤差對河道沖淤量影響十分明顯。河道沖淤量計算需兩次及以上水道地形觀測成果，前后測次采用等精度觀測，可較好地消除測量誤差影響。

3.3 嚴控觀測精度限差

目前，金沙江及長江下游河段沿程沖淤在時間、數(shù)量及空間分布上已發(fā)生根本性改變，局部河段河演變化劇烈，社會關(guān)注度極高。如重慶主城區(qū)河段河道演變觀測，年內(nèi)測次超過10次，水下觀測精度由分米級提高到厘米級。所以除采用最新測繪技術(shù)外，觀測技術(shù)要求與測量限差需嚴于現(xiàn)有規(guī)范要求(如規(guī)范要求山區(qū)水位接測各測回限差按±10 cm控制等)，否則觀測誤差很可能大于河道實際的沖淤變化，導(dǎo)致觀測資料計算河道沖淤量出現(xiàn)相反結(jié)論。

3.4 加強外業(yè)跟蹤及資料合理性檢查

水道地形水下測量具有隱蔽性且觀測對象處于動態(tài)變化中，河道觀測成果具有時空性和時效性。因此，水道地形測量必須加強野外跟蹤檢查，現(xiàn)場督促作業(yè)人員嚴格規(guī)范及作業(yè)流程，認真執(zhí)行“三清四隨”，及時發(fā)現(xiàn)問題及時處理。同時，應(yīng)充分利用已有歷史資料與實測資料進行合理性分析，以內(nèi)業(yè)指導(dǎo)外業(yè)，有效地保障水道觀測成果質(zhì)量。

4 結(jié) 語

影響水道觀測精度的因素多且復(fù)雜，鑒于河道沖淤量計算的成果資料實質(zhì)上需要相對的可靠成果，而并非完全準確的絕對成果，因此，水道觀測首先應(yīng)選用適宜的可靠測深設(shè)備，其次各測次間盡可能采用等精度觀測。另外，在外業(yè)施測過程中應(yīng)嚴格規(guī)范操作，發(fā)現(xiàn)問題現(xiàn)場及時處理，并對收集的資料進行合理性分析。 近兩年來，通過采取上述有針對性的措施，水道觀測精度和質(zhì)量得到提高，利用水道觀測成果計算河道沖淤量結(jié)果比較符合實際變化情況，其分析研究成果已廣泛運用于水利水電工程設(shè)計、建設(shè)及運營管理等方面。

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[9] 段光磊.沖積河流沖淤量計算模式研究[M]. 北京：中國水利水電出版社，2016.

(編輯：李 慧)

2016-08-20

周儒夫，男，長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，高級工程師.

1006-0081(2017)02-0018-05

P207

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