基于GNSS三維水道觀測技術的松滋口水位變化分析

摘要：為了研究荊江松滋口水位變化情況，提高水深測量精度，應用GNSS三維水道觀測技術對松滋口水位進行觀測。結果表明：GNSS三維水道觀測技術可反映船舶動態吃水、船速及姿態變化情況，觀測結果滿足水位測量精度。在試驗水位41.75 m（1985國家高程基準）時，松滋口橫斷面水位呈現“微凹”形，且左岸水位略高于右岸，變化范圍為3～5 cm。

關鍵詞：水位變化； 水深測量； GNSS三維水道觀測； 松滋口

中圖法分類號：P332

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S1.002

文章編號：1006-0081（2024）S1-0004-03

0 引 言

傳統水深測量需在測區范圍內設置一定數量的潮位觀測站，采用觀測潮位、水下測點平面定位及時間序列，按一定的潮位解算方法得出水下測點測時水位。由于水深測量過程中受GNSS定位狀態、水位變化、姿態、涌浪等多種因素影響，水下地形測量精度有限［1］。目前，在海域、港口區域以及長江下游感潮河段，傳統水深測量逐步被內外業一體化的GNSS三維水道觀測技術所取代［2-5］。GNSS三維水道觀測技術運用于有水位變化的自然河段分流口區域的研究較少。因此，本文利用GNSS三維水道觀測技術，分析松滋口水位變化，旨在為水下地形測量、沖淤演變分析、護岸防護、崩岸治理提供參考。

1 研究區域概況

松滋口口門左岸為下百里洲頭的偏洲（砂質）邊灘，抗沖刷能力弱，口門處護岸及水下拋石區域工程范圍僅約200 m，其余未護段為崩岸，近年來有崩退跡象。右岸為硬土質岸坡，歷年來較為穩定。松滋口口門分流道與長江干流主流流向交角約60°，受彎道環流的作用，底沙進入口門較少，并且有利于分流。

2 研究方法

利用GNSS 動態測量技術、測深儀及其他附屬設備實測的數據，通過實時或事后聯合解算，計算出測深儀換能器聲學中心的三維位置，從而獲得水下測點的平面位置和高程［1］。

2.1 內、外符合精度驗證

將水下定位GNSS流動站架設到高等級控制點上進行檢測比對，在GNSS獲得固定解狀態下采用Hypack軟件連續記錄測量數據10 min，每個比測點采集60組比測數據，對比測數據進行內、外符合精度評價。① 內符合精度評價方法：分別計算多組測量數據的X方向、Y方向和高程方向的標準差Mx，My，Mz。② 外符合精度評價方法：計算測量數據均值，將均值與控制成果進行比較，計算出差值。內、外符合精度統計結果見表1。統計結果表明：平面坐標最大互差為0.030 m，高程方向最大互差為0.043 m，滿足SL 257-2017《水道觀測規范》平面坐標互差不大于5 cm，高程方向互差不大于30D 要求（D為流動站與基準站距離，km）。

2.2 驗潮方式檢核

選取2.0 km天然順直河段同步布設2個臨時水位站，臨時水位站間隔10 min記錄1次水位漲落情況，采用單波束方式進行測量，共計采集1 265個測點。統計臨時水位站進行潮位改正后的水下測點水面高與利用GNSS三維水道觀測技術動態獲取的水面高的差值，詳見表2。

統計表明：潮位站推算水面高與GNSS三維水道觀測計算水面高的差值Δ在-0.1～0.1 m區間內的測點數為1 262個，占總測點數的99.8%；大于0.1 m的測點數僅為3個，占總測點數的0.2%，滿足SL 257-2017《水道觀測規范》中“互差小于或等于0.10 m的點數占比對總點數的80%，互差小于或等于0.20 m的點數占比對總點數的95%”的規定。計算中誤差僅為±0.03 m。

說明GNSS三維水道觀測技術可作為分析水位變化技術手段。

3 松滋口水位變化分析

受換能器安裝位置、船速和動態吃水因素影響，GNSS三維水道觀測技術所反映的瞬時水面高也可能出現“水位變化假象”。在松滋口間隔選取5個典型斷面（斷面間距120～160 m），通過控制變量法，即施測時保持施測船速穩定、施測方向一致，根據松滋口水位漲落情況將觀測數據歸算至同一時刻進行斷面水位變化情況分析，詳見圖1。

試驗過程中，首先在測船相對靜止時采用RTK測量一組高程，然后測船以高速（大于3 m/s）、中速（2～3 m/s）、低速（小于1.5 m/s）行駛，分別以迎水和背水各測量一組RTK高程數據，對6組數據進行水面高程比較，統計見表3。

測船（巡測18號）動態吃水的變化主要是由于船速變化引起的差值。迎水面的水面高程均大于背水面的水面高程，但兩者差值均在1 cm以內，說明在船舷左右側安裝換能器對水面高程影響較小。在試驗水位41.75 m（1985國家高程基準）時，松滋口橫斷面水位呈現“微凹”形，且左岸水位略高于右岸，變化范圍為3～5 cm。

4 結 論

本文基于GNSS三維水道觀測技術，對松滋口水位變化展開觀測，得到主要結論如下。

（1） GNSS三維水道觀測技術精度可滿足水位測量要求。

（2） 松滋口在試驗水位41.75 m（1985國家高程基準）時，橫斷面水位呈現“微凹”形，且左岸水位略高于右岸，變化范圍為3～5 cm。

GNSS三維水道觀測技術手段可以較好地反映水位變化、船速、涌浪、動吃水等情況，并在后處理中可有效規避此類誤差，一定程度上提升了水下地形測量精度。本次研究中，由于松滋口口門左岸進行了護坡及水下拋石等防護工程，一定

程度上改變了自然河道的水力因素，導致左岸凹進處流場紊亂，深泓貼近左岸，且試驗測次有限，今后將進一步針對三維流場、水文泥沙、岸坡糙率等進行觀測，以探究河道分流口水位變化成因。

參考文獻：

［1］ 楊波，楊松，張振軍，等.GNSS三維水道觀測中動態測高精度控制及分析［J］.水利水電快報，2020，41（12）：10-12，21.

［2］ 吳敬文，周儒夫，陳建民，等.RTK三維水道觀測的實施與精度控制［J］.現代測繪，2016，39（4）：18-20.

［3］ 吳敬文，付五洲，薛劍鋒.沿岸多模式GNSS三維水道觀測方法研究［J］.海洋測繪，2019，39（3）：41-44.

［4］ 汪麗玲，汪閂林，張文強.在長江江蘇段基于RTK的無驗潮測量及精度測試［J］.人民珠江，2018，39（4）：59-61.

［5］ 余海逖，周蘇芬，閆旭峰，等.U形彎道河床橫比降對水流運動特性影響試驗研究［C］∥中國水利學會.中國水利學會2018學術年會論文集第三分冊.北京：中國水利水電出版社，2018.