周 秘

(中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063)

0 引言

洋山深水港區(qū)位于杭州灣口、長(zhǎng)江口外的浙江省嵊泗崎嶇列島，由大、小洋山等數(shù)十個(gè)島嶼組成，是中國(guó)首個(gè)在海島建設(shè)的港口(見(jiàn)圖1)。洋山港西北距上海市南匯蘆潮港約32 km，南至寧波北侖港約90 km，向東經(jīng)黃澤洋水道直通外海，距國(guó)際航線僅45海里，是距上海最近的深水良港[1-3]。為掌握水深狀況，確保航行安全，對(duì)洋山深水港區(qū)進(jìn)港航道人工維護(hù)段和港內(nèi)水域進(jìn)行定期的水下地形監(jiān)測(cè)與跟蹤分析，全面掌握航道現(xiàn)狀、水深變化趨勢(shì)及河床變化趨勢(shì)等，為疏浚提供初步的參考依據(jù)。

圖1 洋山深水港區(qū)地理位置示意圖

1 工程概況

本工程水深監(jiān)測(cè)區(qū)域位于洋山深水港進(jìn)港航道人工維護(hù)段，港內(nèi)水域包括港內(nèi)航道及一、二、三期碼頭回旋水域。于2017年2月19日第1次進(jìn)場(chǎng)，至2017年10月31日完成每次港內(nèi)水域及進(jìn)港航道人工維護(hù)段的水深監(jiān)測(cè)，共完成測(cè)量作業(yè)6次。

1.1 進(jìn)港航道人工維護(hù)段

進(jìn)港航道人工維護(hù)段長(zhǎng)約11.28 km，測(cè)量寬度1000 m，水下地形面積約11.62 km2；測(cè)量范圍如表1所示，四點(diǎn)連線為測(cè)量范圍。平面坐標(biāo)系為1954年北京坐標(biāo)系；投影為高斯克呂格投影；橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球；測(cè)區(qū)中央子午線122°E。

表1 洋山深水港區(qū)進(jìn)港航道人工維護(hù)段 m

1.2 港內(nèi)水域

包括港內(nèi)航道及一、二、三期碼頭回旋水域，水下地形面積約6.22 km2；測(cè)量范圍如表2所示。平面坐標(biāo)系為1954年北京坐標(biāo)系；投影為高斯克呂格投影；橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球；測(cè)區(qū)中央子午線122°E。

表2 洋山深水港區(qū)港內(nèi)水域 m

2 測(cè)區(qū)平面控制測(cè)量

2.1 控制點(diǎn)埋設(shè)

根據(jù)本年度水域測(cè)量需要，在測(cè)區(qū)周圍小島布設(shè)7個(gè)GNSS控制點(diǎn)，并標(biāo)注點(diǎn)名，點(diǎn)號(hào)為E1—E7，其中E7為計(jì)算WGS84與BJ54坐標(biāo)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)(七參數(shù))后使用GNSS RTK技術(shù)采集，為儀器參數(shù)比對(duì)使用。(見(jiàn)圖2)

圖2 控制點(diǎn)布點(diǎn)示意圖

2.2 平面控制網(wǎng)測(cè)量

控制測(cè)量采用±(8+1×10-6D)mm雙頻GNSS接收機(jī)，按《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 73—2019)中網(wǎng)絡(luò)RTK觀測(cè)要求組織，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK數(shù)據(jù)采集。GNSS接收機(jī)和天線等設(shè)備在有效期內(nèi)，在測(cè)量作業(yè)前進(jìn)行了全面的通電檢查。觀測(cè)作業(yè)組嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)程及綱要。每日觀測(cè)結(jié)束后，及時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)上并進(jìn)行備份。

(1)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

采用上海市SHCORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(RTK)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)滿足四等以下控制測(cè)量、工程測(cè)量要求。

(2)動(dòng)態(tài)RTK作業(yè)流程

測(cè)量使用的流動(dòng)站設(shè)備主要包括雙頻GNSS接收機(jī)及天線、手簿以及數(shù)據(jù)收發(fā)用的通信鏈(移動(dòng)通信)。其具體步驟包括：

①流動(dòng)站通過(guò)設(shè)置與操作采用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，將GPRS連接到SHCORS中心網(wǎng)絡(luò)。

②流動(dòng)站GNSS天線保持穩(wěn)定，進(jìn)行初始化工作獲取RTK固定解。初始化時(shí)間視衛(wèi)星狀況、觀測(cè)環(huán)境狀況及不同的接收機(jī)類型等可能會(huì)持續(xù)15～60 s不等。

③在待測(cè)點(diǎn)上得到固定解且穩(wěn)定2 min后，按控制點(diǎn)測(cè)量程序開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄完畢后由程序自動(dòng)進(jìn)行平滑處理，生成成果報(bào)告。

④如果不能順利初始化，可移動(dòng)流動(dòng)站天線位置，選擇觀測(cè)條件好的地點(diǎn)進(jìn)行初始化，然后返回移動(dòng)到待測(cè)點(diǎn)上，按照步驟③進(jìn)行觀測(cè)。

⑤作業(yè)過(guò)程中分別初始化三次，在每個(gè)平面控制點(diǎn)上測(cè)量三次，求取坐標(biāo)的平均數(shù)作為控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)。

(3)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

由于本次測(cè)量平面坐標(biāo)系要求采用1954年北京坐標(biāo)系，網(wǎng)絡(luò)RTK采集的上海平面坐標(biāo)成果經(jīng)由上海市測(cè)繪院轉(zhuǎn)換為1954年北京坐標(biāo)系。

3 潮位控制

為確保洋山深水港區(qū)航道水深測(cè)量的潮位控制精度，需要進(jìn)行驗(yàn)潮改正。驗(yàn)潮站的布設(shè)要能充分反映測(cè)區(qū)的水位變化，并符合以下要求：

(1)無(wú)沙洲、淺灘阻隔，無(wú)雍水、回流現(xiàn)象。

(2)不直接受風(fēng)浪、急流沖擊影響，不易被船只碰撞。

(3)岸坡穩(wěn)定，能牢固設(shè)立水位觀測(cè)設(shè)備，并易于水準(zhǔn)測(cè)量。

(4)觀測(cè)設(shè)備的設(shè)置范圍，要高于最高潮位，低于最低潮位。

(5)對(duì)寬度較大的海灣，應(yīng)考慮潮位的橫向變化，進(jìn)行水位橫比降改算。

各臨時(shí)驗(yàn)潮站高程按《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12898—2009)中四等水準(zhǔn)要求，采用光學(xué)水準(zhǔn)儀配2 m紅黑水準(zhǔn)尺進(jìn)行引測(cè)。

測(cè)深期間，通過(guò)在測(cè)區(qū)附近設(shè)立的驗(yàn)潮站進(jìn)行水位觀測(cè)，通過(guò)內(nèi)業(yè)改正，求出各個(gè)時(shí)刻的水面高程。潮位人工觀測(cè)站由人工進(jìn)行觀測(cè)，每10 min觀測(cè)一次，漲急、落急時(shí)適當(dāng)進(jìn)行加密。

3.1 進(jìn)港航道人工維護(hù)段

進(jìn)港航道人工維護(hù)段潮位站沿用歷年《洋山深水港區(qū)航道水深監(jiān)測(cè)與跟蹤分析項(xiàng)目勘察測(cè)量項(xiàng)目》進(jìn)港航道人工維護(hù)段測(cè)量小衢山潮位站，高程5.41 m(小衢山理論最低潮面)。坐標(biāo)：X=XXXX836.88 m，Y=YYY413.75 m。其潮站位置見(jiàn)圖3所示。

圖3 小衢山驗(yàn)潮站注記

3.2 港內(nèi)水域

港內(nèi)水域測(cè)量段潮位站設(shè)立在大洋山，沿用歷年項(xiàng)目中大洋鑰匙岙水準(zhǔn)點(diǎn)SK10，高程為9.218 m(小洋山理論最低潮面)。坐標(biāo)：X=XXXX370.35 m，Y= YYY485.64 m。大洋山潮位站的高程按《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12898—2009)中四等水準(zhǔn)要求，采用光學(xué)水準(zhǔn)儀配2 m紅黑水準(zhǔn)尺進(jìn)行引測(cè)，驗(yàn)潮站為5.05 m，其潮站位置見(jiàn)圖4所示。

圖4 大洋山驗(yàn)潮站注記

4 水深測(cè)量

4.1 施測(cè)方法

開(kāi)始施測(cè)前對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行核對(duì)。

(1)GNSS的校對(duì)

GNSS儀器有檢定證書(shū)，并在有效期內(nèi)。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，計(jì)算WGS84與BJ54坐標(biāo)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)(七參數(shù))，通過(guò)測(cè)深導(dǎo)航軟件對(duì)GNSS RTK進(jìn)行了比對(duì)，符合測(cè)量規(guī)范對(duì)位置精度的要求。

(2)測(cè)深儀工前、工后比對(duì)

使用聲速剖面儀測(cè)量聲波在不同水深的傳播速度，得到聲速剖面，在水域測(cè)量前進(jìn)行聲速改正，同時(shí)準(zhǔn)確量取探頭吃水深度，正確配置測(cè)深儀，配合測(cè)深板對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行工前、工后的靜態(tài)比對(duì)。測(cè)深板的校對(duì)深度根據(jù)測(cè)區(qū)的最大和最小水深值確定，每2 m一個(gè)臺(tái)階，進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保水深測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠。

4.2 數(shù)據(jù)采集

水深測(cè)量采用±(8+1×10-6D)mm雙頻GNSS接收機(jī)配以雙頻測(cè)深儀，應(yīng)用GNSS RTK技術(shù)輔以導(dǎo)航測(cè)深軟件進(jìn)行平面、深度數(shù)據(jù)的采集。測(cè)量時(shí)，將測(cè)深儀輸出接口、GNSS RTK定位輸出接口與雙頻測(cè)深儀連接，實(shí)現(xiàn)定位、測(cè)深同步打標(biāo)。數(shù)據(jù)采集時(shí)實(shí)時(shí)查看GNSS RTK差分接收鎖定情況，確保數(shù)據(jù)采集的整個(gè)過(guò)程中水深測(cè)量平面定位精度。

4.3 測(cè)線布設(shè)

(1)港內(nèi)水域

① 主測(cè)深線布設(shè)：主測(cè)深線均垂直碼頭前沿線布設(shè)，間距50 m，共設(shè)126條主測(cè)深線，每條主測(cè)深線平均長(zhǎng)度約1000 m，總長(zhǎng)130 km。測(cè)深定位點(diǎn)間距為圖上5 mm。

② 檢查線布設(shè)：檢查線垂直于主測(cè)深線布設(shè)，共布設(shè)2條。

③ 洋山深水港區(qū)港內(nèi)水域按1∶5000測(cè)量。

(2)進(jìn)港航道人工維護(hù)段

① 主測(cè)深線布設(shè)：主測(cè)深線均垂直航道軸線，間距100 m，共設(shè)120條主測(cè)深線，每條主測(cè)深線長(zhǎng)度1000 m，總長(zhǎng)118.5 km。測(cè)深定位點(diǎn)間距為圖上5 mm。

② 檢查線布設(shè)：檢查線垂直于主測(cè)深線布設(shè)，共布設(shè)2條。

③ 進(jìn)港航道人工維護(hù)段按1∶10000測(cè)量。

4.4 成果質(zhì)量檢查

布置足夠的檢查線是檢查主測(cè)線定位和測(cè)深是否存在系統(tǒng)誤差或粗差的有效方法，并以此衡量水深測(cè)量成果的精度，檢查線與主測(cè)線以同等精度進(jìn)行施測(cè)，并滿足占主測(cè)線總長(zhǎng)5%的要求。根據(jù)比差統(tǒng)計(jì)，檢查線上的點(diǎn)在圖上1 mm范圍內(nèi)與主測(cè)線測(cè)點(diǎn)比較，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表3—表4。從檢查線的測(cè)點(diǎn)與主測(cè)線測(cè)點(diǎn)的高程符合情況來(lái)看，各測(cè)線定位和測(cè)深不存在系統(tǒng)差或粗差，精度符合規(guī)范要求，測(cè)深質(zhì)量可靠。

表4 港內(nèi)水域主測(cè)線與檢查線比對(duì)統(tǒng)計(jì)表

表3 進(jìn)港航道主測(cè)線與檢查線比對(duì)統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，深度檢查較差均滿足《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》(JTS 131—2012)≤±40 cm(水深值≤20 m時(shí))的要求。利用式(1)計(jì)算進(jìn)港航道人工維護(hù)段深度測(cè)量中誤差。

(1)

式中：n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

深度測(cè)量中誤差結(jié)果為±10.2 cm，滿足《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》(JTS 131—2012)中≤±20 cm的要求。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，深度檢查較差均滿足《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》(JTS 131—2012)≤±40 cm(水深值≤20 m時(shí))的要求。利用式(1)計(jì)算港內(nèi)水域深度測(cè)量中誤差。

深度測(cè)量中誤差結(jié)果為±7.8 cm，滿足《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》(JTS 131—2012)≤±20 cm的要求。

5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理及成圖

外業(yè)測(cè)量結(jié)束后對(duì)所測(cè)的記錄進(jìn)行全面檢查、校核，對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用測(cè)量軟件所采集的水深數(shù)據(jù)與測(cè)深儀記錄紙上的打印值逐一進(jìn)行校核，并對(duì)計(jì)算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)里的衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星質(zhì)量、初始化狀況等指標(biāo)進(jìn)行檢查，無(wú)誤后進(jìn)行水深內(nèi)業(yè)編輯。

將潮位改正數(shù)據(jù)輸入水深測(cè)量軟件中，生成潮位文件，并進(jìn)行潮位改正；使用單波束編輯器，對(duì)照測(cè)深紙將假水深修正；最后使用潮位內(nèi)插功能進(jìn)行潮位改正，生成潮位改正后的edit和xyz文件，最后轉(zhuǎn)換成CAD文件。

6 港內(nèi)航道及港內(nèi)碼頭回旋水域跟蹤分析

6.1 水深情況分析

港內(nèi)水域包括港內(nèi)航道及一、二、三期碼頭回旋水域,港內(nèi)水域沿碼頭方向主要呈西北淺、東南深的走勢(shì)，其中北側(cè)二期港區(qū)碼頭前沿水下地形較平緩，水深約14～16 m；一期港區(qū)碼頭前沿水下地形也較平緩，水深約16～19 m；三期港區(qū)碼頭前沿水下地形起伏較大，三期港區(qū)(一階段)碼頭前沿呈北淺南深走勢(shì)，水深變化較大，水深約19～50 m；三期港區(qū)(二階段)碼頭前沿受小巖礁島和大洋山島影響，水下地形起伏較大，水深變化較大，水深約19～80 m；其中，小洋山島北側(cè)500 m處較淺，水深最淺處約19 m；該處與三期港區(qū)(二階段)碼頭間水深最深約84 m(見(jiàn)圖5)。

圖5 洋山深水港區(qū)港內(nèi)水域水深平面示意圖

6.2 港內(nèi)航道及碼頭回旋水域現(xiàn)狀分析

將設(shè)計(jì)水深減去最后一次洋山深水港區(qū)港內(nèi)水域?qū)崪y(cè)水深，得到港內(nèi)水域現(xiàn)狀水深與設(shè)計(jì)水深的差值，進(jìn)而繪制其平面分布圖，分析水下地形淤積范圍的平面分布規(guī)律?，F(xiàn)狀水深與設(shè)計(jì)水深差值平面分布如圖6所示。

圖6 洋山深水港區(qū)港內(nèi)水域淤積范圍平面分布圖

水深差值為正值表示現(xiàn)狀水深相較于設(shè)計(jì)水深淺，水深差值為負(fù)值表示現(xiàn)狀水深相較于設(shè)計(jì)水深更深，紅色區(qū)域?yàn)橛俜e區(qū)域。

從圖6可以看出，洋山深水港區(qū)港內(nèi)水域主要淤積區(qū)域?yàn)槎诟蹍^(qū)的大部分水域和一期港區(qū)的南半幅水域，淤積水域形似梯形，梯形上底面(沿二期港區(qū)碼頭方向)長(zhǎng)約480 m，下底面長(zhǎng)約2600 m?？傮w上以一、二期港區(qū)水域的對(duì)角線為分界線，對(duì)角線以南區(qū)域相較于設(shè)計(jì)水深淺，淤積厚度小于4 m；對(duì)角線以北區(qū)域現(xiàn)狀水深均大于設(shè)計(jì)水深。

6.3 港內(nèi)航道及碼頭回旋水域淤積厚度分布分析

根據(jù)一、二期港區(qū)水域的淤積范圍[4-6]，進(jìn)一步針對(duì)淤積區(qū)域的淤積厚度進(jìn)行細(xì)化分析，淤積區(qū)域具體淤積厚度在平面上的分布規(guī)律如圖7所示。

圖7 港內(nèi)水域淤積厚度平面分布圖

可以看出，淤積區(qū)域自南向北、自西向東淤積厚度逐漸減弱，大部分淤積區(qū)域的淤積厚度在1～3 m之間，淤積區(qū)域最淺水深約為12.2 m，最淺點(diǎn)位于二期港池最西側(cè)中部。

7 結(jié)論

(1)對(duì)洋山深水港航道進(jìn)行了水深監(jiān)測(cè)與跟蹤分析，全面掌握航道的現(xiàn)狀、水深變化趨勢(shì)及河床變化趨勢(shì)等，為疏浚提供初步的參考依據(jù)。

(2)對(duì)洋山深水港進(jìn)行了水深監(jiān)測(cè)與跟蹤分析，掌握了水深實(shí)際情況和港池內(nèi)航道及碼頭回旋水域淤積厚度，為洋山深水港的正常通航提供了安全保證。

(3)對(duì)航道、碼頭水深及沖淤分析均建立在實(shí)際測(cè)量的基礎(chǔ)上，可以利用多次測(cè)量數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)模型，對(duì)后期水深及沖淤進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。