走航ADCP進行斷面測量的方法和質(zhì)量控制

黃 晶

（廣西壯族自治區(qū)水文中心，南寧 530023）

走航ADCP 作為目前水文測流精度較高的儀器，其測深精度也不低，但《水文測量規(guī)范》（SL58-2014）中大斷面測量卻沒有走航ADCP 測量的方法和標準。本文提出SonTek 的M9型ADCP 計算大斷面的兩種方法與中海達HD-370單頻回聲測深儀測深數(shù)據(jù)進行比測，來探討用ADCP 測大斷面計算起點距的方法和所測的大斷面數(shù)據(jù)精度是否滿足水文測量的要求。

1 M9型走航ADCP測深原理及精度

Sontek-M9 型走航 ADCP 是有 9 個換能器，4 個傾角 25°的 3.0 MHz 對稱波束，4 個傾角 25°的 1.0 MHz對稱波束和1個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（一對或一組）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)此計算出水流相對于ADCP 的運動速度。同時，還向河底發(fā)射底跟蹤脈沖，測出裝載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（計算水深時，軟件已自動加上如水深），并保證在縱搖正負10°以內(nèi)，橫搖正負5°以內(nèi)情況下，換能器始終保持置于水面以下，通過橫縱搖數(shù)據(jù)對水深數(shù)據(jù)進行修正。同時外置羅經(jīng)GPS 可以獲得一定精度位置坐標，從而計算出航向和航距。

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

2 HD-370回聲測深儀原理及精度

中海達HD370全數(shù)字回聲測深儀由發(fā)射、接收換能器、顯示設備及電源組成，可得精度較高的水深數(shù)據(jù)，再加上儀器入水深度和實時水位數(shù)據(jù)可以快速計算出實時的河底測點高程，配合中海達（V30）GPS-RTK 技術獲取實時的位置數(shù)據(jù)，從而計算出測點的起點距。

中海達性能主要指標：工作頻率200kHz，測深范圍0.3～120 m，測深精度：±1 cm+0.1%h。

測深原理：假設聲波在水中的傳播速度為V，當在換能器探頭加窄脈沖聲波信號，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，測降面積測流法在清水河洪得聲波信號往返行程所經(jīng)歷的時間為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 比測實驗

3.1 測驗河段概況

桂平水文站屬于國家重要水文站，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。高低水時均無分岔流、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)土和漿砌石護坡組成。

3.2 比測過程

利用測船將HD-370 回深測深儀和ADCP 安裝在船的兩側(cè)，同時進行大斷面水深測量。測船通過測深儀外接顯示設備的測量導航軟件進行航行。在測量過程中，盡量控制航行時不超過斷面線的上下游5 m外包線（見圖1），確保水深測點均是斷面線附近測點，減小測點不同造成的誤差。

圖1 桂平水文站斷面走航ADCP航跡坐標圖（采用RTK定位坐標）

3.3 比測數(shù)據(jù)精度分析

測深儀測深和走航ADCP測深的方法均是不停的向河底發(fā)出并接收測量信號，因此采集的測點數(shù)據(jù)密而且多。根據(jù)《水文測量規(guī)范》（SL58-2 014）中表3.3.6 規(guī)定“大斷面測量的最少測深垂線數(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測深數(shù)據(jù)為標準，選取起點距每間隔1 m 的整米測點水深數(shù)據(jù)進行誤差比對，判斷走航ADCP連續(xù)測深的精度。

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

圖2 測深儀實測斷面與走航ADCP實測斷面（用羅經(jīng)定位數(shù)據(jù)計算起點距）比較圖

圖3 測深儀實測斷面與走航ADCP實測斷面（用航距計算起點距）比較圖

將兩種走航ADCP所測斷面的整米數(shù)據(jù)按水位級劃分 5 m 以下、5～10 m 和 10 m 以上 3 組進行誤差分析（見表1、表2）和整米樣本的相對誤差統(tǒng)計表（見表3、表4）。

表1 測深儀與走航ADCP水深誤差對比表（用羅經(jīng)定位數(shù)據(jù)計算起點距）

表2 測深儀與走航ADCP水深誤差對比表（用航距計算起點距）

表3 水深相對誤差統(tǒng)計表（用羅經(jīng)定位數(shù)據(jù)計算起點距）

表4 水深相對誤差統(tǒng)計表（用航距計算起點距）

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，用航距計算起點距的方法的大斷面精度較好。將走航ADCP用航距計算方法所得的斷面成果與測深儀斷面成果在不同水位下的河寬和過水斷面面積進行比較（見表5），結(jié)果是斷面河寬相差不大，不同水位下過水斷面面積不超過0.2%，對計算流量影響不大。測深儀和走航ADCP斷面測點垂線水深對比表見表6，從原始數(shù)據(jù)上看，測深儀最深的測點起點距為337.00 m與走航ADCP最深測點的起點距336.43 m相差0.57 m。最深測點分別為15.62 m和15.63 m，基本一致。

表5 測深儀斷面與走航ADCP過水斷面面積在不同水位的誤差（用航距計算起點距）

表6 測深儀和走航ADCP斷面測點垂線水深對比表（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 比測結(jié)論

（1）走航ADCP 測大斷面的起點距計算方法可以用羅經(jīng)測的坐標計算，也可以用ADCP 流量計算軟件的航距計算斷面起點距，從兩種方法所測的斷面成果比較（以HD-370 測深儀的數(shù)據(jù)作為標準斷面），用航距計算斷面起點距的方法誤差較小，原因是羅經(jīng)的定位精度為亞米級，從ADCP 測流測驗軟件中所測的經(jīng)緯度精確到秒位的小數(shù)點后第二位，根據(jù)經(jīng)驗，誤差大約為0.3 m，誤差為隨機誤差；通過航距所計算的起點距時，由于航行非直線，造成一定的累積計算誤差，導致所測斷面整體向一側(cè)偏移。

（2）根據(jù)《水文測量規(guī)范》（SL58-2014）中第3.2.3條“測深錘或鉛魚兩次測得水深相對誤差應不大于3%。河底不平或有風浪時，應不大于5%”規(guī)定，走航ADCP 用起點距計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，當測深儀和走航ADCP 不在同一個測點時（兩個儀器分別在測船兩側(cè)），會造成一定的誤差。

（4）走航ADCP 用航距計算方法所得的斷面成果與測深儀斷面成果在不同水位下的河寬相差不大且過水斷面面積不超過0.2%，對計算流量影響不大。

4 走航ADCP測量大斷面的精度控制

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

（1）測量大斷面時間應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）測深點相對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)，測量斷面水深應在0.2～80 m之間。

（3）每次測量前后，應根據(jù)不同水深分級，在斷面的不同水深點與其他測深工具進行定點比測，比測點宜為3～5點，并記錄比測數(shù)據(jù)。水深不大于20 m時，比測互差應不大于0.2 m，水深大于20 m時，比測互差應不大于水深的1%。

（4）河寬較窄的斷面（50 m 以下），應利用繩子在測量斷面兩岸對拉三體船，讓三體船行駛在斷面線上；如測量斷面有纜道，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；當河寬較大時（大于100 m），無法利用繩子對拉且無纜道進行拖拉的測站，在利用無人船或測船拖拉三體船的，應盡量使航線與斷面線重合，航速不宜過小，以保證航跡順直，航向穩(wěn)定；船速也不宜過大，保證垂直波束的數(shù)據(jù)質(zhì)量和測點的密度。

（5）斷面測次應至少安排1個測回，比較2次斷面面積和圖形差別，如差別過大需及時復測。

（6）在處理ADCP 數(shù)據(jù)過程中，應將河底高程展到圖上，對有突變的單點數(shù)據(jù)（毛刺）進行平滑修正，發(fā)現(xiàn)河底高程與歷年斷面有較大的變化時，應及時查找原因；如有需要，需及時復測。

5 結(jié)語

大斷面測量是水文工作一項重要的工作內(nèi)容，在全國中小河流項目建設結(jié)束后，每年汛前、汛后的專用水文（位）站都有很多大斷面測量工作任務。走航ADCP 已轉(zhuǎn)為我區(qū)常用的測流設備，其測流歷時短，操作簡單效率高的特點受到廣大水文職工的使用。

本文所選取的實驗斷面河寬較大，為通航河段，測量當天過往船只較多，且有一定流速（流量約4800 m3/s，平均流速約1 m/s），對當天的行船（測船）有一定影響，但從實驗數(shù)據(jù)上看，ADCP有較為精確的測深功能，如今后走航ADCP能開發(fā)出結(jié)合RTKGPS模式的測量軟件，結(jié)合自身測深的簡便、方便渡河的優(yōu)點，相信今后可以減輕中心站職工測量大斷面的工作負擔。