针对单波束测深仪新型比测工具研制及应用

□ 张 序

为响应“十四五”长江经济带发展“1+N”规划政策体系，加快长江黄金水道建设步伐，港口与航道工程建设项目势必会日益增多。水深测量是反映水下地形地貌的重要手段，是工程建设的重要依据，而水深测量中测深仪现场比测结果，是评估水深数据可靠性高低的决定性因素之一。目前，长江航道水深测量作业中常用的比测方式有两种：一种是以杆测为代表的比测工具，称为硬式比测；另一种是以坨绳加比测板组合为代表的比测工具，称为软式比测。硬式比测，面对复杂的水下环境难以实现共点，导致数据误差较大；软式比测，容易受水流流速影响，难以获得高精度数据。对此，笔者针对单波束测深仪的新型比测工具，革新常用比测方式，进一步减少测深数据比测误差，以提高水深比测工作效率和精度。

一、水深测量比测现状分析

1.目前使用的水深比测方式

比测工具的选择并不是固定的，往往根据外业作业环境和项目要求而定，因地制宜自行选择比测方式。这既要保证比测工具要垂直于水面，又要保证换能器尽可能地与比测工具平行，实现共点。外业常常使用硬式比测和软式比测两种工具。硬式比测，采用杆测与水深测量数据进行对比；软式比测，采用坨绳和比测板，组装时尽可能使坨绳与比测板垂直，进行测深时坨绳和比测板垂直放入水中。

2.存在的问题分析

（1）当采用硬式比测也就是使用比测杆进行比测时，如果遇到河床为淤泥（如图1 所示），那么，比测杆所测得的水深=实际水深+淤泥厚度（即h1=h0+h泥），而换能器所测得的水深=实际水深（即h2=h0）。两组所得测量数据由于不在同一水平面上，导致数据不共点，从而出现比测数据误差较大的问题。

图1 河床有淤泥时测量

如果遇到所测量地段水下有水生植物（以水草为例，如图2 所示），比测杆所测得的水深=实际水深（即h1=h0），而换能器所测得的水深=实际水深－水草高度（即h2=h0－ h草）。可见，在水下环境复杂的情况下，使用比测杆对获取准确的比测数据存在一定的干扰，所以，在比测数据误差较大的情况下，无法证明所测水深数据为高精度数据。

图2 河床有水草时测量

（2）当采用软式比测即坨绳加比测板进行比测时，如果遇到比测水域流速较大（如图3 所示），坨绳会与换能器存在一个偏角，导致比测板未平行于换能器和比测数据不共点，这会导致坨绳所测得的水深不等于换能器所测的水深。

图3 水域流速较大时测量

二、针对单波束测深仪的新型比测工具设计

1.新型比测工具组成

新型比测工具设计将硬式比测工具与软式比测工具相结合，由比测杆、合金卡箍、声波反射板等3 个基本部分组成，可根据外业实际情况组合优化，以适应不同水域。

（1）比测杆。比测杆由高强度3 K 碳素管制成。该碳素管具有高强度、高韧性、质量轻、寿命长、不易变形耐腐蚀、耐高温、绝缘电阻高、阻燃性好等多项优点，使比测杆在水流流速较大的地方不变形或变形很小，保证换能器声波信号有效返回。杆体分为1 米和1.5 米两种，杆体刻度采用激光标刻，并涂抹白色油漆于刻度之上，便于观读，可根据水域需要连接成合适的长度。

（2）合金卡箍。合金卡箍分为固定单口卡箍和“8字型”双口卡箍，不容易生锈。固定单口合金卡箍用来连接比测杆杆体；“8字型”双口卡箍由两个单口卡箍焊接而成，其中一个口固定在比测杆杆体上，另一个口固定在换能器上，这样有利于换能器与比测杆始终保持平行。

（3）声波反射板。由环氧树脂板材料制作而成，将环氧树脂板做镂空处理，减小入水和在水域中的水流阻力，在作业时声波反射板板面与比测杆和换能器垂直。声波反射板有圆形、三角形、菱形等3 个形状，具体根据水域需求选择组合。

2.产品设计

针对单波束测深仪的新型比测工具采用组装式设计，可根据水域情况选择组件，便于携带（设计示意图如图4 所示）。

图4 新型比测工具示意图

3.产品优点

针对单波束的新型测深仪比测工具对比传统的硬式比测和软式比测，具有以下优点。

（1）通过合金卡扣的设计将比测杆与测深仪换能器平行固定，解决了水流流速过大的情况下比测杆无法高度平行于换能器的问题。

（2）通过添加底部声波反射板解决了水下地形复杂、存在淤泥或水草致使比测数据不在同一水平面上，导致比测数据不共点产生的较大误差。

（3）比测杆使用激光标刻刻度后，省去人工二次测量的步骤，节省了人力，也减小了人为操作误差。

三、应用测试

根据设计构想完成了新型比测工具的实物研制（如图5 所示），并让新型比测工具在不同水域进行应用测试。

图5 新型比测工具

1.第一次在长江上游朝天门至涪陵段航道整治工程施设阶段原型观测项目中进行应用测试

测试时间为2020 年11 月5 日—9 日，共5 天，比测方式为开工前比测2次，收工前比测2次。在测试过程中，应选取流速相对平缓和流速较大的区域分别进行。

通过对测试数据进行分析，5天的水深比测差值均未大于5 厘米，水深比测共20组数据，比测水深差值大于0.03 米的占0.00%；比测水深差值小于等于0.03 米大于0.02米的占5.00%；比测水深差值小于等于0.02 米大于0.01米的占35.00%；比测水深差值小于等于0.01 米大于等于0.00 米的占60.00%，精度较高，实现了水深测量比测误差的减小，省去了人工二次测量的繁琐步骤。

2.第二次在长江中游新洲至九江河段航道整治二期工程度汛观测项目中进行应用测试

测试时间为11 月22 日—26 日，共5 天，比测方式为开工前比测2 次，收工前比测2 次，仍然选择流速相对平缓和流速较大的区域分别进行。

第二次测试数据分析，5 天的水深比测差值均未大于5 厘米，水深比测共20 组数据，比测水深差值大于0.03 米的占0.00%；比测水深差值小于等于0.03 米大于0.02 米的占5.00%；比测水深差值小于等于0.02米大于0.01 米的占50.00%；比测水深差值小于等于0.01 米大于等于0.00 米的占45.00%，精度较高。

从2次新型比测工具现场测试情况看，2次测量结果精度都符合《水运工程测量规范》（JTS 131-2012）。新型比测工具不仅可以很好地适用于不同水域环境的测区，适应性好，抗干扰性强，而且能有效减小水深比测工作中的误差，操作简便。

四、结语

针对单波束测深仪的新型比测工具是基于长江航道水深测量外业工作实际问题所设计的产品，在设计优化、效果应用等方面还有一定的挖掘空间，可以增加其它配件，降低比测工具入水难度，增加固定性。同时，有待在不同季节环境、不同内河航道的测试验证，以进一步确定新型比测工具的适应性和应用效果，以此来帮助新型比测工具的迭代和完善，促进新型比测工具在水深测量中的推广应用。