黄骅港航道水深测量精度分析

作者：杨天峰 朱男男

来源：《科技创新导报》 2011年第29期

杨天峰1 朱男男2

(1.神华黄骅港务公司 河北沧州 061110; 2天津市气象台 天津 300060)

摘 要:黄骅港航道总里程超过50公里,疏浚维护成本很高,水深测量作为航道维护费用的计算依据,其精度对费用的控制起到关键性的作用。本文对水深测量中的测量误差进行分析,大大提高了航道测量的精度,为航道疏浚费用的科学计算提供了可靠保障。

关键词:黄骅港 水深测量 精度 误差

中图分类号:P731.23 文献标识码:A 文章编号:1674-198X(2011)10(b)-0131-02

现状

黄骅港地处渤海中西部海域,海滩主要由泥砂组成。整个海滩沿航道方向宽阔而平缓,由岸向海坡度为3/10000左右,航道相当长,从港口码头到航道末端直线总里程约50公里。黄骅港是我国在淤泥型粉沙质海岸上兴建的最大人工煤港,外航道的回淤及骤淤问题是影响该港建设与正常运转最大障碍。每年的航道维护成本高达数亿元人民币。港口通航的安全水深和航道港池疏浚维护水深的依据主要来源于第三方的水深测量。因此,分析水深测量的误差来源,通过科学严谨的方法减少测量误差对水深的影响,是保障港口安全通航水深和航道疏浚费用计算依据的必然要求。

一般来说,测量航道水深需用到回声测深仪。测深仪采用平面圆周时基法测量时间,带有稳速装置的转速电机误差一般小于1/100s,因此超声波在水中传播的时间记录误差(T)对于深度影响可以忽略不计,而影响测深误差的关键在于超声波在水中船舶的速度(V),而超声波在水中传播的速度是由海水的温度、含沙量、含盐度等因素变化决定的。

由声学公式:

V=1410+4.21t-0.37t2+1.14S

其中:V:超声波在水中船舶的速度;t:水的温度;S:水的含盐度(以%计算)。

分析上式,测得当地含盐度2%,对深度值的影响可以忽略不计,实际工作中是在测量工作前进行水深校测,调整电机转速以适应超声波的实际传播速度外,尚需考虑温度变化对深度值的影响,若按±5℃计算,波速将变化±10m/s,若以最大测深50m计算,则将有±0.3-0.4m的误差。

又设V为记录笔转速,L为测深记录尺长度,根据公式:

H0为标尺读数水深。由此可见深度误差与水深成正比,属于系统误差。

2 所存在的测量误差

2.1 长距离航道所带来的基面误差

基面采用理论最低潮位,是经长期观测计算后所得的物理重力值,和数学基面存在一定的误差。理论上控制距离在15公里左右,而黄骅港航道长约50公里,存在的误差随航道方向不断增大,且随每次测量涨落潮影响较大。航道入口与港内的平均高潮潮高差为0.66米,平均高潮潮时差为7分钟,最大高潮潮高差为0.78米,平均低潮超差为0.26米,平均低潮潮时差为30分钟,最大低潮潮高差为0.40米。港内平均超差为2.00米,航道入口平均超差为1.60米,依深度基准面“潮差大深度基准面低,潮差小深度基准面高”的性质分析,该港的理论最低潮面应存在“从航道入口向港内逐渐降低的坡降”。

2.2 潮位推算方法

时差法原理:将两站水位视为信号,首先运用数字信号处理技术中互相关函数的变化特性,求得两个验潮站的潮时差,从而解决待求点相对于验潮站的时差;然后通过时间归化及潮位起算基准统一,进而计算得到待求点的潮位值。

具体表示如下:考虑误差能量

上述模型是一个非线性回归模型,解算分为两个步骤:首先假定τ为零,解算a,在这里a相当于潮差比;其次解算潮时差τ。潮时差τ包含于相关系数Rxy之中将yn延迟时间τ,再考察两站的相关系数,当两站相关系数Rxy最大,即两站相关性最大时,得到两站的潮时差τ。

由于不能保证三个自动验潮站采集的潮汐数据在任何时刻都能100%通过无线方式发送至数据处理中心,换言之,潮汐数据可能在某些特殊情况下(例如无线电干扰、海况恶劣等)不能正常

采集和发送,潮汐数据存在缺测的可能。从工程应用的稳定方面考虑,对于航道任意点查询时刻的水位值,不能直接通过对三个自动验潮站水位实测值利 用时差法实时计算得到,为此本系统设计了潮汐预报和余水位相结合的时差法数学模型。

自动验潮站水位实测值包括天文潮位和余水位两部分[4]。余水位即气象扰动水位,也称为增减水,即通常所说的潮汐预报误差,该部分主要由下列因素造成:由天气因素(主要是风)产生的短时间水位变化;由气候因素造成的海面季节变化。天文潮位具有可预报性,即验潮站任意时刻天文潮位采用公式(3)预报得到;余水位变化规律性不强,其准确值采用公式(4)计算得到(即实测水位减 去天文潮位)。

天气因素造成的增、减水在不太大(一、二百公里范围内)的测区其差别很小;气候因素造成的海面变化具有很大的空间尺度,在不大的测区内也可取相同的数值。基于以上两点分析,黄骅港航道三个验潮站某时刻的余水位是相等的,即航道任意位置某时刻余水位也是相等的,当然更准确的讲可以采用距离加权的方式计算航道任意点余水位。

自动验潮站天文潮位采用下式计算[5]:

以上(3)～(6)式中Z0表示某自动验潮站从验潮零点起算的平均海面;Hii和gii分别为分潮的振幅和迟角;fi和ui分别为分潮的交点因数和交点改正角;δi是分潮的角速率;vi是分潮的天文初位相;t是计算时刻;ζ(t)表示某自动验潮站的水位观测值;h(t)表示某自动验潮站的天文潮位;δ(t)、δi(t)表示某自动验潮站的余水位;δx(t)表示航道任意点t时刻的余水位;rix表示航道任意点到某自动验潮站的距离。

根据时差法原理并结合黄骅港航道实际情况,本系统采用两站改正方式来计算航道任意点实时水位,采用下式计算:

(7)式中ξx(t)表示该点在查询时刻t的实时水位;RAB表示该点到附近A、B站的距离;RBx、RAx分别表示该点到附近A、B站的距离;τx表示该点相对于A、B站的潮时差;τAB表示A、B站的潮时差。

本系统采用的潮汐预报结合余水位的时差法数学模型,理论合理并且充分考虑了工程应用的角度,具有可操作性。

2.3 气差影响

气差主要是声波在海水中传播所带来的影响,主要有:海水的温度、盐度等。常规改正方法是采用回波测深仪自带的声速仪进行气差测定,然后进行改正。水深测量原理如图1所示:

深度R=ct/2

c:理论声速。常温海水中1500m/s。

t:发射信号到接收到回波的时长。

用传统声速测定仪改正水深气差影响的方法是测定水深剖面声速误差,然后进行改正,如:

式中Vc——测量的船速

N——换能器每秒发射的频率次数,一般设定5。

Ls——测量的步长

W——规范要求的测量投影的最小宽度(如图2)

黄骅港航道测量基本参数为:W一般取值为0.3米,Dp按最小测深取0.628m,Ls计算结果为0.551m,Vc计算结果为5.3节。

通过以上对航道水深测量误差的分析,黄骅港目前采取的测量手段和方法,精度能够满足国家标准和行业标准,可作为航道疏浚维护计算依据,并且对通航安全水深有所保证。

参考文献

[1]钱苏芬.水下地形测量测深精度分析.江苏测绘,1999(2).

[2]郭永丰,等.黄骅港航道网络验潮系统的研究技术方案.天津海事局海测大队,2004-6.

h(t)＝z0＋Σｍi1fiＨiCOS(δi＋νi＋ui－gi)