水道地形观测误差分析及改进措施

周儒夫 马耀昌 张正明

(1.长江水利委员会水文局 荆江水文水资源勘测局,湖北 荆州 434020;2.长江水利委员会水文局 长江上游水文水资源勘测局， 重庆 400020;3.江苏省测绘产品质监站，江苏 南京 210013)

水道地形观测误差分析及改进措施

周儒夫1马耀昌2张正明3

(1.长江水利委员会水文局 荆江水文水资源勘测局,湖北 荆州 434020;2.长江水利委员会水文局 长江上游水文水资源勘测局， 重庆 400020;3.江苏省测绘产品质监站，江苏 南京 210013)

水库建成后，水库淤积及坝下游冲刷是重点研究的内容。水道地形资料是分析研究水库淤积及坝下游河床冲淤演变的重要依据。通过水道地形观测误差来源及实测数据分析，提出了测深仪选型、等精度观测等改进措施，并在三峡水库淤积及坝下游荆江河段河床冲刷演变观测中得到成功应用。

水道；地形观测；误差分析；冲淤量；测深仪选型；等精度观测

1 研究背景

近年来，长江上游干支流河段梯级水库陆续建成运行，水库淤积及坝下游冲刷是社会各界关注重点[1]。一方面，因建库后水流流速减缓，泥沙在库内沿程落淤，在库底形成一种特殊的水流泥沙结构，同时水深急剧增加、边坡变陡，给大水深测量及水体边界确定带来一定困难。另一方面，随着水库清水下泄，坝下游河段将受到不同程度的长时间、长距离冲刷，使河床下切、岸坡变陡，崩岸险情时有发生，因此水道地形观测精度及时效性显得尤为重要。采用地形法与输沙法计算河道冲淤量，局部河段定量上存在较大差别，甚至在定性上出现相反结论[2～3]。目前，国内许多学者对两种方法计算河道冲淤量进行了深入研究，如申冠卿等认为断面法不存在积累性误差，能真实反映河道纵横向沉积量及随时间变化过程，而沙量平衡法计算冲淤量存在明显的失真[4]。已有文献表明，地形法较输沙法计算河道冲淤量更为可靠，但文献中并没有深入分析其缘由。本文旨在对地形法中的观测误差进行分析研究，提出在地形法中提高河道冲淤量计算精度的测量方法。

2 水道观测误差主要来源分析

2.1 测量仪器产生的系统差

测深仪受传播介质(水温分布、水流条件等)、反射界面(不同河床底质反射声波的能力)、反射位置(测船稳定度、测深仪换能器铅垂度、床面地形坡度、测船移动速度等)及仪器性能(发射功率、频率、发散角、灵敏度等)等诸多因素影响，不同类型测深仪在同一位置测定水深值不同，同一测深仪调节不同灵敏度，获取水深值的差异也很大[5]。在三峡库区宜昌段，采用4种不同类型测深仪与比测板定点测深较差统计情况见表1[6]。

由表1可知，即使在良好测深条件下，不同测深仪的测深值是不相同的，而且水越深，绝对误差越大。本次试验表明，采用不同测深仪对河床进行定点测深，相互间最大误差可达3.7%，远大于规范中测深精度要求。因此，一旦使用了某种型号测深仪，相对其他测深仪而言，测量值会存在系统差。

对于不同品牌或同品牌不同型号GNSS接收机，采用网络或单基站RTK检校，一般平面位置较差±3 cm，高程较差±5 cm，无法通过多测回相互抵

表1 不同类型测深仪与比测板定点测深较差统计

消。对水道测量精度要求较高的，各测次间应尽可能采用同类型GNSS设备。

2.2 引据点产生的系统差

20世纪90年代前，长江沿岸高等级国家基本控制点较少，起算控制点多源于不同年代、不同部门，加密控制成果必然存在系统偏差。近年来，河道基本控制虽得到较大改善，但局部控制点仍不在同一系统。在坝下游地区，部分高等级控制点受人类活动及沉降影响，近几十年来高程变动值超过10 cm。利用长系列历史资料计算河道冲淤量，没有考虑引据点系统差及沉降影响，冲淤量计算结果存在较大误差。

2.3 水位节点设测产生的误差

水位设测是水道观测中的关键环节。实际生产中水位节点多在开工、收工处布设，常忽略弯道、水道窄深宽浅转折处、跌坎、较大分汇流、分汊河段等节点的布置，同时，水下测量区域与布设水位节点间普遍存在外延现象，给水道观测质量带来较大影响。图1、2为芦家河浅滩董3、荆12断面2005年2～3月横、纵比降变化图。

图1 董3、荆12断面横比降变化关系

图2 董3、荆12断面纵比降变化关系

从图1、2可以看出，枯水期随主流归槽贴岸后，董3、荆12断面产生横比降，且变幅较大无规律，两月内平均横比降右岸比左岸分别高0.09 m和0.33 m。董3、荆12枯水位河宽分别为1.2 km和1.9 km，若按一岸接测水位计算断面河槽面积，两者间产生0.06 km2、0.31 km2误差。由此可见，特殊河段横比降对河道冲淤量计算影响较大。

目前，水位测量常用方法有几何水准、光电测距三角高程、GNSS RTK测高及无验潮模式等。采用几何水准测量精度高，但投入人力多，作业效率低；采用全站仪接测水位，只要严格控制测边距离、天顶距和各测回较差限值，观测精度完全即可达五等水准要求[7]；采用网络RTK测水位，作业效率高，但测定水位值可靠性差。

采用网络RTK测定的水位值大部分达不到五等水准精度，其原因是GNSS信号易受水面多路径效应、近岸及近岸植被遮挡影响，RTK难以获得固定解或获得固定解不稳定。因此，平原地区水道观测不宜采用RTK测定水位。

2.4 水温梯度对大水深测量产生的测深误差

坝下游河道水面至水底温差较小，以枝城水文测验断面为例，水温变幅均在 0.15℃内。但在大水深条件下，水温跃层变化显著。在三峡库区任意选取5个固定断面，采用表层温度计算声速与HY1200声速剖面仪于中泓线进行水温观测，有关水深、过水面积统计见表2。

表2 水温改正前后对断面过水面积影响统计

从表2可知，未经温跃层改正计算的断面面积均比改正后的断面面积偏大，其中S59-1过水断面面积差值为353 m2，产生相对误差为0.44%。图3为金沙江溪洛渡库区JB001进行水温改算前、后的断面变化图，其中最大水深的改算值为-2.0 m。所以，在大水深水道地形测量中必须合理划分水温观测区，并采用声线跟踪对水深数据进行处理。

图3 S59-1断面水温改正前、后(引起水深变化部分)断面变化

仪器改正方法最深点/m面积/m2L-RR-L差值L-RR-L差值误差/%DF3200MKⅢHY1600Knudsen320M未改正20.2520.250.005476155237-476-0.43时改20.2320.25-0.025468155258-577-0.52时姿改20.2220.220.005467255266-594-0.54未改正20.1520.25-0.105474855246-498-0.45时改20.1520.25-0.105475755230-473-0.43时姿改20.1420.19-0.055473855240-502-0.46未改正19.7819.680.105474955320-571-0.52时改19.2219.62-0.405481355352-539-0.49时姿改20.0219.670.355474855270-522-0.47

注：计算范围是120 m高程以下面积，水位139 m

2.5 延时、姿态、航向及动吃水产生的测深误差

延时、姿态、航向及动吃水受不同的测量仪器、采集软件、水体边界形态及船型等多种因素交叉影响，产生的测深误差较为复杂。利用Hypack Max软件，采用3种测深仪对三峡库区S34断面进行多次折返测量，分别按不进行延时和姿态改正(未改正)、仅作延时改正(时改)、延时及姿态同时改正(时姿改)3种情况进行整理，相互间较差统计见表3[7]。

从表3可以看出，在浅水条件下，测深数据变化不明显。航向相同时，3种测深仪改正后的横断面图基本重合，面积最大较差为0.16%；同一断面不同航向，测量面积相差超过1.47%。通过比较，平坦处高程变化小，陡坡处测深误差大。因此，测船航向在近岸部分对测深影响大，且不能通过往返测相互抵消。不同船体及速度下，中型测船平均动吃水5 cm左右，小型测船3 cm内，按相关规范无需改正。但对于单测次精度要求较高的水道测量，必须进行动吃水实验及改算。

2.6 河道观测布置对冲淤量计算的影响

河道冲淤量计算主要通过前后测次断面河槽面积差值推算得到。图4为荆江石首弯道河势及断面布置图。该河段原布置7个固定断面，平均断面间距1 647m。为探索合理布设弯道断面，采用切割断面精简计算，结果见表4(断面数据同为1∶5 000地形图上切割)[8]。

图4 石首弯道河势及断面布置

从表4可以看出，地形数据完全相同时，采用不同断面间距，网格地形法与断面法计算槽蓄量误差

表4 石首弯道不同断面冲淤量统计

注：表中冲淤量“+”为淤积，“-”为冲刷

较大，河道冲淤量计算结果在定性上甚至出现相反结论。根据已有研究资料，固定断面布置应考虑河势形态，如在卡口段、放宽束窄段、分汇流处和洲滩汊道等处布置断面，同时避开局部剧烈冲刷坑，断面间距以河宽的2倍为宜[9]。

综上所述，在库区深水条件下，影响测深精度的主要因素是水温梯度及近岸高边坡的测深误差；对坝下游河道，影响冲淤量计算的主要因素为控制基准、断面布设间距及水位节点设测。

3 水道观测改进措施

3.1 选择适宜的测深设备

在仪器系统误差中，水深测量精度关键在于测深仪器设备的选取。测深设备主要指标包括频率、功率和波束角等。低频率，穿透力强，灵敏度低；高频率，穿透力弱，灵敏度高。功率大，测程大，抗干扰性差；功率小，测程小，抗干扰性强。波束角大，测深脚印大，测深误差大；波束角小，测深脚印较小，测深精度高，但回波接收能力弱。因此，库区深水高边坡和坝下游浅水河段应采用不同型号测深仪。经过多次试验，长江荆江河段宜选用波束角小于8°、工作高频200 kHz或低频24 kHz、仪器输出功率大于150 W的HY1601、ODOM3200MKⅢ等型测深仪。

3.2 采用等精度观测

在观测误差中，若前后测次的作业人员、测量设备、数据采集及处理软件、引用控制点、主要水位节点等相对固定(如测量设备采用同一测船及GNSS接收机、固定安装位置、相同航向等)，则船体姿态、动吃水、GNSS平面定位差及边坡测深误差以及延时等在前后测次中产生误差大致相当。因水道观测范围一般较大，即使很小的误差对冲淤量计算影响也很大。表5为研究宜枝河段年内冲淤量变化，假定测船动吃水改算与不改算以及董3～荆12河段横比降观测与未观测，对冲淤量计算的影响情况。

表5 观测误差对河道冲淤量产生的误差影响

注：动吃水按3 cm计算

以2015年度该河段冲刷总量约为1 800万m3为例，动吃水及横比降影响分别占实际冲淤量的12.5%和10.3%。可见，很小的观测误差对河道冲淤量影响十分明显。河道冲淤量计算需两次及以上水道地形观测成果，前后测次采用等精度观测，可较好地消除测量误差影响。

3.3 严控观测精度限差

目前，金沙江及长江下游河段沿程冲淤在时间、数量及空间分布上已发生根本性改变，局部河段河演变化剧烈，社会关注度极高。如重庆主城区河段河道演变观测，年内测次超过10次，水下观测精度由分米级提高到厘米级。所以除采用最新测绘技术外，观测技术要求与测量限差需严于现有规范要求(如规范要求山区水位接测各测回限差按±10 cm控制等)，否则观测误差很可能大于河道实际的冲淤变化，导致观测资料计算河道冲淤量出现相反结论。

3.4 加强外业跟踪及资料合理性检查

水道地形水下测量具有隐蔽性且观测对象处于动态变化中，河道观测成果具有时空性和时效性。因此，水道地形测量必须加强野外跟踪检查，现场督促作业人员严格规范及作业流程，认真执行“三清四随”，及时发现问题及时处理。同时，应充分利用已有历史资料与实测资料进行合理性分析，以内业指导外业，有效地保障水道观测成果质量。

4 结 语

影响水道观测精度的因素多且复杂，鉴于河道冲淤量计算的成果资料实质上需要相对的可靠成果，而并非完全准确的绝对成果，因此，水道观测首先应选用适宜的可靠测深设备，其次各测次间尽可能采用等精度观测。另外，在外业施测过程中应严格规范操作，发现问题现场及时处理，并对收集的资料进行合理性分析。 近两年来，通过采取上述有针对性的措施，水道观测精度和质量得到提高，利用水道观测成果计算河道冲淤量结果比较符合实际变化情况，其分析研究成果已广泛运用于水利水电工程设计、建设及运营管理等方面。

[1] 许全喜，朱玲玲，袁晶.长江中下游水沙与河床冲淤变化特性研究[J].人民长江，2013，44(23).

[2] 段光磊，彭严波，郭满姣.河道实测冲淤量不同计算方法结果比较分析[J].长江科学院院报，2014，31(2).

[3] 元媛，张小峰，段光磊.输沙量法计算长江宜昌至监利河段河道冲淤量的修正研究[J].水力发电学报，2014(4).

[4] 申冠卿，姜乃迁.黄河下游断面法与沙量法冲淤计算成果比较及输沙率资料修正[J]，泥沙研究，2006(1).

[5] 林珲，吴立新.水深测量的误差因子分析[J].海洋测绘，2005，25(2).

[6] 长江水利委员会水文局.河道水下测深技术综合性试验[R]. 武汉：长江水利委员会水文局，2006.

[7] 周儒夫，郭文周，曾勇. 全站仪极坐标测定内陆水体水位方法及精度分析[J].人民长江，2016，47(9).

[8] 李振林，周儒夫.2013年度地形法与输沙法不平衡输沙研究项目分析报告[R]. 武汉：长江水利委员会水文局，2014.

[9] 段光磊.冲积河流冲淤量计算模式研究[M]. 北京：中国水利水电出版社，2016.

(编辑：李 慧)

2016-08-20

周儒夫，男，长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，高级工程师.

1006-0081(2017)02-0018-05

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