長(zhǎng)河段內(nèi)河航道水深測(cè)量技術(shù)手段探析

石江濱

（黑龍江省航道事務(wù)中心,黑龍江 哈爾濱 150026）

水深測(cè)量與航道地形測(cè)量、航道控制同屬于航道測(cè)量的基本構(gòu)成部分，而最終的測(cè)量結(jié)果將直接應(yīng)用于航道圖的制作當(dāng)中。與其他測(cè)量?jī)?nèi)容相比較，水深測(cè)量的內(nèi)容較為復(fù)雜，且影響因素眾多，實(shí)際測(cè)量難度也相對(duì)較高，為保證水深測(cè)量的準(zhǔn)確性，就必須在準(zhǔn)確把握測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，明確測(cè)量質(zhì)量控制要點(diǎn)，按照既定的操作流程開展規(guī)范測(cè)量。

1 水深數(shù)據(jù)采集

水深數(shù)據(jù)采集一般與沿岸地形測(cè)量工作同步進(jìn)行。在開展測(cè)量之前，測(cè)量人員需要結(jié)合內(nèi)河航道的實(shí)際情況，合理布置水尺和測(cè)深規(guī)劃線，同時(shí)分析聲速和動(dòng)吃水現(xiàn)象，并要調(diào)整定位系統(tǒng)和測(cè)深儀器的精度[1]。

圖1 測(cè)深設(shè)備構(gòu)成圖

1.1 水尺布置

水深測(cè)量中所使用的水尺屬于臨時(shí)水尺，其能夠?qū)λ粚?shí)現(xiàn)同步觀測(cè)與記錄。在長(zhǎng)河段內(nèi)河航道中，一般按照每3km設(shè)置8條水尺的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布設(shè)。水尺的布設(shè)位置并非隨機(jī)選擇，其一般是依據(jù)水深測(cè)量前的航道勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析后選擇的位置。同時(shí)，布置水尺時(shí)需要準(zhǔn)確把握各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，確保水尺零點(diǎn)位置與航道圖標(biāo)準(zhǔn)相匹配，否則最終的測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果將受到一定的影響。

1.2 規(guī)劃線布置

測(cè)深規(guī)劃線指的是測(cè)量水深時(shí)所使用儀器設(shè)備的航行規(guī)劃線路。以1∶2 000比例的航道圖制作標(biāo)準(zhǔn)為例，在測(cè)深環(huán)節(jié)中需要以20m為間隔距離布置測(cè)深線，而每條測(cè)深線均需要搭配一條規(guī)劃線。考慮到測(cè)量效率問(wèn)題，設(shè)備規(guī)劃線的布置需要結(jié)合測(cè)深線周圍的水流走向而決定，以保證提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和測(cè)量效率[2]。

1.3 定位系統(tǒng)精度檢驗(yàn)

航道水深測(cè)量工作所使用的定位系統(tǒng)為GPS系統(tǒng)，確定坐標(biāo)后需要依據(jù)1980國(guó)家坐標(biāo)系參數(shù)進(jìn)行定位。前期階段需要使用信標(biāo)機(jī)完成靜態(tài)數(shù)據(jù)的采集工作，每組數(shù)據(jù)的采集時(shí)間間隔為1h，并需在1h的時(shí)間范圍內(nèi)采集3 600次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集工作完成之后需要對(duì)定位數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行估算，不同標(biāo)準(zhǔn)比例尺的航道圖對(duì)于定位誤差有著不同的要求，超過(guò)1∶5 000比例尺航道圖的極限圖上誤差為1.5 mm，而低于1∶5 000比例尺航道圖的誤差為1.0 mm[3]。

1.4 動(dòng)吃水測(cè)量

動(dòng)吃水現(xiàn)象是水深測(cè)量中的一種常見(jiàn)現(xiàn)象，其主要是因?yàn)榇钶d測(cè)量?jī)x器的船舶需要保持特定速度進(jìn)行航行，而在船舶自身航行速度和水流速度等因素的影響之下，船體并非穩(wěn)定于水面，而是時(shí)刻處于下沉或者上升的一種狀態(tài)。在這種情況下，船舶上搭設(shè)的測(cè)深儀器也會(huì)出現(xiàn)下沉或者上升的情況。業(yè)內(nèi)對(duì)于動(dòng)吃水現(xiàn)象所造成的影響有著明確的標(biāo)準(zhǔn)，即上升或者下沉值低于0.05m時(shí)可以忽略動(dòng)吃水現(xiàn)象的影響。一般情況下，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中會(huì)使用RTK定位法來(lái)對(duì)測(cè)深儀器的動(dòng)吃水改正數(shù)進(jìn)行測(cè)定，若最終的測(cè)定數(shù)值在0.05m之內(nèi)，即可無(wú)須進(jìn)行調(diào)整，若超過(guò)這一數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，則需要重新進(jìn)行測(cè)量。

表1 規(guī)劃線布置標(biāo)準(zhǔn)

表2 定位系統(tǒng)精度標(biāo)準(zhǔn)

1.5 聲速測(cè)定

現(xiàn)階段水深測(cè)量所使用的測(cè)深儀器均是依靠聲波反射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)深目的，而聲波這一特殊介質(zhì)在傳輸過(guò)程中同樣會(huì)受到多種客觀因素的影響和干擾，包括水深、水含鹽量、水渾濁程度等。為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般會(huì)在測(cè)深工作開始之前在特定水體內(nèi)部進(jìn)行聲速測(cè)定。聲速測(cè)定所使用的儀器為剖面儀，確保聲速之后即可調(diào)整測(cè)深儀的相關(guān)參數(shù)。

圖2 回聲測(cè)深原理圖

1.6 測(cè)深儀精度調(diào)整

檢查測(cè)深儀精度前，首先需要檢測(cè)檢查板鋼繩的深度，依據(jù)操作標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整測(cè)深儀器的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，確保測(cè)深儀器能保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。隨后將檢查板沿著換能器逐步下沉，對(duì)檢查板的實(shí)時(shí)下沉深度和測(cè)深儀器所顯示的深度進(jìn)行對(duì)比，得到深度誤差之后，即可進(jìn)行精度調(diào)整操作。

1.7 水位觀測(cè)和記錄

在水深測(cè)量工作中，水深數(shù)據(jù)需要精確至厘米級(jí)，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中為了減少測(cè)量誤差，避免出現(xiàn)返工現(xiàn)象，一般提倡采取雙站觀測(cè)的測(cè)量方法，即在確定作業(yè)點(diǎn)之后，同時(shí)對(duì)周圍最近的兩處水尺位置進(jìn)行水深測(cè)量[4]。

1.8 水深數(shù)據(jù)采集

從水深數(shù)據(jù)采集原理中可以看出，其主要通過(guò)定位系統(tǒng)和測(cè)深設(shè)備搭配使用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一測(cè)量目標(biāo)。測(cè)量過(guò)程中，需要將測(cè)深儀器在標(biāo)準(zhǔn)位置按照既定速度進(jìn)行推進(jìn)。需要注意的是，推進(jìn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制精度，確保實(shí)際測(cè)線與計(jì)劃測(cè)線之間維持一致，若二者之間的差距超過(guò)5mm，則需要給予一定的補(bǔ)測(cè)處理。此外，水深測(cè)量過(guò)程中若遇到水深較深的區(qū)域時(shí)，則需要依靠信標(biāo)機(jī)和測(cè)深桿進(jìn)行輔助作業(yè)。若使用信標(biāo)機(jī)時(shí)遇到了橋梁、樹木等遮擋物干擾時(shí)，則意味著信標(biāo)機(jī)的精度將大幅度受到影響，這種情況下則需要進(jìn)一步使用全站儀進(jìn)行輔助測(cè)量。

2 深度基準(zhǔn)面復(fù)核與確定

深度基準(zhǔn)面主要用于計(jì)算航道圖水深，這也意味著深度基準(zhǔn)面的取值將影響到航道圖的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。在航道水深測(cè)量作業(yè)當(dāng)中，常規(guī)方法是依據(jù)航行基準(zhǔn)面來(lái)對(duì)通航水位最低值進(jìn)行計(jì)算，并在這一基礎(chǔ)上確定水位、航道等級(jí)以及維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，河床情況并非固態(tài)化，而是會(huì)持續(xù)受到人為因素和環(huán)境因素的影響，這也意味著早期階段確定的通航水位最低值無(wú)法滿足實(shí)時(shí)需求，故需要定期對(duì)航道的深度基準(zhǔn)面進(jìn)行復(fù)核。在開展航道深度基準(zhǔn)面復(fù)核工作時(shí)，需要對(duì)相連航道的最新通航水位最低值進(jìn)行收集，將其與目標(biāo)航道原有的水位最低值進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)，還需要對(duì)目標(biāo)航道的水位觀測(cè)記錄進(jìn)行分析。最后，需要綜合分析航道高低潮水面的比降情況，計(jì)算整個(gè)航道水面的比降數(shù)據(jù)，最終對(duì)比原有設(shè)計(jì)的通航水位最低值[5]。

3 水位改正

水深數(shù)據(jù)采集完成之后，需要使用特定的測(cè)深軟件進(jìn)行取樣處理和假水深清除處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的更正。對(duì)于長(zhǎng)河段內(nèi)河航道而言，由于其需要采集兩個(gè)水尺的水位記錄，故實(shí)際更正水位數(shù)據(jù)時(shí)，需要考慮單站水位和聯(lián)合水位的綜合結(jié)果，并在每個(gè)水尺上下游1km左右的位置對(duì)水尺水位觀測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以用于單站水位數(shù)據(jù)的更正使用。水尺與水尺中間的位置則需要結(jié)合上下游兩個(gè)水尺之間的水位平均值來(lái)更正水深數(shù)據(jù)。這種水位更正方式的效果較好，成本較低，且無(wú)須制作水位曲線圖，操作便捷性強(qiáng)。但同時(shí)，這種方式由于依賴臨時(shí)水尺進(jìn)行水位更正，故對(duì)水尺間距有著明確的要求，一旦水尺間距過(guò)大，則意味著水位更正效果也將受到影響。

4 水深測(cè)量質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1 控制系統(tǒng)和儀器誤差

水深測(cè)量所使用的儀器、系統(tǒng)均需要經(jīng)過(guò)計(jì)量部門檢定合格，并在確保精度達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行使用。為了確保RTK的定位精度，測(cè)量區(qū)域周圍需要包含三個(gè)以上的高等級(jí)測(cè)量點(diǎn)，且測(cè)量區(qū)域必須包含在三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的覆蓋范圍之內(nèi)。此外，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的作業(yè)距離也需要嚴(yán)格控制，理論上不得超過(guò)5km。最后，為保證水位測(cè)量的可靠性，需要每日定時(shí)對(duì)比水深測(cè)量結(jié)果，并校驗(yàn)測(cè)深儀。

4.2 測(cè)深桿的調(diào)整

水深測(cè)量實(shí)踐證明，當(dāng)測(cè)深儀的測(cè)深桿傾斜角度超過(guò)10°時(shí)，測(cè)量結(jié)果將受到明顯的影響，故實(shí)際測(cè)量中需要確保測(cè)深桿保持垂直測(cè)量的狀態(tài)。測(cè)深桿的角度調(diào)整方式為垂球標(biāo)定法，即在測(cè)深桿底部設(shè)置一個(gè)垂球，當(dāng)垂球底部量取數(shù)值等同于測(cè)深桿與垂球之間的距離時(shí)，則說(shuō)明測(cè)深桿屬于垂直狀態(tài)。

4.3 重視測(cè)深延遲效應(yīng)

測(cè)深延遲效應(yīng)一般常見(jiàn)于水位較深的地區(qū)，即測(cè)量結(jié)果在測(cè)量?jī)x器中的反饋與實(shí)際測(cè)量進(jìn)度之間存在滯后性的情況。目前水深測(cè)量所使用的儀器設(shè)備和系統(tǒng)均設(shè)置有實(shí)時(shí)改正的功能，但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)測(cè)深延遲效應(yīng)進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試，分析測(cè)深延遲效應(yīng)在不同航速和深度下的具體表現(xiàn)，并在后續(xù)測(cè)深作業(yè)過(guò)程中嚴(yán)格控制船速，從而盡量減少測(cè)深延遲效應(yīng)的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合來(lái)看，長(zhǎng)河段內(nèi)河航道水深測(cè)量工作具有明確的技術(shù)要求，測(cè)量單位需要依據(jù)航道特征，準(zhǔn)確把握技術(shù)要點(diǎn)和質(zhì)量控制要點(diǎn)，切實(shí)提高測(cè)量精準(zhǔn)度和效率。