长河段内河航道水深测量技术手段探析

2021-04-29石江滨

中阿科技论坛(中英文) 2021年4期

石江滨

（黑龙江省航道事务中心,黑龙江哈尔滨 150026）

水深测量与航道地形测量、航道控制同属于航道测量的基本构成部分，而最终的测量结果将直接应用于航道图的制作当中。与其他测量内容相比较，水深测量的内容较为复杂，且影响因素众多，实际测量难度也相对较高，为保证水深测量的准确性，就必须在准确把握测量技术的基础上，明确测量质量控制要点，按照既定的操作流程开展规范测量。

1 水深数据采集

水深数据采集一般与沿岸地形测量工作同步进行。在开展测量之前，测量人员需要结合内河航道的实际情况，合理布置水尺和测深规划线，同时分析声速和动吃水现象，并要调整定位系统和测深仪器的精度[1]。

图1 测深设备构成图

1.1 水尺布置

水深测量中所使用的水尺属于临时水尺，其能够对水位实现同步观测与记录。在长河段内河航道中，一般按照每3km设置8条水尺的标准进行布设。水尺的布设位置并非随机选择，其一般是依据水深测量前的航道勘测数据进行科学分析后选择的位置。同时，布置水尺时需要准确把握各个基准点，确保水尺零点位置与航道图标准相匹配，否则最终的测量数据和结果将受到一定的影响。

1.2 规划线布置

测深规划线指的是测量水深时所使用仪器设备的航行规划线路。以1∶2 000比例的航道图制作标准为例，在测深环节中需要以20m为间隔距离布置测深线，而每条测深线均需要搭配一条规划线。考虑到测量效率问题，设备规划线的布置需要结合测深线周围的水流走向而决定，以保证提高测量结果的准确性和测量效率[2]。

1.3 定位系统精度检验

航道水深测量工作所使用的定位系统为GPS系统，确定坐标后需要依据1980国家坐标系参数进行定位。前期阶段需要使用信标机完成静态数据的采集工作，每组数据的采集时间间隔为1h，并需在1h的时间范围内采集3 600次数据。数据采集工作完成之后需要对定位数据误差进行估算，不同标准比例尺的航道图对于定位误差有着不同的要求，超过1∶5 000比例尺航道图的极限图上误差为1.5 mm，而低于1∶5 000比例尺航道图的误差为1.0 mm[3]。

1.4 动吃水测量

动吃水现象是水深测量中的一种常见现象，其主要是因为搭载测量仪器的船舶需要保持特定速度进行航行，而在船舶自身航行速度和水流速度等因素的影响之下，船体并非稳定于水面，而是时刻处于下沉或者上升的一种状态。在这种情况下，船舶上搭设的测深仪器也会出现下沉或者上升的情况。业内对于动吃水现象所造成的影响有着明确的标准，即上升或者下沉值低于0.05m时可以忽略动吃水现象的影响。一般情况下，实际测量过程中会使用RTK定位法来对测深仪器的动吃水改正数进行测定，若最终的测定数值在0.05m之内，即可无须进行调整，若超过这一数值标准，则需要重新进行测量。

表1 规划线布置标准

表2 定位系统精度标准

1.5 声速测定

现阶段水深测量所使用的测深仪器均是依靠声波反射原理来实现测深目的，而声波这一特殊介质在传输过程中同样会受到多种客观因素的影响和干扰，包括水深、水含盐量、水浑浊程度等。为确保测量结果的准确性，一般会在测深工作开始之前在特定水体内部进行声速测定。声速测定所使用的仪器为剖面仪，确保声速之后即可调整测深仪的相关参数。

图2 回声测深原理图

1.6 测深仪精度调整

检查测深仪精度前，首先需要检测检查板钢绳的深度，依据操作标准，调整测深仪器的标准参数，确保测深仪器能保持良好的运行状态。随后将检查板沿着换能器逐步下沉，对检查板的实时下沉深度和测深仪器所显示的深度进行对比，得到深度误差之后，即可进行精度调整操作。

1.7 水位观测和记录

在水深测量工作中，水深数据需要精确至厘米级，实际测量过程中为了减少测量误差，避免出现返工现象，一般提倡采取双站观测的测量方法，即在确定作业点之后，同时对周围最近的两处水尺位置进行水深测量[4]。

1.8 水深数据采集

从水深数据采集原理中可以看出，其主要通过定位系统和测深设备搭配使用来实现这一测量目标。测量过程中，需要将测深仪器在标准位置按照既定速度进行推进。需要注意的是，推进过程中需要严格控制精度，确保实际测线与计划测线之间维持一致，若二者之间的差距超过5mm，则需要给予一定的补测处理。此外，水深测量过程中若遇到水深较深的区域时，则需要依靠信标机和测深杆进行辅助作业。若使用信标机时遇到了桥梁、树木等遮挡物干扰时，则意味着信标机的精度将大幅度受到影响，这种情况下则需要进一步使用全站仪进行辅助测量。

2 深度基准面复核与确定

深度基准面主要用于计算航道图水深，这也意味着深度基准面的取值将影响到航道图的数值计算结果。在航道水深测量作业当中，常规方法是依据航行基准面来对通航水位最低值进行计算，并在这一基础上确定水位、航道等级以及维护标准。需要注意的是，河床情况并非固态化，而是会持续受到人为因素和环境因素的影响，这也意味着早期阶段确定的通航水位最低值无法满足实时需求，故需要定期对航道的深度基准面进行复核。在开展航道深度基准面复核工作时，需要对相连航道的最新通航水位最低值进行收集，将其与目标航道原有的水位最低值进行对比分析。同时，还需要对目标航道的水位观测记录进行分析。最后，需要综合分析航道高低潮水面的比降情况，计算整个航道水面的比降数据，最终对比原有设计的通航水位最低值[5]。

3 水位改正

水深数据采集完成之后，需要使用特定的测深软件进行取样处理和假水深清除处理，从而实现对水位的更正。对于长河段内河航道而言，由于其需要采集两个水尺的水位记录，故实际更正水位数据时，需要考虑单站水位和联合水位的综合结果，并在每个水尺上下游1km左右的位置对水尺水位观测值进行统计，统计结果可以用于单站水位数据的更正使用。水尺与水尺中间的位置则需要结合上下游两个水尺之间的水位平均值来更正水深数据。这种水位更正方式的效果较好，成本较低，且无须制作水位曲线图，操作便捷性强。但同时，这种方式由于依赖临时水尺进行水位更正，故对水尺间距有着明确的要求，一旦水尺间距过大，则意味着水位更正效果也将受到影响。

4 水深测量质量控制要点

4.1 控制系统和仪器误差

水深测量所使用的仪器、系统均需要经过计量部门检定合格，并在确保精度达标的基础上才能进行使用。为了确保RTK的定位精度，测量区域周围需要包含三个以上的高等级测量点，且测量区域必须包含在三个测量点的覆盖范围之内。此外，基准站和移动站的作业距离也需要严格控制，理论上不得超过5km。最后，为保证水位测量的可靠性，需要每日定时对比水深测量结果，并校验测深仪。

4.2 测深杆的调整

水深测量实践证明，当测深仪的测深杆倾斜角度超过10°时，测量结果将受到明显的影响，故实际测量中需要确保测深杆保持垂直测量的状态。测深杆的角度调整方式为垂球标定法，即在测深杆底部设置一个垂球，当垂球底部量取数值等同于测深杆与垂球之间的距离时，则说明测深杆属于垂直状态。

4.3 重视测深延迟效应

测深延迟效应一般常见于水位较深的地区，即测量结果在测量仪器中的反馈与实际测量进度之间存在滞后性的情况。目前水深测量所使用的仪器设备和系统均设置有实时改正的功能，但在实际测量过程中需要对测深延迟效应进行调整和测试，分析测深延迟效应在不同航速和深度下的具体表现，并在后续测深作业过程中严格控制船速，从而尽量减少测深延迟效应的影响。