黃驊港航道水深測量精度分析

摘 要 ：黃驊港航道總里程超過50公里，疏浚維護成本很高，水深測量作為航道維護費用的計算依據(jù)，其精度對費用的控制起到關(guān)鍵性的作用。本文對水深測量中的測量誤差進行分析，大大提高了航道測量的精度，為航道疏浚費用的科學計算提供了可靠保障。

關(guān)鍵詞 黃驊港 水深測量 精度 誤差

中圖分類號： P731.23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-198X(2011)10(a)-0000-00

1現(xiàn)狀

黃驊港地處渤海中西部海域，海灘主要由泥砂組成。整個海灘沿航道方向?qū)掗煻骄?，由岸向海坡度?/10000左右，航道相當長，從港口碼頭到航道末端直線總里程約50公里。黃驊港是我國在淤泥型粉沙質(zhì)海岸上興建的最大人工煤港，外航道的回淤及驟淤問題是影響該港建設與正常運轉(zhuǎn)最大障礙。每年的航道維護成本高達數(shù)億元人民幣。港口通航的安全水深和航道港池疏浚維護水深的依據(jù)主要來源于第三方的水深測量。因此，分析水深測量的誤差來源，通過科學嚴謹?shù)姆椒p少測量誤差對水深的影響，是保障港口安全通航水深和航道疏浚費用計算依據(jù)的必然要求。

一般來說，測量航道水深需用到回聲測深儀。測深儀采用平面圓周時基法測量時間，帶有穩(wěn)速裝置的轉(zhuǎn)速電機誤差一般小于1/100s，因此超聲波在水中傳播的時間記錄誤差（T）對于深度影響可以忽略不計，而影響測深誤差的關(guān)鍵在于超聲波在水中船舶的速度（V），而超聲波在水中傳播的速度是由海水的溫度、含沙量、含鹽度等因素變化決定的。

由聲學公式：

V=1410+4.21t-0.37t2+1.14S

其中：V：超聲波在水中船舶的速度；t：水的溫度；S：水的含鹽度（以‰計算）。

分析上式，測得當?shù)睾}度2‰，對深度值的影響可以忽略不計，實際工作中是在測量工作前進行水深校測，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速以適應超聲波的實際傳播速度外，尚需考慮溫度變化對深度值的影響，若按±5℃計算，波速將變化±10m/s，若以最大測深50m計算，則將有±0.3-0.4m的誤差。

又設V為記錄筆轉(zhuǎn)速，L為測深記錄尺長度，根據(jù)公式：

如果設計聲速和轉(zhuǎn)速分別用C0、V0表示，則實際聲速和轉(zhuǎn)速分別為C0+、V0+。實際水深為：

，-1=H0（1+）

H0為標尺讀數(shù)水深。由此可見深度誤差與水深成正比，屬于系統(tǒng)誤差。

2所存在的測量誤差

2.1長距離航道所帶來的基面誤差

基面采用理論最低潮位，是經(jīng)長期觀測計算后所得的物理重力值，和數(shù)學基面存在一定的誤差。理論上控制距離在15公里左右，而黃驊港航道長約50公里，存在的誤差隨航道方向不斷增大，且隨每次測量漲落潮影響較大。航道入口與港內(nèi)的平均高潮潮高差為0.66米，平均高潮潮時差為7分鐘，最大高潮潮高差為0.78米，平均低潮超差為0.26米，平均低潮潮時差為30分鐘，最大低潮潮高差為0.40米。港內(nèi)平均超差為2.00米，航道入口平均超差為1.60米，依深度基準面“潮差大深度基準面低，潮差小深度基準面高”的性質(zhì)分析，該港的理論最低潮面應存在“從航道入口向港內(nèi)逐漸降低的坡降”。

2.2潮位推算方法

時差法原理：將兩站水位視為信號，首先運用數(shù)字信號處理技術(shù)中互相關(guān)函數(shù)的變化特性，求得兩個驗潮站的潮時差，從而解決待求點相對于驗潮站的時差；然后通過時間歸化及潮位起算基準統(tǒng)一，進而計算得到待求點的潮位值。

具體表示如下：考慮誤差能量

上式中 xn 為 A 站水位值， yn #61485;為 B 站對 A 站延遲 （即為潮時差）后的水位值。

上述模型是一個非線性回歸模型，解算分為兩個步驟：首先假定 為零，解算 a，在這里 a 相當于潮差比；其次解算潮時差 。潮時差 包含于相關(guān)系數(shù) Rxy 之中

將 yn 延遲時間，再考察兩站的相關(guān)系數(shù)，當兩站相關(guān)系數(shù) Rxy 最大，即兩站相關(guān)性最大時，得到兩站的潮時差#61472; 。

由于不能保證三個自動驗潮站采集的潮汐數(shù)據(jù)在任何時刻都能100%通過無線方式發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心，換言之，潮汐數(shù)據(jù)可能在某些特殊情況下（例如無線電干擾、海況惡劣等）不能正常采集和發(fā)送，潮汐數(shù)據(jù)存在缺測的可能。從工程應用的穩(wěn)定方面考慮，對于航道任意點查詢時刻的水位值，不能直接通過對三個自動驗潮站水位實測值利 用時差法實時計算得到，為此本系統(tǒng)設計了潮汐預 報和余水位相結(jié)合的時差法數(shù)學模型。

自動驗潮站水位實測值包括天文潮位和余水位兩部分[4]。余水位即氣象擾動水位，也稱為增減水，即通常所說的潮汐預報誤差，該部分主要由下列因素造成：由天氣因素（主要是風）產(chǎn)生的短時間水位變化；由氣候因素造成的海面季節(jié)變化。天文潮位具有可預報性，即驗潮站任意時刻天文潮位采用公式（3）預報得到；余水位變化規(guī)律性不強，其準確值采用公式（4）計算得到（即實測水位減 去天文潮位）。

天氣因素造成的增、減水在不太大（一、二百公里范圍內(nèi)）的測區(qū)其差別很??；氣候因素造成的海面變化具有很大的空間尺度，在不大的測區(qū)內(nèi)也可取相同的數(shù)值?；谝陨蟽牲c分析，黃驊港航道三個驗潮站某時刻的余水位是相等的，即航道任意位置某時刻余水位也是相等的，當然更準確的講可以采用距離加權(quán)的方式計算航道任意點余水位。

自動驗潮站天文潮位采用下式計算[5]：

自動驗潮站余水位采用下式計算：

對于航道任意點天文潮位，首先利用（3）式預報得到自動驗潮站的天文潮位，然后利用時差法計算得到該點的天文潮位。

航道任意點余水位采用下式得到：

以上（3）～（6）式中 Z 0 表示某自動驗潮站從驗潮零點起算的平均海面；Hii 和 g ii 分別為分潮的振幅和遲角； f i和 ui 分別為分潮的交點因數(shù)和交點改正角； i是分潮的角速率；vi 是分潮的天文初位相；t 是計算時刻； (t ) 表示某自動驗潮站的水位觀測值；h(t) 表示某自動驗潮站的天文潮位； (t )、 i (t) 表示某自動驗潮站的余水位；x (t) 表示航道任意點 t 時刻的余水位； rix 表示 航道任意點到某自動驗潮站的距離。

根據(jù)時差法原理并結(jié)合黃驊港航道實際情況，本系統(tǒng)采用兩站改正方式來計算航道任意點實時水位，采用下式計算：

（7）式中#61472;x (t ) 表示該點在查詢時刻 t 的實時水位； RAB 表示該點到附近 A、B 站的距離；RBx 、RAx分別表示該點到附近 A、B 站的距離； x 表示該點相對于A、B 站的潮時差； AB 表示A、B 站的潮時差。

本系統(tǒng)采用的潮汐預報結(jié)合余水位的時差法數(shù)學模型，理論合理并且充分考慮了工程應用的角度， 具有可操作性。

2.3氣差影響

氣差主要是聲波在海水中傳播所帶來的影響，主要有：海水的溫度、鹽度等。常規(guī)改正方法是采用回波測深儀自帶的聲速儀進行氣差測定，然后進行改正。水深測量原理如下圖01所示：

深度R=ct/2

c：理論聲速。常溫海水中1500m/s。

t：發(fā)射信號到接收到回波的時長。

用傳統(tǒng)聲速測定儀改正水深氣差影響的方法是測定水深剖面聲速誤差，然后進行改正，如：

RX=（c-）t/2

X=1，2，3......

將聲速受海水各種因素影響的誤差都歸結(jié)到聲速改正當中，提高了水深測量的精度。

2.4航行影響

根據(jù)檢測測量聲納信號須對測線實現(xiàn)全覆蓋的要求，計算最大測量船速：

式中Vc——測量的船速

N——換能器每秒發(fā)射的頻率次數(shù)，一般設定5。

Ls——測量的步長

W——規(guī)范要求的測量投影的最小寬度

圖3：測量面積參數(shù)示意圖

黃驊港航道測量基本參數(shù)為：W一般取值為0.3米，Dp按最小測深取0.628米，Ls計算結(jié)果為0.551米，Vc計算結(jié)果為5.3節(jié)。

通過以上對航道水深測量誤差的分析，黃驊港目前采取的測量手段和方法，精度能夠滿足國家標準和行業(yè)標準，可作為航道疏浚維護計算依據(jù)，并且對通航安全水深有所保證。

參考文獻

[1] 錢蘇芬.水下地形測量測深精度分析，江蘇測繪，1999（2）.

[2] 郭永豐等.黃驊港航道網(wǎng)絡驗潮系統(tǒng)的研究技術(shù)方案，天津海事局海測大隊，2004-6.