1、提高三峡船闸运行控制水深的测量精度方法研究【摘要】自 2003 年三峡双线五级船闸正式投入运行以来，长江航运管理模式及运力结构均发生日新月异的变化，船舶吨位向着大型化和大吃水深度方向发展以满足提高货运能力的需要。三峡船闸的设计通航水深对船舶控制吃水深度的制约影响越来越凸显，充分掌握三峡船闸及引航道水域的设计水深情况，加强对船舶吃水标准的有效控制成为三峡通航的重要课题。 主题词：船闸；通航；运行控制水深；测量精度 中图分类号：TV 文献标识码： A 作者简介：高良云 （1971 年 10 月） ，男，重庆市忠县，长江三峡通航管理局通航安全处通航管理主管，研究方向：通航安全。 概述：在三峡船闸及引
2、航道设计水深不变的情况下，出于通航安全方面的考虑，对船舶吃水深度的控制要求已经精确到厘米级，对水下地形测量精度要求甚至达到 1:500 的要求。为进一步提升水下地形测量数据的准确性和精确度，消除水深测量误差影响造成实际水深控制的不足，我们对影响水下地形测量精度最大的两项指标（即水位、水深）进行技术处理以达到高、精、准的测量要求。 一、传统的水位和水深的处理分析 在水下地形测量方法中，对江、河、湖、海等水下地形的测量大多把测量水域相对应的水面理想化为镜面状态，仅做沿水流方向上呈直线变化的简化考虑，采取对该测量面始末断面的水面高程进行取样观测，对两断面之间的水面高程值采取直线内插办法进行模拟，用该
3、方法基本实现了“水位到线” 的效果。 事实上，在绝大多数情况下，设置水下地形测量点所对应的水位沿流水方向呈非直线动态变化的，以内河测量为例河面的水位是沿河道方向非线性波动变化的，由此建立的虚拟模型也非常难以准确地描述这种非线性波动的变化，测量工程设计方案中若不考虑水流方向上的非线性波动造成的测量误差并对水位测量值进行修正，所引起的测量误差之大也是不言而喻的。 另外，从水声学方面考虑，人们习惯上认为声音在水中匀速传播，受外界影响较小或可忽略不计。实际上，水下声速受温度影响比较明显，并且相对于大比例尺测图来说水深测量值的误差也是比较大的。 基于以上因素考虑，我们认为目前传统的水深测量方法难以满足
4、5m以内船闸通航水深测量精度的要求，误差主要来源于测量模型的搭建中存在缺陷，需要研究和采取新的测量方案来对设计测量点的水位和水深测量值进行修正，才能获得更准确的水下高程值。 二、水位误差和水深误差的模型研究 （一）水位误差模型： 首先，对单波束测深来说，设计一个测量面内所有测量点的测量时间是不可能做到一致的。因为在同一个测量断面上首、末端点的取值时间有先后，其次各断面上所有测量点的采集时间也有先有后。在流水环境下，测量时间先后所造成的水下地形各个设计测量点相应的测深基准（水位值）发生变化。为便于研究分析，我们通常把一个测量面内的所有测量点做网格化处理，横向定义断面，纵向定义断点（测量点） ，各
5、个断面的第一个断点和最后一个断点分别定义为首、末基准点，把每一个断面的首首、末末分别相连形成双边。在时间取值的处理上，同一个断面上各个测量点控制在较短时间间隔内完成，当然，如果时间总和能短到可以忽略水位时变（通常在风力比较小、水情比较稳定的气象条件，用适当的船速快速测量一个断面） ，这种前提条件下就可以近似地看作水位“零变化”了。在做测量任务设计时，我们考虑同一个断面的测量时间不同步的问题时，可以分别在首、末边上设置水尺或水位仪，用同步计时取值的办法采取内插技术处理消除时间不同步的影响。在处理断面间的时间不同步影响时，也可以采取增设观测点的办法通过内插技术处理其间断面测量时间不同步的影响。通过
6、以上步骤的测量设计，基本能够实现“水位到点”的测量效果，位于该测量面上的任意位置的水位及水深值都能通过完整的数据模型进行关联和计算。 1.设计断面内的任意测量点水位计算方法如下： N 为设计断面内的测量点总数；n 为任意设计测量点序号；H0 、HN-1 分别为断面首、末端点高程值（可直接用标尺测量，需考虑计时同步） ；Ln-1、LN-1 分别为第 n 个测量点和末边端点到首边端点的投影距离；hn为测量点高程值； 第 n 个设计测量点水位模型如下： hn= H0+(HN-1-H0)Ln-1/LN-1 计算公式为： hn= H0+(HN-1-H0)n/N 2.设计断面首（末）基准点的测量主要根据水
7、情变化考虑是否跳过几条断面观测取值，如果发生跳空测水位的情况，对跳过的断面水位基准值要进行计算，方法如下： H0 、HM-1 为首（末）单边相邻测量断面起始基准点高程值（可测量）；Lm-1、LM-1 分别为相邻断面间第 m 个和最后一个断面基准点到起始断面基准点的投影距离；Hm 为首（末）单边任意断面基准点水位值； 第 m 个断面首末基准点的水位模型如下： Hm= H0+(HM-1-H0)Lm-1/LM-1 计算公式为： Hm= H0+(HM-1-H0)m/M 多波束测深仪也称为条带测深仪具有单个或多个断面的测量能力，很大程度上克服了局部水面复杂水位变化带来的影响，解决了断面测量的时间同步问题
8、即时间差对水位的影响为零，若是为了追求测量的准确性仍然要考虑断面方向和行进方向的水位走势和变化，其计算方法类似于单波束测量的水位模型。 （二）水深误差模型： 声速剖面仪是高精度测量声速的设备。采用环鸣法直接测量声信号在固定的已知距离内的往返多次传播时间进而得到声速，同时还通过温度及压力传感器测量温度和垂直深度。能快速、有效、方便地为测深仪、声纳等校正测量误差提供实时的声速剖面数据，是海道测量、海洋调查及国防应用与研究等领域必不可少的设备。 使用回声测深仪测深时，因为声波在水中的传播速度不同于测深仪的设计声速，为保证测量成果准确可靠，根据测量规范的有关规定, 要对测量所得的水深值进行声速修正，即
9、测定测深仪声速修正数。使用声速仪直接测量各层水体的声速，与测深仪的设计声速比较后可以求得修正数。在使用声速仪测定测深仪声速修正数的过程中，求取水深处理可以直接应用的声速修正数文件。 水深测量通常采用回声测深系统进行测量。回声测深系统的原理非常简单，主要是以声速和声速往返时间来计算水深，即： HVT/2 其中： V 为声速、T 为声速往返时间。 这里，声速往返时间是由系统感知计算得到的，声速由测量人员测定，所以为了得到相对精确的测量结果，声速的测定就成为水深测量过程中非常重要的一个步骤。 声速文件是设定水层的平均声速。由于换能器到反射面的距离很小,从测深仪探头深度 h0 到深度 hj 的采样数为
10、 n，在一定速度下下放和提升，使得每个水层的间隔hi 很小，所以测得的声速完全可以代表这个水层的声速。每个采样的时间为tihi/Vi，则从深度 h0 到深度 hj 声速传播时间为t（t+t+t+tn） ，所以这一段水深的平均声速为： j hj/t 依次计算便可以得到每个深度段的平均声速。测深仪不进行声速修正时，采用设计声速 V0（如 1500m/s） ，测量水深 S0 时由式（1）可知： S0（V0T）/2 由（2）式可知：tT/2, hj / j S0/ V0,所以经过声速修正的深度为： hjS0（ j/ V0） 则深度 hj 处的水深修正数为： HjhjS0S0（j/ V0）1 三、水位修
11、正和水深修正的软件实现方法 （一） “水位到点”的水位修正： 1.准备工作：设置“数据分离”窗口，建立水位文件 A、B，保证A、B 文件序列号和数据结构一一对应。 2.双边控制：设置“水位输入”窗口，单边、双边水位分别录入选项，系统自定义各断面首值相连为 A 边、末值相连为 B 边；进入双边水位录入工作时，需选择 A、B 文件来区分录入值的位置；通过人工输入断面编号，获得该断面的录入和修改权，A、B 边分别至少输入两个以上观测值。 3.双边内插：A 边、B 边分别进行内插处理，实现双边水位值到分配到每个断面的首、末端点上。实现步骤是：单边输入两个以上水位值内插处理相邻水位值之间的端点值对首、末
12、端无数值的断面进行赋值补位。 4.断面内插：在“高程计算”窗口， “双边水位”计算中按照断面编号与高程值断面编号一致映射的办法，实施对应端点的水位内插计算。计算公式：水位内插值=（断面末值-断面首值）点位号/（断面点数-1） 5.结果利用：运用水位值与水深值进行点对点计算，生成水下高程值。 计算公式：水下高程值=水位值-水深值 水位修正程序设计流程图如下： （二） “声速修正”下的水深修正： 水下声速按照水的深度呈区间变化，当然，不同季节的水温对水下声速的形成不同的声速对应关系。根据常温下，水深区间与水下声速的对应关系表可以看出，水深测量误差取决于声速修正值的大小。 在实际运用中，如在三峡河段航道维护测量数据处理系统的水深校对流程后加入声速修正执行程序后，可以得到一组测深仪的水深修正数。声速修正程序设计流程如下： 综上分析，通过科学合理地提高水深测量精确度保障船舶吃水深度足够的富余量控制，充分考虑最小通航水深时两坝船闸对船舶各级吃水控制标准的限制影响，在满足船舶航行及船闸运行足够安全的情况下，必须依靠高质量的水深测量技术方法适时地为船舶吃水控制决策提供高精度航道水深数据保证，可以把船闸及引航道的通航安全风险降到完全可控范围。
