聶金華　　全小龍　　張辰亮(長江水利委員會 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌　443000)

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三峽庫區(qū)水深測量影響因素及改正方法研究

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

摘要：三峽水庫蓄水后，庫區(qū)水深大幅增加，使水深測量精度影響因素變得更為復(fù)雜。對深水庫區(qū)水深測量影響因素展開了研究，通過對影響因素的比測試驗、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量精度。這些對開展水庫泥沙研究、水庫運行調(diào)度具有重要意義。對研究目的和內(nèi)容、試驗過程以及數(shù)據(jù)分析等情況作了介紹。

關(guān)鍵詞：庫區(qū)蓄水；水深測量；影響因素；三峽水利樞紐

1研究目的與內(nèi)容

自2009年三峽水庫成功蓄水至175 m以后，庫區(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)致水庫測深精度下降現(xiàn)象突出，且已成為該庫區(qū)水深測量亟待解決的技術(shù)問題。

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

為此，需深入研究庫區(qū)水深測量影響因素及改正方法。這對于提高水深測量精度，特別是對水庫泥沙研究、水庫運行調(diào)度具有重大的現(xiàn)實意義和科研價值。主要研究內(nèi)容包括：①影響三峽庫區(qū)水深測量精度的因子；②單波束測深系統(tǒng)測船姿態(tài)改正技術(shù)；③適用三峽水庫水深測量的最佳聲速公式；④存在水溫躍層時水深測量數(shù)據(jù)處理方法。

2外業(yè)試驗

三峽庫區(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；水庫蓄水運行后，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個典型斷面。

圖1　深水試驗斷面布置示意

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

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

(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。

3數(shù)據(jù)分析

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

3.1影響水深測量精度的因子

(1) 當(dāng)測船的橫搖角Roll和縱搖角Pitch大于波束角寬度時，不僅產(chǎn)生深度誤差，同時還會產(chǎn)生測深點的位置誤差；船的橫搖和縱搖對波束較寬的測深儀影響較小。

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

(3) 低速測量過程中，測船動態(tài)吃水較?。贿^快的船速會導(dǎo)致動態(tài)吃水明顯增大。

(4) 測船移動會產(chǎn)生測點測深誤差和位置偏移誤差；在測量條件一定(波束角和水底傾斜角)的情況下，船速較高會產(chǎn)生較大的誤差；為提高測量精度和測深效果，應(yīng)限制測量船速。

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

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

3.2單波束測深系統(tǒng)測船姿態(tài)改正技術(shù)

3.2.1深度改正

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

當(dāng)|α|<θ時，α引起測深信號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，則引起附加測深誤差Δd，即

(1)

(2) 船體縱搖對深度的影響與船體橫搖對深度的影響相似。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，β引起測深信號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，則引起附加測深誤差Δd，即

(2)

(3) 升沉變化Heave對水深測量產(chǎn)生直接影響，對于平面位置不產(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，實際測量點沿船體坐標(biāo)系的某個軸發(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、橫搖角和縱搖角測量誤差。

3.2.3動態(tài)吃水改正

動態(tài)吃水可通過船體處于動態(tài)和靜態(tài)時的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，因而對測深有著直接影響。經(jīng)試驗，在常規(guī)測量速度(4節(jié)左右)行進(jìn)過程中，動靜吃水平均變幅不大于1 cm，可忽略；測船高速航行時動態(tài)吃水明顯增大，超過10 cm。

3.2.4船速影響

(1) 船只移動造成的測深點位置偏移誤差計算。該誤差是測量水深和船速的函數(shù)，它隨水深和船速的增大而增大，且總是在測量船測量航向上產(chǎn)生正的測深點位置偏移誤差。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，因此對于水深小于200 m和船速小于10節(jié)時，測量船移動產(chǎn)生的測深點位置偏移誤差小于1.37 m。

(2) 測深誤差。船只移動產(chǎn)生的測深誤差與測量水深、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，對于水深200 m和10節(jié)船速，其最大測深誤差為-0.01 m，相對測深精度為0.005%水深，且當(dāng)α和θ一定時，測深誤差隨測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，最大誤差為-0.03 m，相對測深精度為0.015%水深；當(dāng)α=-60°,θ=5.0°時，最大測深誤差為-0.06 m，相對測深精度達(dá)到0.03%水深。由此得出結(jié)論，當(dāng)測量水深和船速一定的情況下，測深誤差隨α的增大而增大，但增加量受θ的限制。因此相對水底傾角的變化，測深誤差隨θ和船速的增大變化更為明顯。為滿足不同等級測量的要求，應(yīng)根據(jù)不同測量等級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適用三峽水庫水深測量的最佳聲速公式

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個大氣壓，聲速增加約0.016 m/s；其中以水溫變化對聲速影響最大。

以庫區(qū)采用聲速剖面儀實測溫度、聲速為基準(zhǔn)，應(yīng)用《水道觀測規(guī)范》(SL257-2000)聲速公式、《海道測量規(guī)范》(GB12327-1998)聲速計算公式、Wilson精確公式、Medwin公式(Wilson 簡化公式1)、Wilson 簡化公式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，不同公式計算的聲速與實測聲速結(jié)果比較如下。

(1) 同層水溫變幅較大時，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有水溫躍層時水深測量數(shù)據(jù)處理方法

實際測量中，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)相對船體坐標(biāo)系坐標(biāo)的計算方法。聲線跟蹤通常采用層追加方法，即將聲速剖面內(nèi)相鄰2個聲速采樣點劃分為一個層，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區(qū)，采用表層聲速測深將會帶來較大的誤差，測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，即測船姿態(tài)對水深測量及改正的影響。理論上，經(jīng)聲線跟蹤模型改正后的水深與實際水深更接近。

試驗時，以標(biāo)記有刻度的鋼絲繩為目標(biāo)物，以回聲儀測目標(biāo)深度。在上下溫差達(dá)19.63℃、水深為140.70 m的情況下，測深儀測深為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

所開展的三峽庫區(qū)水深測量影響因素及改正方法研究，將有利于提高庫區(qū)水深測量精度，革新測量方法；其研究成果將直接用于對三峽水文泥沙的觀測，同時，對深水環(huán)境測繪技術(shù)的發(fā)展具有較高的實用價值。

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中圖法分類號：TV697.72A

文章編號：1006-0081(2015)11-0032-03

作者簡介：聶金華，男，長江水利委員會長江三峽水文水資源勘測局，工程師.

收稿日期：2015-09-06