船舶航行對(duì)河床底泥擾動(dòng)影響的驗(yàn)證方法淺析

胡 聰，張 曄，曾寶慶，張坤軍

（1.杭州市西湖區(qū)城市管理局，浙江 杭州 310000；2.杭州市城市水設(shè)施和河道保護(hù)管理中心，浙江 杭州 310003；3.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

航道河床底泥在外界因素的作用下可能從靜止的沉積狀態(tài)隨泥沙運(yùn)動(dòng)變?yōu)閼腋顟B(tài)而重新產(chǎn)生淤積，在整個(gè)影響過(guò)程中，局部淤積將會(huì)逐漸累積，容易造成航道阻塞。螺旋槳在推動(dòng)船舶行駛將會(huì)產(chǎn)生尾部射流，此類射流對(duì)航道河床底泥起種擾動(dòng)作用，并可能會(huì)造成沉積底泥再懸浮，特別是淺水航道內(nèi)載重型船舶，其螺旋槳射流遠(yuǎn)高于一般船舶產(chǎn)生的射流。射流對(duì)河床底泥擾動(dòng)影響因素很多，主要包括螺旋槳尺寸，發(fā)動(dòng)機(jī)功率，船舶噸位，水流速度，河床底質(zhì)條件等。因此，載重型船舶行駛過(guò)程中通過(guò)螺旋槳產(chǎn)生的射流，是否能夠引起航道河床底泥再懸浮而產(chǎn)生局部逐漸淤積應(yīng)給予足夠重視[1-4]。

余杭塘河流經(jīng)余杭鎮(zhèn)、倉(cāng)前鎮(zhèn)、五常街道至杭州，匯入京杭大運(yùn)河，在航運(yùn)、旅游等方面發(fā)揮重要作用。為驗(yàn)證載重型船舶螺旋槳射流對(duì)河床底泥擾動(dòng)影響，本文采用Norbit iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)余杭塘河典型航段開(kāi)展跟蹤水深測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，探討載重型船舶航行對(duì)河床底泥擾動(dòng)影響程度，為航道運(yùn)行管理提供參考依據(jù)。

1 工作原理

1.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用聲波發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，同時(shí)利用接收換能器陣列對(duì)上述聲波進(jìn)行窄波束接收，發(fā)射換能器的寬扇形波束與接收換能器的窄扇區(qū)波束形成海底地形的照射腳印，對(duì)這些照射腳印數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合內(nèi)業(yè)處理，可以得到基于聲波波束的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，隨著船舶平臺(tái)的不斷移動(dòng)，從而能夠精確、快速測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，得到精確的水下地形地貌基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5-11]。

1.2 誤差統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)載重型船舶航跡線提取航行前后高程數(shù)據(jù)，確定航跡線起點(diǎn)，按照航跡線路徑計(jì)算起點(diǎn)距和高程，將航行前后相同里程高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到航跡線上相同里程高程差值Δ，采用均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE等統(tǒng)計(jì)量對(duì)相同里程高程差值Δ進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.1 均方根誤差RMSE

均方根誤差RMSE代表了相同里程高程差值Δ的離散程度，能夠非常敏感地反映Δ中特大或特小值。RMSE數(shù)值越小，則表示高程差值Δ的離散程度越低。均方根誤差RMSE定義為：

式中：ht為船舶行前高程值，m；為船舶航行后高程值，m；n為點(diǎn)數(shù)。

1.2.2 平均絕對(duì)誤差MAE

平均絕對(duì)誤差MAE是所有高程差值Δ絕對(duì)值的平均。與平均誤差相比，平均絕對(duì)誤差由于離差被絕對(duì)值化，不會(huì)出現(xiàn)正負(fù)相抵消的情況，因而，平均絕對(duì)誤差能更好地反映高程差值Δ誤差的實(shí)際情況，其表達(dá)式為：

1.3 NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)介紹

在載重型船舶航行前、后的時(shí)間窗口，利用NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)該航段進(jìn)行跟蹤測(cè)量。NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)主要由采集電腦、甲板單元、表面聲速儀、多波束聲吶探頭、GNSS接收機(jī)、外界輔助傳感器以及數(shù)據(jù)采集與處理軟件組成，系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1 Norbit iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)組成圖

NORBIT iWBMS多波束聲吶探頭集成慣導(dǎo)系統(tǒng)，免去傳統(tǒng)多波束安裝校準(zhǔn)的繁瑣過(guò)程，大大提高了測(cè)量工作效率。其換能器中心工作頻率主調(diào)頻聲波為200 kHz或400 kHz，測(cè)深分辨率可達(dá)10 mm，可以選擇連續(xù)波（單頻）或調(diào)頻（掃頻）工作模式。接收換能器采用圓弧型設(shè)計(jì)，能夠有效接收邊緣波束的回波信號(hào)，達(dá)到更大條帶覆蓋范圍。波束覆蓋范圍為7°～210°，且具備電子旋轉(zhuǎn)功能，可以根據(jù)需要進(jìn)行側(cè)面掃測(cè)。

NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)提供了緊密一體化的水深測(cè)繪方案，具有高度集成化、掃測(cè)范圍寬、免校準(zhǔn)操作、安裝方便、便攜等特點(diǎn)[12]。主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Norbit iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)表

2 應(yīng)用實(shí)例

本文選取余杭塘河長(zhǎng)深高速橋至九曲洋段和航道中載重型船舶進(jìn)行研究分析，該段航道長(zhǎng)約1.65 km，平均寬度約30 m，通過(guò)前期靜力觸探試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)底泥狀態(tài)較為穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的代表性，確保與船舶以及河道相關(guān)的影響因素一致。

測(cè)量前，對(duì)NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行綜合測(cè)深誤差測(cè)定，包含內(nèi)符合和外符合測(cè)試兩種，結(jié)果表明系統(tǒng)具有較高的測(cè)深精度，符合JTS 131—2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》測(cè)深深度精度要求。在船舶航行前使用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)該段航道進(jìn)行全覆蓋水深測(cè)量，隨后跟蹤載重型船舶航行再次進(jìn)行水深測(cè)量，測(cè)量寬度約10 m，局部航行航跡線見(jiàn)圖2。為了便于數(shù)據(jù)對(duì)比分析，同時(shí)選取了偏離航行航跡線2 m的左右2條平行線（分別為“左平行線”“右平行線”）進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。以0.1 m作為統(tǒng)計(jì)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)高程差值Δ所屬區(qū)間；采用均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE等統(tǒng)計(jì)量對(duì)相同里程高程差值Δ進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2～表4。

圖2 載重型船舶航行局部航跡線示意圖

表2 中央航跡線相同里程高程差值統(tǒng)計(jì)表

表3 左平行線相同里程高程差值統(tǒng)計(jì)表

表4 右平行線相同里程高程差值統(tǒng)計(jì)表

由表2～4可知，中央航跡線、左平行線和右平行線高程差值Δ基本處于-0.1～0.1 m，占比分別為96.86%、92.57%和96.28%，表明載重型船舶在航行過(guò)程中，擾動(dòng)量基本小于10.0 cm，螺旋槳射流對(duì)河床底泥擾動(dòng)并不顯著；3條軌跡線高程差值絕對(duì)值最大值分別為20.2 cm、33.4 cm、20.2 cm，擾動(dòng)量均小于40.0 cm，平均絕對(duì)誤差MAE分別為3.9 cm、4.3 cm、3.9 cm，均小于4.0 cm，均方根誤差RMSE分別為4.8 cm、5.8 cm、4.8 cm，均小于10.0 cm，進(jìn)一步表明載重型船舶螺旋槳射流對(duì)河床底泥的擾動(dòng)作用較小。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文選擇載重型船舶航行前、后的時(shí)間窗口，采用NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)余杭塘河典型航段進(jìn)行跟蹤水深測(cè)量，結(jié)合前期靜力觸探試驗(yàn)成果，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，在目前水深條件下，載重型船舶螺旋槳射流難以引起河床沉積底泥起動(dòng)和再懸浮，船舶正常航行在該航道時(shí)對(duì)河床底泥影響不顯著。