三峽庫區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)

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三峽庫區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，庫區水深大幅增加，使水深測量精度影響因素變得更為復雜。對深水庫區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、數據分析及總結，找出相應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、水庫運行調度具有重要意義。對研究目的和內容、試驗過程以及數據分析等情況作了介紹。

關鍵詞：庫區蓄水；水深測量；影響因素；三峽水利樞紐

1研究目的與內容

自2009年三峽水庫成功蓄水至175 m以后，庫區水深大幅增加，部分河段水深超過了200 m。水深的急劇增加，導致水庫測深精度下降現象突出，且已成為該庫區水深測量亟待解決的技術問題。

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，受測區水流、風浪等外界因素影響，測船會出現左右、前后搖擺及升沉變化(即測船姿態變化)，這種變化對測量精度產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、水庫運行調度具有重大的現實意義和科研價值。主要研究內容包括：①影響三峽庫區水深測量精度的因子；②單波束測深系統測船姿態改正技術；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據處理方法。

2外業試驗

三峽庫區壩前至廟河河段屬西陵峽廟南寬谷段。該河段斷面形態呈“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；河床中泓底質多為細粉沙、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，根據分單波束測深系統集成與不集成姿態傳感器的實情，使用不同船型并按1∶2 000精度測量試驗斷面，收集試驗數據。

(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，做快速調向、變速航行、急速停車及倒車等特殊航向試驗。

3數據分析

基于海洋測繪領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、庫區泥沙淤積分析成果、庫區本底監測成果和試驗原型觀測成果開展數據分析。

3.1影響水深測量精度的因子

(1) 當測船的橫搖角Roll和縱搖角Pitch大于波束角寬度時，不僅產生深度誤差，同時還會產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對深度測量產生直接的影響；而且船的橫搖和縱搖也會使測船產生誘導起伏(或稱感生起伏)。

(3) 低速測量過程中，測船動態吃水較小；過快的船速會導致動態吃水明顯增大。

(4) 測船移動會產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，船速較高會產生較大的誤差；為提高測量精度和測深效果，應限制測量船速。

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

(6) 水深測量環境復雜多變。國內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境因子。

3.2單波束測深系統測船姿態改正技術

3.2.1深度改正

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

當|α|<θ時，α引起測深信號的偏移仍在波束角的范圍之內，深度毋需改正；

當|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|β|<θ時，β引起測深信號的偏移仍在波束角的范圍之內，深度毋需改正；

當|β|>θ時，則引起附加測深誤差Δd，即

(2)

(3) 升沉變化Heave對水深測量產生直接影響，對于平面位置不產生影響，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系的某個軸發生一定程度的旋轉(橫搖角α、縱搖角β、航偏角γ)，從而改變了船體坐標系VFS和當地坐標系LLS的相互關系，也改變了波束腳印坐標在VFS下的計算參數，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動態吃水改正

動態吃水可通過船體處于動態和靜態時的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。經試驗，在常規測量速度(4節左右)行進過程中，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，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生正的測深點位置偏移誤差。水深100 m 和船速10節，產生0.69 m的誤差；水深200 m和船速10節，產生了1.37 m的誤差，因此對于水深小于200 m和船速小于10節時，測量船移動產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。當α=-1°,θ=1.5°時，對于水深200 m和10節船速，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節船速的條件下，當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α=-60°,θ=5.0°時，最大測深誤差為-0.06 m，相對測深精度達到0.03%水深。由此得出結論，當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，應根據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。

以庫區采用聲速剖面儀實測溫度、聲速為基準，應用《水道觀測規范》(SL257-2000)聲速公式、《海道測量規范》(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種經驗聲速公式進行試算。在不考慮鹽度影響、水溫變幅達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) 樣本系列標準差較小的依次為Machenzie、Medwin、Leroy、Chen-Mille-Li、海道；且Chen-Mille-Li公式計算的聲速結果沒有系統偏差。

經綜合考慮，認為Medwin公式的適用性最佳。

3.4有水溫躍層時水深測量數據處理方法

實際測量中，高精度的聲線跟蹤算法相當重要。聲線跟蹤是建立在聲速剖面基礎上的一種波束腳印(投射點)相對船體坐標系坐標的計算方法。聲線跟蹤通常采用層追加方法，即將聲速剖面內相鄰2個聲速采樣點劃分為一個層，可將層內聲速變化假設為常值(零梯度)或常梯度。

在水溫躍層存在的庫區，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，即測船姿態對水深測量及改正的影響。理論上，經聲線跟蹤模型改正后的水深與實際水深更接近。

試驗時，以標記有刻度的鋼絲繩為目標物，以回聲儀測目標深度。在上下溫差達19.63℃、水深為140.70 m的情況下，測深儀測深為144.9 m，誤差達4.2 m；采用聲速剖面數據，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、較差的標準差分別為(0.25 m、0.10 m)、(0.25 m、0.10 m)，改正效果顯著。

4結語

所開展的三峽庫區水深測量影響因素及改正方法研究，將有利于提高庫區水深測量精度，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，對深水環境測繪技術的發展具有較高的實用價值。

文獻標志碼：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