厄瓜多爾水文站大斷面測量方法概述

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局,湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

厄瓜多爾瓜亞斯與馬納維等流域洪澇災害頻繁，防洪保護對象眾多、分布范圍廣，洪水組成復雜，從洪水調查結果來看，馬納維流域幾乎年年發生洪澇災害。138個水文站大斷面分布在瓜亞斯、埃斯梅拉達斯、納波、圣地亞哥、胡沃內斯5個流域，需要對其進行測量和海撥高程統一。厄瓜多爾水文站現有大斷面圖、水位觀測的基面均采用不同的假定基面，沒有統一的高程系統，從資料上看水流不能自然地從2 000多米的山區流到零米左右的太平洋，規劃部門無法進行流域規劃。

厄瓜多爾政府需在138個水文站附近分別提供兩個控制點，測量單位根據這兩個控制點和各水文站所在位置特點(如水深情況、水面寬情況、流速情況等)，采用多種大斷面測量方法測得大斷面成果，并分析每條河流的大斷面及水位情況，判斷是否存在倒比降。大斷面測量方法有：①測量員涉水采用GNSS RTK或全站儀配棱鏡的方法直接測出大斷面成果，水深在1 m左右且流速小于1 m/s時采用此方法。②測量員在測船上、橋上、纜道籃上用GNSS RTK或全站儀配棱鏡測出平面坐標及水位，并采用測深鉈測出水深，再通過內業整理出大斷面成果，水深3 m左右且有船、橋和纜道籃情況下采用此方法。③測量員在測船上用 DGNSS測定平面坐標配測深儀測水深，通過內業整理出大斷面成果，水深在大于4 m、斷面寬大于50 m、流速大于1 m/s且有船的情況下采用此方法。④借用海軍海圖資料整理出大斷面圖。

馬納維流域大斷面測量布置見圖1。

圖1 馬納斯流域大斷面測量布置

2 水文站大斷面測量方法與成果

2.1 采用GNSS RTK或全站儀測大斷面

該項目大斷面測量中，采用測中桿測水深，配合GNSS RTK或全站儀配棱鏡定出平面坐標和水位。因這138個水文站及規劃要求的大斷面大多是山區性河流，普遍水深較淺，因此多采用此方法。一般水深1 m左右測量單位采用此方法(重點介紹全站儀測量方法，見圖2)。

圖2 全站儀測量大斷面示意

圣地亞哥流域大斷面成果見圖3。

圖3 圣地亞哥流域大斷面成果

圖2中高差計算公式如下：

式中，S為經溫度氣壓改正后的測量斜距，m；α為三角高程測量垂直角；h為高差，m；K為大氣折光系數，無量綱，一般取為0.13；iA為儀器高，m；vB為鏡站高，m。

圖3中測量成果具有普遍性，水下平面定位坐標采用全站儀測得，同步水深采用測中桿測得，岸上部分用全站儀或GNSS RTK測得，通過內業整理出大斷面成果。

2.2 采用平面坐標和高程分開施測

該項目大斷面測量中，測量員在測船上、橋上、纜道籃上采用GNSS RTK或全站儀配棱鏡測出平面坐標及水位，采用測深鉈測水深。由于這138個水文站及規劃要求的大斷面大多是山區性河流，普遍水深較淺，因此多采用此方法。一般水深3 m左右測量單位采用此方法(重點介紹GNSS RTK測量方法)。

GNSS依據距離交會定位原理確定點位，利用3個及以上的控制點可交會確定出天空中的衛星位置；反之，利用3個及以上衛星的已知空間位置也可交會出地面未知點的位置。最后通過測定從衛星到地面GNSS接收機的時間來算出地面點的位置坐標。

待測點至某顆衛星的距離可表示為

(2)

式中，ρ為待測點某顆衛星的距離，m；c為光速，m/s；Δt為光從某顆衛星到待測點的時間，s，用GNSS接收機測得；Xi,Yi,Zi為某顆衛星的坐標，m；X,Y,Z為待測點坐標，m。

GNSS RTK為實時動態定位技術，一臺GNSS接收機架在已知點上接收衛星信號，并發出本站位置數據，稱之為參考臺；另一臺GNSS接收機在運動中與參考臺同步觀測接收衛星信號并同時收到參考臺發出的數據，從而實時解算出侍測點坐標，稱之為流動臺。

通常情況下，水下平面坐標采用GNSS RTK測得，同步水深采用測深鉈測得，岸上測點部分三維坐標采用全站儀配棱鏡或GNSS RTK測得，通過內業整理出大斷面成果，見圖4。

圖4 納波流域大斷面成果

2.3 測船上GNSS RTK配單波束測深儀測深

該項目大斷面測量中，水深測量結合了單波束測深儀和GPS RTK測量技術。水下地形測量導航采用的是美國Hypack公司的Hypack軟件[1]，此軟件是目前世界上應用最廣泛的專業測量軟件，它能夠接收、處理、存儲和輸出各種數據，并支持目前絕大部分GNSS、測深儀。采用Hypack處理所測大斷面平面坐標、水深數據，并編輯生成大斷面圖，測量系統見圖5(重點介紹水下地形測量方法)。

圖5 水下大斷面測量系統示意

安裝在測量船下的發射換能器，垂直向水下發射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C在水中傳播到水底，經反射或散射返回，被接收機換能器所接收。經歷時間為t，換能器的吃水深度為D，由于測船較小，船體姿態改正不影響換能器的吃水深度，不用動態吃水改正，則水面至水底的距離H可表示為

(3)

公式(3)中，考慮厄瓜多爾的淡水、海水與我國不同，C值由測量單位現場采用聲學剖面儀施測，實際測得超聲波在水中的聲速值，水下地形測量的平面定位采用GPS RTK測量技術[2～3]。數據通訊使用直通式數傳電臺，參考臺架設在已知點上，天線越高，數傳電臺作用距離越大。按規定要求，每個斷面在測量前，流動臺所測點三維坐標要在已知點上進行靜態比測， 滿足要求后方可進行大斷面測量。比測成果表明，三維坐標最大誤差均小于5 cm，參考臺架設及參數設置可靠。 通過內業整理出大斷面成果，如圖6所示，圖中水位及岸上部分采用全站儀測得。

2.4 借用海軍海圖資料整理斷面圖

GU044兩個斷面遠離海岸，地處瓜亞斯流域出海口，屬于海盜經常出沒區域，在準備的多種實施方案均告失敗后，測量單位翻譯獲得了當地海軍海洋學研究所近期施測的區域地形數據。GU042大斷面數據采用了該地形數據，將GU042大斷面左右兩岸端點落到此地形圖數據上，剖得此斷面水下數據成果，然后將此水下數據成果與測量單位已實測的大斷面GU042的數據成果進行比較，結果完全一致。采用此方案得到了GU044的斷面成果，精度可靠，滿足規范要求，見圖7。

圖7 瓜亞斯流域出海口大斷面成果

從圖中可以看出，斷面最大水深11 m，河寬3 000 m。

3 測量成果與精度分析

檢驗水文站及規劃要求的大斷面成果，最好的方法是分析每條河流每個大斷面數據成果的合理性，判斷每條河流上游大斷面和下游大斷面的水流是否能匯入大海，不允許出現倒比降。138個水文站及規劃要求的大斷面中，雖然每個斷面位置的兩個控制點都由政府部門提供，但精度確實存在一定的問題，測量單位對每個斷面的兩個控制點及上下游斷面進行了檢測。在網狀河流情況下對橫向斷面進行檢測后發現以下問題：左右岸誤差相差 0.2 m，下游河底比上游河底高1 m，平原地區網狀河流中左右兩條河流高程相差2 m。測量單位發現問題后立即要求提供控制點的部門進行重測，直至最終達到要求。

各類測量儀器設備的檢定檢校均合格，并均在使用期內。導航定位所用GNSS接收機，動態測量提供的點位精度為 0.5～1.0 m(標準差)，水深測量所用測深儀測深精度為±0.5%，項目中各類測量精度均符合設計及相關規范規定要求。

在測繪與水文測驗產品實現過程中，使用方法正確，記錄清楚，工序齊全，誤差均在規范規定的限差范圍內。圖表注記正確，圖面清晰美觀。成果資料整理符合設計及規范要求。

4 結 語

根據厄瓜多爾的地理位置、氣候和水文條件、測量基礎條件等因素，充分使用現代化的GNSS RTK和無紙化測深儀測量裝備、測繪技術和手段，解決了138個水文站沒有統一高程系統問題，將水文站大斷面成果統一到了一個基面上，水流能從2 000多米的山區自然流入零米左右的太平洋。

另外，測量單位還通過翻譯獲得了當地海軍海洋學研究所近期在瓜亞斯流域出海口GU044區域測得的地形數據，得到了其斷面成果，規避了在海盜經常出沒區域施測的安全問題。