厄瓜多尔水文站大断面测量方法概述

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(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局,湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

厄瓜多尔瓜亚斯与马纳维等流域洪涝灾害频繁，防洪保护对象众多、分布范围广，洪水组成复杂，从洪水调查结果来看，马纳维流域几乎年年发生洪涝灾害。138个水文站大断面分布在瓜亚斯、埃斯梅拉达斯、纳波、圣地亚哥、胡沃内斯5个流域，需要对其进行测量和海拨高程统一。厄瓜多尔水文站现有大断面图、水位观测的基面均采用不同的假定基面，没有统一的高程系统，从资料上看水流不能自然地从2 000多米的山区流到零米左右的太平洋，规划部门无法进行流域规划。

厄瓜多尔政府需在138个水文站附近分别提供两个控制点，测量单位根据这两个控制点和各水文站所在位置特点(如水深情况、水面宽情况、流速情况等)，采用多种大断面测量方法测得大断面成果，并分析每条河流的大断面及水位情况，判断是否存在倒比降。大断面测量方法有：①测量员涉水采用GNSS RTK或全站仪配棱镜的方法直接测出大断面成果，水深在1 m左右且流速小于1 m/s时采用此方法。②测量员在测船上、桥上、缆道篮上用GNSS RTK或全站仪配棱镜测出平面坐标及水位，并采用测深铊测出水深，再通过内业整理出大断面成果，水深3 m左右且有船、桥和缆道篮情况下采用此方法。③测量员在测船上用 DGNSS测定平面坐标配测深仪测水深，通过内业整理出大断面成果，水深在大于4 m、断面宽大于50 m、流速大于1 m/s且有船的情况下采用此方法。④借用海军海图资料整理出大断面图。

马纳维流域大断面测量布置见图1。

图1 马纳斯流域大断面测量布置

2 水文站大断面测量方法与成果

2.1 采用GNSS RTK或全站仪测大断面

该项目大断面测量中，采用测中杆测水深，配合GNSS RTK或全站仪配棱镜定出平面坐标和水位。因这138个水文站及规划要求的大断面大多是山区性河流，普遍水深较浅，因此多采用此方法。一般水深1 m左右测量单位采用此方法(重点介绍全站仪测量方法，见图2)。

图2 全站仪测量大断面示意

圣地亚哥流域大断面成果见图3。

图3 圣地亚哥流域大断面成果

图2中高差计算公式如下：

式中，S为经温度气压改正后的测量斜距，m；α为三角高程测量垂直角；h为高差，m；K为大气折光系数，无量纲，一般取为0.13；iA为仪器高，m；vB为镜站高，m。

图3中测量成果具有普遍性，水下平面定位坐标采用全站仪测得，同步水深采用测中杆测得，岸上部分用全站仪或GNSS RTK测得，通过内业整理出大断面成果。

2.2 采用平面坐标和高程分开施测

该项目大断面测量中，测量员在测船上、桥上、缆道篮上采用GNSS RTK或全站仪配棱镜测出平面坐标及水位，采用测深铊测水深。由于这138个水文站及规划要求的大断面大多是山区性河流，普遍水深较浅，因此多采用此方法。一般水深3 m左右测量单位采用此方法(重点介绍GNSS RTK测量方法)。

GNSS依据距离交会定位原理确定点位，利用3个及以上的控制点可交会确定出天空中的卫星位置；反之，利用3个及以上卫星的已知空间位置也可交会出地面未知点的位置。最后通过测定从卫星到地面GNSS接收机的时间来算出地面点的位置坐标。

待测点至某颗卫星的距离可表示为

(2)

式中，ρ为待测点某颗卫星的距离，m；c为光速，m/s；Δt为光从某颗卫星到待测点的时间，s，用GNSS接收机测得；Xi,Yi,Zi为某颗卫星的坐标，m；X,Y,Z为待测点坐标，m。

GNSS RTK为实时动态定位技术，一台GNSS接收机架在已知点上接收卫星信号，并发出本站位置数据，称之为参考台；另一台GNSS接收机在运动中与参考台同步观测接收卫星信号并同时收到参考台发出的数据，从而实时解算出侍测点坐标，称之为流动台。

通常情况下，水下平面坐标采用GNSS RTK测得，同步水深采用测深铊测得，岸上测点部分三维坐标采用全站仪配棱镜或GNSS RTK测得，通过内业整理出大断面成果，见图4。

图4 纳波流域大断面成果

2.3 测船上GNSS RTK配单波束测深仪测深

该项目大断面测量中，水深测量结合了单波束测深仪和GPS RTK测量技术。水下地形测量导航采用的是美国Hypack公司的Hypack软件[1]，此软件是目前世界上应用最广泛的专业测量软件，它能够接收、处理、存储和输出各种数据，并支持目前绝大部分GNSS、测深仪。采用Hypack处理所测大断面平面坐标、水深数据，并编辑生成大断面图，测量系统见图5(重点介绍水下地形测量方法)。

图5 水下大断面测量系统示意

安装在测量船下的发射换能器，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底，经反射或散射返回，被接收机换能器所接收。经历时间为t，换能器的吃水深度为D，由于测船较小，船体姿态改正不影响换能器的吃水深度，不用动态吃水改正，则水面至水底的距离H可表示为

(3)

公式(3)中，考虑厄瓜多尔的淡水、海水与我国不同，C值由测量单位现场采用声学剖面仪施测，实际测得超声波在水中的声速值，水下地形测量的平面定位采用GPS RTK测量技术[2～3]。数据通讯使用直通式数传电台，参考台架设在已知点上，天线越高，数传电台作用距离越大。按规定要求，每个断面在测量前，流动台所测点三维坐标要在已知点上进行静态比测， 满足要求后方可进行大断面测量。比测成果表明，三维坐标最大误差均小于5 cm，参考台架设及参数设置可靠。 通过内业整理出大断面成果，如图6所示，图中水位及岸上部分采用全站仪测得。

2.4 借用海军海图资料整理断面图

GU044两个断面远离海岸，地处瓜亚斯流域出海口，属于海盗经常出没区域，在准备的多种实施方案均告失败后，测量单位翻译获得了当地海军海洋学研究所近期施测的区域地形数据。GU042大断面数据采用了该地形数据，将GU042大断面左右两岸端点落到此地形图数据上，剖得此断面水下数据成果，然后将此水下数据成果与测量单位已实测的大断面GU042的数据成果进行比较，结果完全一致。采用此方案得到了GU044的断面成果，精度可靠，满足规范要求，见图7。

图7 瓜亚斯流域出海口大断面成果

从图中可以看出，断面最大水深11 m，河宽3 000 m。

3 测量成果与精度分析

检验水文站及规划要求的大断面成果，最好的方法是分析每条河流每个大断面数据成果的合理性，判断每条河流上游大断面和下游大断面的水流是否能汇入大海，不允许出现倒比降。138个水文站及规划要求的大断面中，虽然每个断面位置的两个控制点都由政府部门提供，但精度确实存在一定的问题，测量单位对每个断面的两个控制点及上下游断面进行了检测。在网状河流情况下对横向断面进行检测后发现以下问题：左右岸误差相差 0.2 m，下游河底比上游河底高1 m，平原地区网状河流中左右两条河流高程相差2 m。测量单位发现问题后立即要求提供控制点的部门进行重测，直至最终达到要求。

各类测量仪器设备的检定检校均合格，并均在使用期内。导航定位所用GNSS接收机，动态测量提供的点位精度为 0.5～1.0 m(标准差)，水深测量所用测深仪测深精度为±0.5%，项目中各类测量精度均符合设计及相关规范规定要求。

在测绘与水文测验产品实现过程中，使用方法正确，记录清楚，工序齐全，误差均在规范规定的限差范围内。图表注记正确，图面清晰美观。成果资料整理符合设计及规范要求。

4 结 语

根据厄瓜多尔的地理位置、气候和水文条件、测量基础条件等因素，充分使用现代化的GNSS RTK和无纸化测深仪测量装备、测绘技术和手段，解决了138个水文站没有统一高程系统问题，将水文站大断面成果统一到了一个基面上，水流能从2 000多米的山区自然流入零米左右的太平洋。

另外，测量单位还通过翻译获得了当地海军海洋学研究所近期在瓜亚斯流域出海口GU044区域测得的地形数据，得到了其断面成果，规避了在海盗经常出没区域施测的安全问题。