水深測(cè)量漂浮式比測(cè)器設(shè)計(jì)及應(yīng)用探析

董愛民

（黑龍江省航道事務(wù)中心，黑龍江哈爾濱150026）

0 引言

水深測(cè)量是海洋測(cè)繪的重要內(nèi)容。受環(huán)境、氣候、溫度等自然因素的影響，不同區(qū)域的河流、水庫(kù)、湖泊、海洋的水體存在較大差異，主要表現(xiàn)為底質(zhì)、推移質(zhì)、懸移質(zhì)、含鹽度、水溫等幾個(gè)方面，這對(duì)于采用回聲測(cè)深儀測(cè)量水深會(huì)帶來偏差。因此，在水深測(cè)量作業(yè)中，必須通過比測(cè)的方法對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行儀器誤差訂正，其本質(zhì)就是調(diào)整測(cè)深儀發(fā)射頻率，使測(cè)深儀適應(yīng)所測(cè)水域的測(cè)深精度要求。比測(cè)方法常用的有桿測(cè)、水砣（測(cè)深錘）、聲速剖面儀和比測(cè)器等4種方法[1]。

比測(cè)器為在固定長(zhǎng)度桿的底端加裝一個(gè)攔截板，上端裝有測(cè)深儀探頭，將其垂直插入水中，通過比較測(cè)深儀測(cè)量至攔截板的水深值和桿的固定長(zhǎng)度值，來訂正測(cè)深儀誤差。比測(cè)器一般較為笨重，因此通常都安裝在測(cè)量船上使用。相比桿測(cè)和水砣，比測(cè)器法比測(cè)水深具有精度高、適用水域更廣等優(yōu)點(diǎn)，得到業(yè)界普遍認(rèn)同。

1 比測(cè)器使用情況

1.1 目前情況

比測(cè)器沒有固定的產(chǎn)品，通常由用戶根據(jù)所測(cè)水域的環(huán)境和測(cè)量的精度要求自行制作，垂直入水，其基本結(jié)構(gòu)主要有換能器探頭、帶刻度的固定桿（或管）、回聲攔截板，有的增加了固定拉絲，見圖1。目前以鏈?zhǔn)奖葴y(cè)器和升降式比測(cè)器居多，前者通過船舶舷側(cè)安裝，后者通過船底水井安裝。對(duì)于水深較淺的水域，制作較為簡(jiǎn)單，在桿底加裝一個(gè)固定攔截板，桿頂部加裝一個(gè)換能器探頭即可。而對(duì)于水深較大且精度要求高的水域測(cè)量，則要在不同的刻度處固定攔截板，比測(cè)不同深度的儀器誤差。理論上講，比測(cè)器固定桿越長(zhǎng)，比測(cè)的覆蓋深度越廣，取得的比測(cè)數(shù)據(jù)越完整，但是隨著桿長(zhǎng)增加，比測(cè)器制作和安裝難度加大。目前，內(nèi)河大多數(shù)的比測(cè)器有效桿長(zhǎng)建議為5 m。

1.2 存在問題

雖然目前的比測(cè)器得到了廣泛應(yīng)用，但在水流流速較大的河流中，仍存在很多問題：1）若選擇在水流較緩的岸邊處安裝，而岸邊處水深較淺，比測(cè)器的桿長(zhǎng)受到限制；2）若選擇深水區(qū)安裝，而深水區(qū)往往位于水流流速較大處，存在安全隱患；3）對(duì)于船舶穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)要求較高，其安裝成本較大；4）當(dāng)需要變動(dòng)區(qū)域比測(cè)時(shí)，比測(cè)器隨船移動(dòng)很容易觸底或刮碰水下障礙物而受到損壞；5）平衡性較難控制，雖然有的比測(cè)器通過設(shè)置透水孔和加裝拉絲的方法以改善平衡，但在環(huán)境復(fù)雜的水域效果并不理想；6）安裝和拆卸時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)常會(huì)占用大量寶貴的測(cè)量時(shí)間。

圖1 垂直式水深比測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)

下文結(jié)合水深測(cè)量作業(yè)實(shí)際，提出了漂浮式比測(cè)器的設(shè)計(jì)概念，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行探析。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》，水中聲速按下式計(jì)算[3]：

式中：C──水中聲速，m/s；t──水溫，℃；S──含鹽度。

由公式（1）看出，比測(cè)器的設(shè)計(jì)要充分考慮水溫和含鹽度的影響，同時(shí)，還要兼顧其實(shí)用性。

3 影響因素

3.1 水溫的變化及分布

水溫是影響水下聲速最大和最直接的因素，而溫度在水中的分布是不同的。水具有“異常膨脹”的特性，水溫0～4.2℃時(shí)熱縮冷脹，溫度升高，水的密度增大；水溫在4.2℃以上時(shí)熱脹冷縮，溫度升高，水的密度減小。在不受外部因素影響下，密度大的水沉積在底層，密度小的水上浮至表層，因此在流動(dòng)的水域，水底溫度不會(huì)低于4.2℃。通常情況下，表層溫度較高，底層溫度較低。在流速較大的河流（如山區(qū)河流），受水深變化、水下障礙物、河道變化、岔口水注入等諸多因素的影響，流動(dòng)的水在垂直方向是動(dòng)態(tài)變化的，這就決定了水溫在垂直方向上的分布并不穩(wěn)定，雖然整體上表層溫度較底層溫度高，但不同的水域和水深情況，其溫度表現(xiàn)不同。同時(shí)，流動(dòng)的河水不易于吸收熱量，其表層與底層溫度差異與靜水區(qū)（如水庫(kù)）不同。根據(jù)資料和了解到的情況，我國(guó)北方地區(qū)，當(dāng)氣溫為20℃時(shí)，7 m水深處的表層與底層水溫差約為4℃；我國(guó)南方地區(qū)，當(dāng)氣溫為36℃時(shí)，10 m水深處的表層與底層水溫相差約8℃。同時(shí)，一般岸邊處水深較小，水流速度也較小，此處的水溫受地表溫度的影響較大，在冬季溫度比深水處低，而在夏季則比深水處高。

3.2 水質(zhì)和含鹽度的影響

流動(dòng)的河水水質(zhì)自上而下包括水中漂流物、懸移質(zhì)（如細(xì)砂顆粒）、推移質(zhì)（如河底滾動(dòng)的粗砂顆粒）。其中懸移質(zhì)和推移質(zhì)并不影響聲波的傳播速度，但會(huì)影響聲波的傳播效果，渾濁的水用回聲測(cè)深儀測(cè)深時(shí)，河底、推移質(zhì)和懸移質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)回波，回波線較模糊，給判斷水深帶來影響[4]。水的含鹽度也是影響聲速的重要因素，雖然相對(duì)溫度而言，水的含鹽度對(duì)聲速的影響較小，但在沿海、干旱和半干旱地區(qū)（如我國(guó)西藏）的河流或湖泊中，含鹽度是在水深測(cè)量中必須考慮的因素。

3.3 安全性

很多情況下比測(cè)器需要在深水區(qū)比測(cè)才具有代表性，而深水區(qū)往往流速較大，同時(shí)，每次的水深測(cè)量作業(yè)前、中、后及不同水域都要進(jìn)行比測(cè)檢校，理想情況是需要安裝后可以適應(yīng)整個(gè)作業(yè)區(qū)域并伴隨全部任務(wù)完成，若中途拆卸再安裝勢(shì)必帶來不可預(yù)知的安全隱患。因此，比測(cè)器安裝后隨船拖帶是否安全成為必須考慮的因素。

3.4 方便性

目前的比測(cè)器在安裝與拆卸時(shí)都很耗費(fèi)時(shí)間，在整個(gè)水深測(cè)量作業(yè)中，其拆裝時(shí)間占比較大，嚴(yán)重影響作業(yè)效率。設(shè)計(jì)一種方便、高效的比測(cè)器，是提高水深作業(yè)效率的重要因素。一是結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，在保證功能的前提下盡量減少構(gòu)件數(shù)量；二是集成優(yōu)化，盡量減少拆裝程序；三是便于運(yùn)輸，以保證不同區(qū)域間水深作業(yè)的轉(zhuǎn)運(yùn)需要。

4 設(shè)計(jì)思路

水溫和水質(zhì)（含鹽度）是影響測(cè)深的主要因素，但由于流動(dòng)河流水體的復(fù)雜性，很難確定水溫和水質(zhì)垂直分布和平面分布對(duì)測(cè)深結(jié)果的量化影響，而作為水深比測(cè)實(shí)際上是檢校影響測(cè)深精度的多個(gè)因素綜合影響值。因此，采用比測(cè)器比測(cè)水深時(shí)，垂直放入水中和傾斜放入水中并沒有本質(zhì)區(qū)別，對(duì)比測(cè)結(jié)果亦不會(huì)產(chǎn)生本質(zhì)影響。

基于此，提出漂浮式比測(cè)器的設(shè)計(jì)思路，與傳統(tǒng)比測(cè)器的不同在于：由垂直安裝在船舶上改為漂浮放入水中且可以不受水深和流速的影響，入水角度可以根據(jù)水深情況和要求進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，比測(cè)時(shí)，可臨時(shí)組裝，由船牽引或隨船漂流。

5 漂浮式比測(cè)器設(shè)計(jì)

5.1 比測(cè)器組成

比測(cè)器由浮體、懸索、比測(cè)桿3個(gè)基本部分組成，根據(jù)需要可對(duì)3個(gè)部分進(jìn)行合理優(yōu)化，以適應(yīng)測(cè)區(qū)水域。

1）浮體。浮體是比測(cè)器的水面部分，是比測(cè)器的承重載體，由可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的懸桿和兩個(gè)浮箱組成，用以保持比測(cè)器始終處于漂浮狀態(tài)。兩個(gè)浮箱根據(jù)比測(cè)器整體重量選擇配置，可采用塑料桶式，也可采用泡沫塊式。前端浮箱固定位置，末端浮箱可沿懸桿滑動(dòng)，以保持調(diào)節(jié)懸索長(zhǎng)度時(shí)始終處于垂直方向，減小懸掛拉力。懸桿可選用鋁制分節(jié)套管型，在增加桿強(qiáng)度的同時(shí)盡量減小重量。

2）懸索。懸索設(shè)2條，分別懸掛比測(cè)桿兩端，懸索的長(zhǎng)度可通過調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改變比測(cè)桿在水中的角度，適應(yīng)不同的水深區(qū)域。懸索采用鍍鋅細(xì)鋼絲，鋼絲粗細(xì)以保證承受比測(cè)桿重量為原則。

3）比測(cè)桿。比測(cè)桿是比測(cè)器的水下部分，是整個(gè)漂浮式比測(cè)器的重點(diǎn)。由水面位置測(cè)深儀探頭、帶刻度的固定桿和攔截板3個(gè)組件構(gòu)成，探頭方向與固定桿平行，攔截板平面與固定桿垂直。固定桿要有足夠強(qiáng)度，確保在作業(yè)時(shí)不變形或變形很小，保證探頭信號(hào)被有效攔截并返回。可選擇鋼質(zhì)管型材料，根據(jù)水域情況和需要，設(shè)置為分節(jié)組裝式或一體式，考慮運(yùn)輸方便，建議設(shè)置分節(jié)組裝式，各節(jié)用螺絲套管連接并固定。

5.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

采用組裝式設(shè)計(jì)，根據(jù)水域情況選擇組件數(shù)量，見圖2。

圖2 漂浮式比測(cè)器設(shè)計(jì)示意圖

5.3 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)

漂浮式比測(cè)器同目前應(yīng)用的比測(cè)器相比較，具有：①入水方向自由選擇，有效避免了垂直入水帶來的安全隱患；②根據(jù)水深情況選擇組件安裝，安裝和拆卸方便；③漂浮作業(yè)不受水流和水深影響，各組件能很好地保持平衡性和穩(wěn)定性；④在測(cè)區(qū)內(nèi)可由船拖帶，水域轉(zhuǎn)移靈活等優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

漂浮式比測(cè)器是基于流動(dòng)河流水深比測(cè)提出的一種概念產(chǎn)品[5]，在理論基礎(chǔ)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化、效果應(yīng)用等方面還有很大的挖掘空間，更有待進(jìn)一步驗(yàn)證。可將組裝式改進(jìn)為折疊式，提高作業(yè)效率；在懸索控制、比測(cè)桿長(zhǎng)度控制等方面實(shí)現(xiàn)機(jī)械聯(lián)動(dòng)方式，以減少手動(dòng)操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過在不同的地域、水域和不同季節(jié)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行有效性測(cè)試，不僅有助于改進(jìn)產(chǎn)品本身適應(yīng)水域條件，而且將對(duì)采用比測(cè)器法比測(cè)水深產(chǎn)生重大影響。