針對單波束測深儀新型比測工具研制及應(yīng)用

□ 張 序

為響應(yīng)“十四五”長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展“1+N”規(guī)劃政策體系，加快長江黃金水道建設(shè)步伐，港口與航道工程建設(shè)項目勢必會日益增多。水深測量是反映水下地形地貌的重要手段，是工程建設(shè)的重要依據(jù)，而水深測量中測深儀現(xiàn)場比測結(jié)果，是評估水深數(shù)據(jù)可靠性高低的決定性因素之一。目前，長江航道水深測量作業(yè)中常用的比測方式有兩種：一種是以桿測為代表的比測工具，稱為硬式比測；另一種是以坨繩加比測板組合為代表的比測工具，稱為軟式比測。硬式比測，面對復(fù)雜的水下環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)共點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差較大；軟式比測，容易受水流流速影響，難以獲得高精度數(shù)據(jù)。對此，筆者針對單波束測深儀的新型比測工具，革新常用比測方式，進(jìn)一步減少測深數(shù)據(jù)比測誤差，以提高水深比測工作效率和精度。

一、水深測量比測現(xiàn)狀分析

1.目前使用的水深比測方式

比測工具的選擇并不是固定的，往往根據(jù)外業(yè)作業(yè)環(huán)境和項目要求而定，因地制宜自行選擇比測方式。這既要保證比測工具要垂直于水面，又要保證換能器盡可能地與比測工具平行，實(shí)現(xiàn)共點(diǎn)。外業(yè)常常使用硬式比測和軟式比測兩種工具。硬式比測，采用桿測與水深測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；軟式比測，采用坨繩和比測板，組裝時盡可能使坨繩與比測板垂直，進(jìn)行測深時坨繩和比測板垂直放入水中。

2.存在的問題分析

（1）當(dāng)采用硬式比測也就是使用比測桿進(jìn)行比測時，如果遇到河床為淤泥（如圖1 所示），那么，比測桿所測得的水深=實(shí)際水深+淤泥厚度（即h1=h0+h泥），而換能器所測得的水深=實(shí)際水深（即h2=h0）。兩組所得測量數(shù)據(jù)由于不在同一水平面上，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不共點(diǎn)，從而出現(xiàn)比測數(shù)據(jù)誤差較大的問題。

圖1 河床有淤泥時測量

如果遇到所測量地段水下有水生植物（以水草為例，如圖2 所示），比測桿所測得的水深=實(shí)際水深（即h1=h0），而換能器所測得的水深=實(shí)際水深－水草高度（即h2=h0－ h草）?？梢?，在水下環(huán)境復(fù)雜的情況下，使用比測桿對獲取準(zhǔn)確的比測數(shù)據(jù)存在一定的干擾，所以，在比測數(shù)據(jù)誤差較大的情況下，無法證明所測水深數(shù)據(jù)為高精度數(shù)據(jù)。

圖2 河床有水草時測量

（2）當(dāng)采用軟式比測即坨繩加比測板進(jìn)行比測時，如果遇到比測水域流速較大（如圖3 所示），坨繩會與換能器存在一個偏角，導(dǎo)致比測板未平行于換能器和比測數(shù)據(jù)不共點(diǎn)，這會導(dǎo)致坨繩所測得的水深不等于換能器所測的水深。

圖3 水域流速較大時測量

二、針對單波束測深儀的新型比測工具設(shè)計

1.新型比測工具組成

新型比測工具設(shè)計將硬式比測工具與軟式比測工具相結(jié)合，由比測桿、合金卡箍、聲波反射板等3 個基本部分組成，可根據(jù)外業(yè)實(shí)際情況組合優(yōu)化，以適應(yīng)不同水域。

（1）比測桿。比測桿由高強(qiáng)度3 K 碳素管制成。該碳素管具有高強(qiáng)度、高韌性、質(zhì)量輕、壽命長、不易變形耐腐蝕、耐高溫、絕緣電阻高、阻燃性好等多項優(yōu)點(diǎn)，使比測桿在水流流速較大的地方不變形或變形很小，保證換能器聲波信號有效返回。桿體分為1 米和1.5 米兩種，桿體刻度采用激光標(biāo)刻，并涂抹白色油漆于刻度之上，便于觀讀，可根據(jù)水域需要連接成合適的長度。

（2）合金卡箍。合金卡箍分為固定單口卡箍和“8字型”雙口卡箍，不容易生銹。固定單口合金卡箍用來連接比測桿桿體；“8字型”雙口卡箍由兩個單口卡箍焊接而成，其中一個口固定在比測桿桿體上，另一個口固定在換能器上，這樣有利于換能器與比測桿始終保持平行。

（3）聲波反射板。由環(huán)氧樹脂板材料制作而成，將環(huán)氧樹脂板做鏤空處理，減小入水和在水域中的水流阻力，在作業(yè)時聲波反射板板面與比測桿和換能器垂直。聲波反射板有圓形、三角形、菱形等3 個形狀，具體根據(jù)水域需求選擇組合。

2.產(chǎn)品設(shè)計

針對單波束測深儀的新型比測工具采用組裝式設(shè)計，可根據(jù)水域情況選擇組件，便于攜帶（設(shè)計示意圖如圖4 所示）。

圖4 新型比測工具示意圖

3.產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)

針對單波束的新型測深儀比測工具對比傳統(tǒng)的硬式比測和軟式比測，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）通過合金卡扣的設(shè)計將比測桿與測深儀換能器平行固定，解決了水流流速過大的情況下比測桿無法高度平行于換能器的問題。

（2）通過添加底部聲波反射板解決了水下地形復(fù)雜、存在淤泥或水草致使比測數(shù)據(jù)不在同一水平面上，導(dǎo)致比測數(shù)據(jù)不共點(diǎn)產(chǎn)生的較大誤差。

（3）比測桿使用激光標(biāo)刻刻度后，省去人工二次測量的步驟，節(jié)省了人力，也減小了人為操作誤差。

三、應(yīng)用測試

根據(jù)設(shè)計構(gòu)想完成了新型比測工具的實(shí)物研制（如圖5 所示），并讓新型比測工具在不同水域進(jìn)行應(yīng)用測試。

圖5 新型比測工具

1.第一次在長江上游朝天門至涪陵段航道整治工程施設(shè)階段原型觀測項目中進(jìn)行應(yīng)用測試

測試時間為2020 年11 月5 日—9 日，共5 天，比測方式為開工前比測2次，收工前比測2次。在測試過程中，應(yīng)選取流速相對平緩和流速較大的區(qū)域分別進(jìn)行。

通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，5天的水深比測差值均未大于5 厘米，水深比測共20組數(shù)據(jù)，比測水深差值大于0.03 米的占0.00%；比測水深差值小于等于0.03 米大于0.02米的占5.00%；比測水深差值小于等于0.02 米大于0.01米的占35.00%；比測水深差值小于等于0.01 米大于等于0.00 米的占60.00%，精度較高，實(shí)現(xiàn)了水深測量比測誤差的減小，省去了人工二次測量的繁瑣步驟。

2.第二次在長江中游新洲至九江河段航道整治二期工程度汛觀測項目中進(jìn)行應(yīng)用測試

測試時間為11 月22 日—26 日，共5 天，比測方式為開工前比測2 次，收工前比測2 次，仍然選擇流速相對平緩和流速較大的區(qū)域分別進(jìn)行。

第二次測試數(shù)據(jù)分析，5 天的水深比測差值均未大于5 厘米，水深比測共20 組數(shù)據(jù)，比測水深差值大于0.03 米的占0.00%；比測水深差值小于等于0.03 米大于0.02 米的占5.00%；比測水深差值小于等于0.02米大于0.01 米的占50.00%；比測水深差值小于等于0.01 米大于等于0.00 米的占45.00%，精度較高。

從2次新型比測工具現(xiàn)場測試情況看，2次測量結(jié)果精度都符合《水運(yùn)工程測量規(guī)范》（JTS 131-2012）。新型比測工具不僅可以很好地適用于不同水域環(huán)境的測區(qū)，適應(yīng)性好，抗干擾性強(qiáng)，而且能有效減小水深比測工作中的誤差，操作簡便。

四、結(jié)語

針對單波束測深儀的新型比測工具是基于長江航道水深測量外業(yè)工作實(shí)際問題所設(shè)計的產(chǎn)品，在設(shè)計優(yōu)化、效果應(yīng)用等方面還有一定的挖掘空間，可以增加其它配件，降低比測工具入水難度，增加固定性。同時，有待在不同季節(jié)環(huán)境、不同內(nèi)河航道的測試驗證，以進(jìn)一步確定新型比測工具的適應(yīng)性和應(yīng)用效果，以此來幫助新型比測工具的迭代和完善，促進(jìn)新型比測工具在水深測量中的推廣應(yīng)用。