聂金华　　全小龙　　张辰亮(长江水利委员会 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌　443000)



三峡库区水深测量影响因素及改正方法研究

聂金华全小龙张辰亮(长江水利委员会 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌443000)

摘要：三峡水库蓄水后，库区水深大幅增加，使水深测量精度影响因素变得更为复杂。对深水库区水深测量影响因素展开了研究，通过对影响因素的比测试验、数据分析及总结，找出相应的改正方法以提高水深测量精度。这些对开展水库泥沙研究、水库运行调度具有重要意义。对研究目的和内容、试验过程以及数据分析等情况作了介绍。

关键词：库区蓄水；水深测量；影响因素；三峡水利枢纽

1研究目的与内容

自2009年三峡水库成功蓄水至175 m以后，库区水深大幅增加，部分河段水深超过了200 m。水深的急剧增加，导致水库测深精度下降现象突出，且已成为该库区水深测量亟待解决的技术问题。

影响水深测量精度的因素很多，主要有测量仪器及仪器载体、水流条件、河床边界和气象条件等。长江委水文局于1997、2006年开展了水深测量选型试验研究，使深水测量测深仪选型问题已得到解决。但是，水深测量过程中，受测区水流、风浪等外界因素影响，测船会出现左右、前后摇摆及升沉变化(即测船姿态变化)，这种变化对测量精度产生的影响会随水深的增大而增大；而且每年特定时期，水库水体还存在水温分层，它对测深精度有着同样不可忽视的影响。

为此，需深入研究库区水深测量影响因素及改正方法。这对于提高水深测量精度，特别是对水库泥沙研究、水库运行调度具有重大的现实意义和科研价值。主要研究内容包括：①影响三峡库区水深测量精度的因子；②单波束测深系统测船姿态改正技术；③适用三峡水库水深测量的最佳声速公式；④存在水温跃层时水深测量数据处理方法。

2外业试验

三峡库区坝前至庙河河段属西陵峡庙南宽谷段。该河段断面形态呈“V、U”型且岸坡坡角在15°~75°之间；水库蓄水运行后，平均水深约140 m，水流平缓；河床中泓底质多为细粉沙、粘土。图1示出了代表河床变化平缓和剧烈的8个典型断面。

图1　深水试验断面布置示意

在水库存在典型水温跃层(5月底~6月)与不存在水温跃层时期，根据分单波束测深系统集成与不集成姿态传感器的实情，使用不同船型并按1∶2 000精度测量试验断面，收集试验数据。

(1) 在每一断面上，中泓观测水温梯度，并采用低、中、高船速各往返观测1次；同期，使用浅地层剖面仪测量断面一次。

(2) 在S33、S34断面，做快速调向、变速航行、急速停车及倒车等特殊航向试验。

3数据分析

基于海洋测绘领域水深测量影响因素及改正方法研究成果、前期水深测量研究成果、库区泥沙淤积分析成果、库区本底监测成果和试验原型观测成果开展数据分析。

3.1影响水深测量精度的因子

(1) 当测船的横摇角Roll和纵摇角Pitch大于波束角宽度时，不仅产生深度误差，同时还会产生测深点的位置误差；船的横摇和纵摇对波束较宽的测深仪影响较小。

(2) 测船的起伏Heave对深度测量产生直接的影响；而且船的横摇和纵摇也会使测船产生诱导起伏(或称感生起伏)。

(3) 低速测量过程中，测船动态吃水较小；过快的船速会导致动态吃水明显增大。

(4) 测船移动会产生测点测深误差和位置偏移误差；在测量条件一定(波束角和水底倾斜角)的情况下，船速较高会产生较大的误差；为提高测量精度和测深效果，应限制测量船速。

(5) 其他测量条件相同时，不同船型会对应不同的测量船姿，测深系统中的姿态传感器可大大降低或消除船姿对测深及平面定位的影响；但当船姿相差较大时，可导致实时采集的姿态数据不能完全消除测船姿态的影响，则此时不同船型会存在一定的测量误差。

(6) 水深测量环境复杂多变。国内外对水深测量影响因素研究和实践表明：水体水温、水体密度、床面组成及倾角等是影响水深测量的主要环境因子。

3.2单波束测深系统测船姿态改正技术

3.2.1深度改正

(1) 船体横摇对深度的影响。设船体在t时刻发生横摇角α，实测深度为R，测深仪的波束角为θ，则因横摇产生深度方向的附加误差为：

当|α|<θ时，α引起测深信号的偏移仍在波束角的范围之内，深度毋需改正；

当|α|>θ时，则引起附加测深误差Δd，即

(1)

(2) 船体纵摇对深度的影响与船体横摇对深度的影响相似。设β为船体纵摇角度，则船体纵摇引起的深度方向的改正为：

当|β|<θ时，β引起测深信号的偏移仍在波束角的范围之内，深度毋需改正；

当|β|>θ时，则引起附加测深误差Δd，即

(2)

(3) 升沉变化Heave对水深测量产生直接影响，对于平面位置不产生影响，改正量为:

z=R*cosφ+Heave

(3)

式中，φ为入射波束与垂直方向夹角。

3.2.2平面改正

由于船姿的作用，实际测量点沿船体坐标系的某个轴发生一定程度的旋转(横摇角α、纵摇角β、航偏角γ)，从而改变了船体坐标系VFS和当地坐标系LLS的相互关系，也改变了波束脚印坐标在VFS下的计算参数，其综合影响为

(4)

A=Dtanφdh+Ddβ

(5)

B=Dtanφdh2/2+Ddα

(6)

式中，D为深度，D=Rcosφ；dh、dα、dβ分别为航向、横摇角和纵摇角测量误差。

3.2.3动态吃水改正

动态吃水可通过船体处于动态和静态时的GPS天线在垂直方向的差值来确定，它同深度在同一垂直面上，因而对测深有着直接影响。经试验，在常规测量速度(4节左右)行进过程中，动静吃水平均变幅不大于1 cm，可忽略；测船高速航行时动态吃水明显增大，超过10 cm。

3.2.4船速影响

(1) 船只移动造成的测深点位置偏移误差计算。该误差是测量水深和船速的函数，它随水深和船速的增大而增大，且总是在测量船测量航向上产生正的测深点位置偏移误差。水深100 m 和船速10节，产生0.69 m的误差；水深200 m和船速10节，产生了1.37 m的误差，因此对于水深小于200 m和船速小于10节时，测量船移动产生的测深点位置偏移误差小于1.37 m。

(2) 测深误差。船只移动产生的测深误差与测量水深、船速、波束角和水底倾斜角等因素有关。当α=-1°,θ=1.5°时，对于水深200 m和10节船速，其最大测深误差为-0.01 m，相对测深精度为0.005%水深，且当α和θ一定时，测深误差随测量水深和船速的增大而增大。在200 m水深和10节船速的条件下，当α=-10°,θ=2.5°时，最大误差为-0.03 m，相对测深精度为0.015%水深；当α=-60°,θ=5.0°时，最大测深误差为-0.06 m，相对测深精度达到0.03%水深。由此得出结论，当测量水深和船速一定的情况下，测深误差随α的增大而增大，但增加量受θ的限制。因此相对水底倾角的变化，测深误差随θ和船速的增大变化更为明显。为满足不同等级测量的要求，应根据不同测量等级的精度要求采用窄波束或甚窄波束和限制船速的方法降低其影响。

3.3适用三峡水库水深测量的最佳声速公式

水中的声速主要受水温、盐度和压力(深度)影响。温度增加1℃，声速增加约4.5 m/s；盐度每变化1‰，声速变化约1.3 m/s；深度增加1 m，约增加0.1个大气压，声速增加约0.016 m/s；其中以水温变化对声速影响最大。

以库区采用声速剖面仪实测温度、声速为基准，应用《水道观测规范》(SL257-2000)声速公式、《海道测量规范》(GB12327-1998)声速计算公式、Wilson精确公式、Medwin公式(Wilson 简化公式1)、Wilson 简化公式2，以及Leroy、Dell Grosso、Mackenzie 公式和Chen-Millero-Li[1998]声速方程共9种经验声速公式进行试算。在不考虑盐度影响、水温变幅达19.63℃(10.94~30.57℃)的条件下，不同公式计算的声速与实测声速结果比较如下。

(1) 同层水温变幅较大时，接近程度依次为Chen-Mille-Li、Machenzie、海道、Medwin公式；

(2) 沿深度样本系列偏差算术平均值小的依次为Chen-Mille-Li、Machenzie、海道、Medwin公式；

(3) 样本系列偏差离散度较小的依次为Machenzie、Medwin、Leroy、海道、Chen-Mille-Li公式；

(4) 样本系列标准差较小的依次为Machenzie、Medwin、Leroy、Chen-Mille-Li、海道；且Chen-Mille-Li公式计算的声速结果没有系统偏差。

经综合考虑，认为Medwin公式的适用性最佳。

3.4有水温跃层时水深测量数据处理方法

实际测量中，高精度的声线跟踪算法相当重要。声线跟踪是建立在声速剖面基础上的一种波束脚印(投射点)相对船体坐标系坐标的计算方法。声线跟踪通常采用层追加方法，即将声速剖面内相邻2个声速采样点划分为一个层，可将层内声速变化假设为常值(零梯度)或常梯度。

在水温跃层存在的库区，采用表层声速测深将会带来较大的误差，测深误差随水深的增加而增大。声线跟踪模型考虑了声波波束入射角的影响，即测船姿态对水深测量及改正的影响。理论上，经声线跟踪模型改正后的水深与实际水深更接近。

试验时，以标记有刻度的钢丝绳为目标物，以回声仪测目标深度。在上下温差达19.63℃、水深为140.70 m的情况下，测深仪测深为144.9 m，误差达4.2 m；采用声速剖面数据，按常值(零梯度)和常梯度声线跟踪2种改正方法，其最大水深差、较差的标准差分别为(0.25 m、0.10 m)、(0.25 m、0.10 m)，改正效果显著。

4结语

所开展的三峡库区水深测量影响因素及改正方法研究，将有利于提高库区水深测量精度，革新测量方法；其研究成果将直接用于对三峡水文泥沙的观测，同时，对深水环境测绘技术的发展具有较高的实用价值。

文献标志码：中图法分类号：TV697.72A

文章编号：1006-0081(2015)11-0032-03

作者简介：聂金华，男，长江水利委员会长江三峡水文水资源勘测局，工程师.

收稿日期：2015-09-06