水深测量漂浮式比测器设计及应用探析

董爱民

（黑龙江省航道事务中心，黑龙江哈尔滨150026）

0 引言

水深测量是海洋测绘的重要内容。受环境、气候、温度等自然因素的影响，不同区域的河流、水库、湖泊、海洋的水体存在较大差异，主要表现为底质、推移质、悬移质、含盐度、水温等几个方面，这对于采用回声测深仪测量水深会带来偏差。因此，在水深测量作业中，必须通过比测的方法对测深仪进行仪器误差订正，其本质就是调整测深仪发射频率，使测深仪适应所测水域的测深精度要求。比测方法常用的有杆测、水砣（测深锤）、声速剖面仪和比测器等4种方法[1]。

比测器为在固定长度杆的底端加装一个拦截板，上端装有测深仪探头，将其垂直插入水中，通过比较测深仪测量至拦截板的水深值和杆的固定长度值，来订正测深仪误差。比测器一般较为笨重，因此通常都安装在测量船上使用。相比杆测和水砣，比测器法比测水深具有精度高、适用水域更广等优点，得到业界普遍认同。

1 比测器使用情况

1.1 目前情况

比测器没有固定的产品，通常由用户根据所测水域的环境和测量的精度要求自行制作，垂直入水，其基本结构主要有换能器探头、带刻度的固定杆（或管）、回声拦截板，有的增加了固定拉丝，见图1。目前以链式比测器和升降式比测器居多，前者通过船舶舷侧安装，后者通过船底水井安装。对于水深较浅的水域，制作较为简单，在杆底加装一个固定拦截板，杆顶部加装一个换能器探头即可。而对于水深较大且精度要求高的水域测量，则要在不同的刻度处固定拦截板，比测不同深度的仪器误差。理论上讲，比测器固定杆越长，比测的覆盖深度越广，取得的比测数据越完整，但是随着杆长增加，比测器制作和安装难度加大。目前，内河大多数的比测器有效杆长建议为5 m。

1.2 存在问题

虽然目前的比测器得到了广泛应用，但在水流流速较大的河流中，仍存在很多问题：1）若选择在水流较缓的岸边处安装，而岸边处水深较浅，比测器的杆长受到限制；2）若选择深水区安装，而深水区往往位于水流流速较大处，存在安全隐患；3）对于船舶稳定性和结构要求较高，其安装成本较大；4）当需要变动区域比测时，比测器随船移动很容易触底或刮碰水下障碍物而受到损坏；5）平衡性较难控制，虽然有的比测器通过设置透水孔和加装拉丝的方法以改善平衡，但在环境复杂的水域效果并不理想；6）安装和拆卸时间较长，经常会占用大量宝贵的测量时间。

图1 垂直式水深比测器的基本结构

下文结合水深测量作业实际，提出了漂浮式比测器的设计概念，并对其应用进行探析。

2 设计依据

根据现行行业标准《水运工程测量规范》，水中声速按下式计算[3]：

式中：C──水中声速，m/s；t──水温，℃；S──含盐度。

由公式（1）看出，比测器的设计要充分考虑水温和含盐度的影响，同时，还要兼顾其实用性。

3 影响因素

3.1 水温的变化及分布

水温是影响水下声速最大和最直接的因素，而温度在水中的分布是不同的。水具有“异常膨胀”的特性，水温0～4.2℃时热缩冷胀，温度升高，水的密度增大；水温在4.2℃以上时热胀冷缩，温度升高，水的密度减小。在不受外部因素影响下，密度大的水沉积在底层，密度小的水上浮至表层，因此在流动的水域，水底温度不会低于4.2℃。通常情况下，表层温度较高，底层温度较低。在流速较大的河流（如山区河流），受水深变化、水下障碍物、河道变化、岔口水注入等诸多因素的影响，流动的水在垂直方向是动态变化的，这就决定了水温在垂直方向上的分布并不稳定，虽然整体上表层温度较底层温度高，但不同的水域和水深情况，其温度表现不同。同时，流动的河水不易于吸收热量，其表层与底层温度差异与静水区（如水库）不同。根据资料和了解到的情况，我国北方地区，当气温为20℃时，7 m水深处的表层与底层水温差约为4℃；我国南方地区，当气温为36℃时，10 m水深处的表层与底层水温相差约8℃。同时，一般岸边处水深较小，水流速度也较小，此处的水温受地表温度的影响较大，在冬季温度比深水处低，而在夏季则比深水处高。

3.2 水质和含盐度的影响

流动的河水水质自上而下包括水中漂流物、悬移质（如细砂颗粒）、推移质（如河底滚动的粗砂颗粒）。其中悬移质和推移质并不影响声波的传播速度，但会影响声波的传播效果，浑浊的水用回声测深仪测深时，河底、推移质和悬移质都会产生较强回波，回波线较模糊，给判断水深带来影响[4]。水的含盐度也是影响声速的重要因素，虽然相对温度而言，水的含盐度对声速的影响较小，但在沿海、干旱和半干旱地区（如我国西藏）的河流或湖泊中，含盐度是在水深测量中必须考虑的因素。

3.3 安全性

很多情况下比测器需要在深水区比测才具有代表性，而深水区往往流速较大，同时，每次的水深测量作业前、中、后及不同水域都要进行比测检校，理想情况是需要安装后可以适应整个作业区域并伴随全部任务完成，若中途拆卸再安装势必带来不可预知的安全隐患。因此，比测器安装后随船拖带是否安全成为必须考虑的因素。

3.4 方便性

目前的比测器在安装与拆卸时都很耗费时间，在整个水深测量作业中，其拆装时间占比较大，严重影响作业效率。设计一种方便、高效的比测器，是提高水深作业效率的重要因素。一是结构要简单，在保证功能的前提下尽量减少构件数量；二是集成优化，尽量减少拆装程序；三是便于运输，以保证不同区域间水深作业的转运需要。

4 设计思路

水温和水质（含盐度）是影响测深的主要因素，但由于流动河流水体的复杂性，很难确定水温和水质垂直分布和平面分布对测深结果的量化影响，而作为水深比测实际上是检校影响测深精度的多个因素综合影响值。因此，采用比测器比测水深时，垂直放入水中和倾斜放入水中并没有本质区别，对比测结果亦不会产生本质影响。

基于此，提出漂浮式比测器的设计思路，与传统比测器的不同在于：由垂直安装在船舶上改为漂浮放入水中且可以不受水深和流速的影响，入水角度可以根据水深情况和要求进行自由调节，比测时，可临时组装，由船牵引或随船漂流。

5 漂浮式比测器设计

5.1 比测器组成

比测器由浮体、悬索、比测杆3个基本部分组成，根据需要可对3个部分进行合理优化，以适应测区水域。

1）浮体。浮体是比测器的水面部分，是比测器的承重载体，由可调节长度的悬杆和两个浮箱组成，用以保持比测器始终处于漂浮状态。两个浮箱根据比测器整体重量选择配置，可采用塑料桶式，也可采用泡沫块式。前端浮箱固定位置，末端浮箱可沿悬杆滑动，以保持调节悬索长度时始终处于垂直方向，减小悬挂拉力。悬杆可选用铝制分节套管型，在增加杆强度的同时尽量减小重量。

2）悬索。悬索设2条，分别悬挂比测杆两端，悬索的长度可通过调节装置进行调节，以改变比测杆在水中的角度，适应不同的水深区域。悬索采用镀锌细钢丝，钢丝粗细以保证承受比测杆重量为原则。

3）比测杆。比测杆是比测器的水下部分，是整个漂浮式比测器的重点。由水面位置测深仪探头、带刻度的固定杆和拦截板3个组件构成，探头方向与固定杆平行，拦截板平面与固定杆垂直。固定杆要有足够强度，确保在作业时不变形或变形很小，保证探头信号被有效拦截并返回。可选择钢质管型材料，根据水域情况和需要，设置为分节组装式或一体式，考虑运输方便，建议设置分节组装式，各节用螺丝套管连接并固定。

5.2 产品设计

采用组装式设计，根据水域情况选择组件数量，见图2。

图2 漂浮式比测器设计示意图

5.3 产品优点

漂浮式比测器同目前应用的比测器相比较，具有：①入水方向自由选择，有效避免了垂直入水带来的安全隐患；②根据水深情况选择组件安装，安装和拆卸方便；③漂浮作业不受水流和水深影响，各组件能很好地保持平衡性和稳定性；④在测区内可由船拖带，水域转移灵活等优点。

6 结语

漂浮式比测器是基于流动河流水深比测提出的一种概念产品[5]，在理论基础、产品设计优化、效果应用等方面还有很大的挖掘空间，更有待进一步验证。可将组装式改进为折叠式，提高作业效率；在悬索控制、比测杆长度控制等方面实现机械联动方式，以减少手动操作的安全风险。通过在不同的地域、水域和不同季节环境下对其进行有效性测试，不仅有助于改进产品本身适应水域条件，而且将对采用比测器法比测水深产生重大影响。