黃 晶

（廣西壯族自治區(qū)水文中心，南寧 530023）

走航ADCP 作為目前水文測(cè)流精度較高的儀器，其測(cè)深精度也不低，但《水文測(cè)量規(guī)范》（SL58-2014）中大斷面測(cè)量卻沒(méi)有走航ADCP 測(cè)量的方法和標(biāo)準(zhǔn)。本文提出SonTek 的M9型ADCP 計(jì)算大斷面的兩種方法與中海達(dá)HD-370單頻回聲測(cè)深儀測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)，來(lái)探討用ADCP 測(cè)大斷面計(jì)算起點(diǎn)距的方法和所測(cè)的大斷面數(shù)據(jù)精度是否滿足水文測(cè)量的要求。

1 M9型走航ADCP測(cè)深原理及精度

Sontek-M9 型走航 ADCP 是有 9 個(gè)換能器，4 個(gè)傾角 25°的 3.0 MHz 對(duì)稱波束，4 個(gè)傾角 25°的 1.0 MHz對(duì)稱波束和1個(gè)0.5 MHz垂直波束，2組換能器與ADCP 軸線成一定夾角，換能器向水體發(fā)射一個(gè)（一對(duì)或一組）聲脈沖，這些脈沖碰到水體中的懸浮且隨著水體頻率改變即多普勒頻率，可據(jù)此計(jì)算出水流相對(duì)于ADCP 的運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，還向河底發(fā)射底跟蹤脈沖，測(cè)出裝載ADCP 的船速和水深。換能器安裝在專用的三體船及固定的入水深度（計(jì)算水深時(shí)，軟件已自動(dòng)加上如水深），并保證在縱搖正負(fù)10°以內(nèi)，橫搖正負(fù)5°以內(nèi)情況下，換能器始終保持置于水面以下，通過(guò)橫縱搖數(shù)據(jù)對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。同時(shí)外置羅經(jīng)GPS 可以獲得一定精度位置坐標(biāo)，從而計(jì)算出航向和航距。

M9 型ADCP 儀器的測(cè)深技術(shù)參數(shù)為：①測(cè)深范圍：0.2～80 m；②測(cè)深分辨率：0.01 m；③準(zhǔn)確度：1%；④羅盤(pán)/傾斜傳感器：測(cè)量范圍為360°；⑤航向準(zhǔn)確度：±2°；⑥ 橫搖/縱搖準(zhǔn)確度：±1°；⑦ GGA/VTGGPS準(zhǔn)確度（定位）：亞米級(jí)。

2 HD-370回聲測(cè)深儀原理及精度

中海達(dá)HD370全數(shù)字回聲測(cè)深儀由發(fā)射、接收換能器、顯示設(shè)備及電源組成，可得精度較高的水深數(shù)據(jù)，再加上儀器入水深度和實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)可以快速計(jì)算出實(shí)時(shí)的河底測(cè)點(diǎn)高程，配合中海達(dá)（V30）GPS-RTK 技術(shù)獲取實(shí)時(shí)的位置數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的起點(diǎn)距。

中海達(dá)性能主要指標(biāo)：工作頻率200kHz，測(cè)深范圍0.3～120 m，測(cè)深精度：±1 cm+0.1%h。

測(cè)深原理：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(hào)，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(cè)降面積測(cè)流法在清水河洪得聲波信號(hào)往返行程所經(jīng)歷的時(shí)間為t，則從探頭到水底的深度Z=Vt/2，Z加上探頭吃水深度就是水深H了。

3 比測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 測(cè)驗(yàn)河段概況

桂平水文站屬于國(guó)家重要水文站，位于廣西東南部的桂平市，集雨面積198 655 km2，屬于珠江流域西江水系黔江河段，測(cè)站斷面河道順直，平水期河寬約500 m，平均水深約10 m，最大水深約18 m。高低水時(shí)均無(wú)分岔流、串溝回流及死水的情況。河床由沙質(zhì)土和卵石組成，左岸為粘土組成，右岸為沙質(zhì)土和漿砌石護(hù)坡組成。

3.2 比測(cè)過(guò)程

利用測(cè)船將HD-370 回深測(cè)深儀和ADCP 安裝在船的兩側(cè)，同時(shí)進(jìn)行大斷面水深測(cè)量。測(cè)船通過(guò)測(cè)深儀外接顯示設(shè)備的測(cè)量導(dǎo)航軟件進(jìn)行航行。在測(cè)量過(guò)程中，盡量控制航行時(shí)不超過(guò)斷面線的上下游5 m外包線（見(jiàn)圖1），確保水深測(cè)點(diǎn)均是斷面線附近測(cè)點(diǎn)，減小測(cè)點(diǎn)不同造成的誤差。

圖1 桂平水文站斷面走航ADCP航跡坐標(biāo)圖（采用RTK定位坐標(biāo)）

3.3 比測(cè)數(shù)據(jù)精度分析

測(cè)深儀測(cè)深和走航ADCP測(cè)深的方法均是不停的向河底發(fā)出并接收測(cè)量信號(hào)，因此采集的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)密而且多。根據(jù)《水文測(cè)量規(guī)范》（SL58-2 014）中表3.3.6 規(guī)定“大斷面測(cè)量的最少測(cè)深垂線數(shù)目規(guī)定，300～1000 m 的河寬窄深河道垂線數(shù)不少于15條”。因此本文以HD-370測(cè)深數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，選取起點(diǎn)距每間隔1 m 的整米測(cè)點(diǎn)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比對(duì)，判斷走航ADCP連續(xù)測(cè)深的精度。

在計(jì)算走航ADCP 測(cè)點(diǎn)起點(diǎn)距時(shí)，可以有兩種方法計(jì)算，第一種是利用M9型ADCP原配的外接羅經(jīng)測(cè)量的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)，從而計(jì)算出起點(diǎn)距；第二種方法是利用M9 流量采集流軟件中的航距來(lái)確定起始位置，再加上水邊距離和水邊的起點(diǎn)距算出測(cè)點(diǎn)起點(diǎn)距。以測(cè)深儀所測(cè)的大斷面為標(biāo)準(zhǔn)，將兩種方法所測(cè)的大斷面與其分別進(jìn)行對(duì)比（如圖2、圖3），發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算走航ADCP 起點(diǎn)距的方法都與測(cè)深儀實(shí)測(cè)斷面有一定的水平偏移，圖2 的ADCP 斷面的比較散亂無(wú)規(guī)律，而圖3 的ADCP斷面從中段開(kāi)始向左偏移。

圖2 測(cè)深儀實(shí)測(cè)斷面與走航ADCP實(shí)測(cè)斷面（用羅經(jīng)定位數(shù)據(jù)計(jì)算起點(diǎn)距）比較圖

圖3 測(cè)深儀實(shí)測(cè)斷面與走航ADCP實(shí)測(cè)斷面（用航距計(jì)算起點(diǎn)距）比較圖

將兩種走航ADCP所測(cè)斷面的整米數(shù)據(jù)按水位級(jí)劃分 5 m 以下、5～10 m 和 10 m 以上 3 組進(jìn)行誤差分析（見(jiàn)表1、表2）和整米樣本的相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表（見(jiàn)表3、表4）。

表1 測(cè)深儀與走航ADCP水深誤差對(duì)比表（用羅經(jīng)定位數(shù)據(jù)計(jì)算起點(diǎn)距）

表2 測(cè)深儀與走航ADCP水深誤差對(duì)比表（用航距計(jì)算起點(diǎn)距）

表3 水深相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表（用羅經(jīng)定位數(shù)據(jù)計(jì)算起點(diǎn)距）

表4 水深相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表（用航距計(jì)算起點(diǎn)距）

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，用航距計(jì)算起點(diǎn)距的方法的大斷面精度較好。將走航ADCP用航距計(jì)算方法所得的斷面成果與測(cè)深儀斷面成果在不同水位下的河寬和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e進(jìn)行比較（見(jiàn)表5），結(jié)果是斷面河寬相差不大，不同水位下過(guò)水?dāng)嗝婷娣e不超過(guò)0.2%，對(duì)計(jì)算流量影響不大。測(cè)深儀和走航ADCP斷面測(cè)點(diǎn)垂線水深對(duì)比表見(jiàn)表6，從原始數(shù)據(jù)上看，測(cè)深儀最深的測(cè)點(diǎn)起點(diǎn)距為337.00 m與走航ADCP最深測(cè)點(diǎn)的起點(diǎn)距336.43 m相差0.57 m。最深測(cè)點(diǎn)分別為15.62 m和15.63 m，基本一致。

表5 測(cè)深儀斷面與走航ADCP過(guò)水?dāng)嗝婷娣e在不同水位的誤差（用航距計(jì)算起點(diǎn)距）

表6 測(cè)深儀和走航ADCP斷面測(cè)點(diǎn)垂線水深對(duì)比表（部分）

390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520最深11.80 10.28 10.30 12.26 14.22 12.68 14.24 12.96 13.18 12.92 11.95 9.79 7.02 3.68 15.62 11.89 10.47 10.42 12.66 14.53 12.83 13.95 12.79 13.58 12.69 11.79 9.92 6.59 3.58 15.63-0.09-0.19-0.12-0.4-0.31-0.15 0.29 0.17-0.40 0.23 0.16-0.13 0.43 0.10-0.01

3.4 比測(cè)結(jié)論

（1）走航ADCP 測(cè)大斷面的起點(diǎn)距計(jì)算方法可以用羅經(jīng)測(cè)的坐標(biāo)計(jì)算，也可以用ADCP 流量計(jì)算軟件的航距計(jì)算斷面起點(diǎn)距，從兩種方法所測(cè)的斷面成果比較（以HD-370 測(cè)深儀的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)斷面），用航距計(jì)算斷面起點(diǎn)距的方法誤差較小，原因是羅經(jīng)的定位精度為亞米級(jí)，從ADCP 測(cè)流測(cè)驗(yàn)軟件中所測(cè)的經(jīng)緯度精確到秒位的小數(shù)點(diǎn)后第二位，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，誤差大約為0.3 m，誤差為隨機(jī)誤差；通過(guò)航距所計(jì)算的起點(diǎn)距時(shí)，由于航行非直線，造成一定的累積計(jì)算誤差，導(dǎo)致所測(cè)斷面整體向一側(cè)偏移。

（2）根據(jù)《水文測(cè)量規(guī)范》（SL58-2014）中第3.2.3條“測(cè)深錘或鉛魚(yú)兩次測(cè)得水深相對(duì)誤差應(yīng)不大于3%。河底不平或有風(fēng)浪時(shí)，應(yīng)不大于5%”規(guī)定，走航ADCP 用起點(diǎn)距計(jì)算斷面的成果誤差有75.6%小于3%，有88.7%小于5%。

（3）桂平站河底由沙質(zhì)土和卵石組成，當(dāng)測(cè)深儀和走航ADCP 不在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)（兩個(gè)儀器分別在測(cè)船兩側(cè)），會(huì)造成一定的誤差。

（4）走航ADCP 用航距計(jì)算方法所得的斷面成果與測(cè)深儀斷面成果在不同水位下的河寬相差不大且過(guò)水?dāng)嗝婷娣e不超過(guò)0.2%，對(duì)計(jì)算流量影響不大。

4 走航ADCP測(cè)量大斷面的精度控制

目前，利用走航ADCP 測(cè)量大斷面的方法還沒(méi)有正式列入規(guī)范的大斷面測(cè)量當(dāng)中，從本文走航ADCP 用起點(diǎn)距計(jì)算斷面的方法的數(shù)據(jù)上，該方法有一定的可行性，但在使用其進(jìn)行斷面測(cè)量時(shí)需注意以下幾點(diǎn)，以提高斷面數(shù)據(jù)的精度。

（1）測(cè)量大斷面時(shí)間應(yīng)選擇汛前或者汛后的平水期，水位變化較小，流速不大的月份。

（2）測(cè)深點(diǎn)相對(duì)斷面的上下偏距不大于水面寬5%，且不大于5 m。根據(jù)儀器給出的參數(shù)，測(cè)量斷面水深應(yīng)在0.2～80 m之間。

（3）每次測(cè)量前后，應(yīng)根據(jù)不同水深分級(jí)，在斷面的不同水深點(diǎn)與其他測(cè)深工具進(jìn)行定點(diǎn)比測(cè)，比測(cè)點(diǎn)宜為3～5點(diǎn)，并記錄比測(cè)數(shù)據(jù)。水深不大于20 m時(shí)，比測(cè)互差應(yīng)不大于0.2 m，水深大于20 m時(shí)，比測(cè)互差應(yīng)不大于水深的1%。

（4）河寬較窄的斷面（50 m 以下），應(yīng)利用繩子在測(cè)量斷面兩岸對(duì)拉三體船，讓三體船行駛在斷面線上；如測(cè)量斷面有纜道，可利用纜道拖拉三體船，盡量避免纜道垂度造成三體船向下游偏離；當(dāng)河寬較大時(shí)（大于100 m），無(wú)法利用繩子對(duì)拉且無(wú)纜道進(jìn)行拖拉的測(cè)站，在利用無(wú)人船或測(cè)船拖拉三體船的，應(yīng)盡量使航線與斷面線重合，航速不宜過(guò)小，以保證航跡順直，航向穩(wěn)定；船速也不宜過(guò)大，保證垂直波束的數(shù)據(jù)質(zhì)量和測(cè)點(diǎn)的密度。

（5）斷面測(cè)次應(yīng)至少安排1個(gè)測(cè)回，比較2次斷面面積和圖形差別，如差別過(guò)大需及時(shí)復(fù)測(cè)。

（6）在處理ADCP 數(shù)據(jù)過(guò)程中，應(yīng)將河底高程展到圖上，對(duì)有突變的單點(diǎn)數(shù)據(jù)（毛刺）進(jìn)行平滑修正，發(fā)現(xiàn)河底高程與歷年斷面有較大的變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)查找原因；如有需要，需及時(shí)復(fù)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

大斷面測(cè)量是水文工作一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容，在全國(guó)中小河流項(xiàng)目建設(shè)結(jié)束后，每年汛前、汛后的專用水文（位）站都有很多大斷面測(cè)量工作任務(wù)。走航ADCP 已轉(zhuǎn)為我區(qū)常用的測(cè)流設(shè)備，其測(cè)流歷時(shí)短，操作簡(jiǎn)單效率高的特點(diǎn)受到廣大水文職工的使用。

本文所選取的實(shí)驗(yàn)斷面河寬較大，為通航河段，測(cè)量當(dāng)天過(guò)往船只較多，且有一定流速（流量約4800 m3/s，平均流速約1 m/s），對(duì)當(dāng)天的行船（測(cè)船）有一定影響，但從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，ADCP有較為精確的測(cè)深功能，如今后走航ADCP能開(kāi)發(fā)出結(jié)合RTKGPS模式的測(cè)量軟件，結(jié)合自身測(cè)深的簡(jiǎn)便、方便渡河的優(yōu)點(diǎn)，相信今后可以減輕中心站職工測(cè)量大斷面的工作負(fù)擔(dān)。