1 测量原理与方法概述

传统的水下点位测量方法一般采用GPS 定位确定河底地形测点的平面坐标（x，y），而其高程H 则通过水位求得。GPS 水下测量的基本原理如图1所示。

 

图1  GPS 水下测量的基本原理图

图1 中，h0 为通过三角高程（或水准、水位自记、梯调遥测）获得的水位高程，h1为测深仪换能器到水面的垂直距离即吃水深，h2 为测深仪换能器到水底的垂直距离即施测水深，h3 为GPS天线相位中心量至换能器底部高度,h4为GPS天线相位中心量至水面高度。h5为GPS RTK测量得到的真实高程。测点的海底高程H 可以由以下关系式求得：

 H= h0-h1-h2                                                 （1）

 H= h5-h3-h2                                                 （2）

H0= h5-h4                                                   （3）

式（1）、式（2）分别表示传统模式和无验潮模式下GPS 水下测量的基本原理，式（3）为GPS测量的瞬时水位高程。由式(2) 直接确定水底测点的高程而无需要进行水位改正，同时与换能器吃水亦无关，故称之为GPS 无验潮水下地形测量方法[3][4]。

 

2 外业测试

本次测试是在2014年长江三峡工程库区重庆市主城区河段河道演变观测项目的基础上，选取九龙坡该典型河段布设了7处水文断面，进行两个测次的外业数据采集, 详见图3。本次的测试技术路线流程见图2。控制成果采用长江委水文上游局提供的“2013版重庆市主城区河段控制成果”，平面精度为GPS D级，高程精度为四等控制。主要技术规定如下：

1）根据九龙坡测区已有控制成果，采用GPS 静态方法观测并进行高程联测，计算各点的平面坐标和高程，求取测区内的坐标转换七参数。以满足测区测量需求，架设GPS RTK 基准站，采用CMR+格式通过无线电发射信号。由于该河段地处主城区，网络条件允许，也可以接收CORS系统的信号数据[5]。

2）平面定位采用GPS定位等。回声仪换能器应与GPS流动站天线处于同一铅垂线上，点位误差应小于图上0.2mm；GPS测量过程中，有效观测卫星数应不少于4颗，当卫星失锁连续2点漏测时，须立即重测。

3）点距控制：为了较精确地控制水下地形，在中泓及地形复杂区域，测点应加密，点距控制在15～25m以内；近陡岸50m以内点距为15m，其它地势较平坦地区，点距控制在25m以内。若超限，均应及时补测。

4）水位采用全站仪接测以Ⅴ等水准精度控制。边长控制在1200m以内。当上下游断面间水位落差小于0.2 m时，可多个断面接测一处，否则应每个断面接测。在断面位置选择上下相距2m以上两处水位观测点（（双点单测法）两处视线长度不得超过1200m，每处1测回），以进行落尺点差错校核；两处观测的水位差小于0.05m时，取平均值作为断面观测水位（两次高差较差应小于60D1/2）[1]。

6）为了确保GPS 无验潮水深测量成果的精度及其可靠性，同时采用传统测量方法比对测量，以便对GPS RTK 测高成果进行比较检核。九龙坡河段长2.36KM,共有CY30-CY34计6个断面12个四等水准点。采用全站仪施测水位并与水下测量同步实施，满足了GPS测量验证和修正目的。

7）采用抗风浪性较好的大型测量船舶，减少风浪和行船涌浪影响。并保证传统测量与无验潮模式测量航线基本一致。

 

 

图2 九龙坡河段河势图

 

 

                                                      

                                                            

                                                   

                        合格                  合格 

                                                              

                                                     不合格      

                                                              

                                                       合格

                                           

                                                              

                              

 

   

 

 

 

图3  作业技术路线与主要工艺流程图

               

 

    

3.测试数据与水文泥沙冲淤成果分析

3.1 RTK精度分析

无验潮水下测量的精度关键在于水下测点高程的精度，为了检验RTK 的测量精度，我们在控制点上作了比对。总共比对了12 个控制点。这些控制点的高程等级均为四等。其精度测试结果如下表1

表1  RTK比测精度统计表/m

点号	控制高程	RTK测量高程	△Z
CY30L2	185.137	185.125	0.012
CY30R2	193.957	193.973	-0.016
CY31L3	189.777	189.807	-0.030
CY31R3	186.138	186.127	0.011
CY31.1L1	190.385	190.377	0.008
CY31.1R2	186.125	186.13	-0.005
CY32L1	176.864	176.852	0.012
CY32R3	186.098	186.108	-0.010
CY32.1X	180.324	180.337	-0.013
CY32.1R1	183.357	183.366	-0.009
CY33L2	174.970	174.956	0.014
CY33R3	195.294	195.305	-0.011

从比对结果来看，高程最大误差为0.030m，最小为0.005m，平均值为0.013m，不考虑其他误差的影响，可见本次比测精度较高，满足常规河道演变观测水位测量的精确需求[6]。 

3.2 九龙坡河段水位分析

重庆主城区九龙坡河段(CY30—CY34)为典型的弯曲放宽段河段，河道平面呈两头小、中间大的鱼腹形状，洪水期进口段河宽不足800m，出口段约1000m左右，中部河宽可达1500m左右。中间放宽段九堆子洲滩滩面较高，将河道分为两汊，左汊为主槽，右汊为支汊，枯季基本不过流，九堆子下游有地势更高的刘家石盘（顶高程约176.9m）卧于江心。

 

图4  CY30断面水位值对比图

 

图5  CY32.1断面水位值对比图

总体看，九龙坡河道弯曲，河道内石梁、石盘、浅碛密布，地形复杂，水流动力轴线摆动较大，水面呈壅水、回水、冒水形态，汛期可能受嘉陵江顶托作用、三峡水库蓄水期还将受壅水影响，水流条件复杂。河道左右两岸存在一定横比降，且非简单的线性斜率关系，随着水流条件的改变其横比降差值将有一定变化，汛期受水流顶冲影响差值一般较大，蓄水期受水位壅高、流速变缓及上下游落差减小其差值较小，为非系统性的定值。图3-4为2014年8月18日九龙坡河段各断面GPS测点实测水位与全站仪架设实测岸边水位比较图，图中GPS RTK所测水位清晰反映出各断面均存在横比降，最大差值为CY30断面，达0.5m，该结果与九龙坡河段河道特征、水流形态吻合一致。

3.3.九龙坡河段冲淤情况分析

为分析两模式对九龙坡河段河道冲淤成果的影响，对2014年8月、9月测量成果采用两种模式进行数据处理分析，并计算两模式下冲淤成果，具体见表2、表3。

从过水面积影响对比成果表2看，两测量模式对各断面过水面积均有一定影响，且影响值在各测次不同，非系统性定值；从冲淤量计算成果表3看，采用验潮模式计算两测次间冲刷11.6万m3，而无验潮模式下为淤积4.5万m3，其对冲淤的影响不仅反映在‘量’上，还影响到对河道‘冲’或‘淤’定性上的判断。且由于同一河段在不同水流条件、不同断面上两模式对河道测验成果的影响差值是非系统性的变量，其对河道冲淤计算成果的影响还将反映在冲淤的空间分布及时间分布上。以上分析说明两模式对河道冲淤成果的计算及河演趋势分析均有重要影响。

 

表2验潮模式、无验潮模式下过水面积影响对比/m2

断面号	8月19日对比			9月5日对比
	验潮模式	无验潮模式	面积差	验潮模式	无验潮模式	面积差
CY30	27098.8	27081.8	17	21267.4	21194.9	72.5
CY31	26674	26666.9	7.1	27082.5	27019.2	63.3
CY31.1	24832.3	24852.9	-20.6	26660.1	26616.2	43.9
CY32	20962	20918.8	43.2	24866.9	24801.7	65.2
CY32.1	16940.7	16855.4	85.3	21119.7	20993.5	126.2
CY33	14718	14762.7	-44.7	16993.5	16843.1	150.4
CY34	27098.8	27081.8	17	14838.5	14796.4	42.1

 

表3 验潮模式、无验潮模式下冲淤量成果影响对比/(万m3)

河段名	冲淤量(正为淤积，负为冲刷)
	验潮模式	无验潮模式
九龙坡	-11.6	4.5

4 结论与建议

⑴自然河段水位受水流条件、河道地形、人为采砂石等多因素影响，水面多数情况下并不是一个水平面的，也不是简单的线性比降关系，而是存在壅水、回水、冒水等复杂的形态。采用GPS定位同时测定水位高程值亦验证了本结论，测试表明传统方式测量水位不能反映水文断面上所有测点的真实情况，有较大的误差。

⑵采用单一某点架设水位时，还和架设人的操作、选择位置有很大的关系，由此产生的人为误差会影响整个断面的冲淤分析计算，甚至误差非常大，造成分析结果成相反趋势。

⑶采用无验潮模式其结果与水位无关联，该模式可以完全消除上述两点引起的水位及风浪误差，同时还可消除测船涌浪、动态吃水引起的误差，从而进步一提到冲淤分析计算的精度。

⑷采用无验潮模式进行水深测量将减少一组水位观测人员，也减少了内业推算人员的强度。一定程度上提高了工作效率，增加了项目工程的经济收益。

⑸采用无验潮模式测量时必须整个过程中保证RTK高程精度可靠，从上述的水位分析可发现，还是有个别测点的RTK水位不可靠。如果测量起点碰上特殊情况影响GPS作业，该方法则有所受限。此外若用于范围更为广阔的测区时，势必要进行局部的大地水准面精化，其前期投入成本较大。

 

参考文献

[1]樊琪虹. 2014年长江三峡工程库区重庆市主城区河段河道演变观测专业技术设计书[R].长江委水文局，2014.

[2]白征东,沈云中.应用GPS 进行无验潮水下地形测量[J].同济大学学报, 2000,28(1):37-40.

[3]赵建虎.现代海洋测绘[M]武汉：武汉大学，2008. 110-114.

[4]阳凡林,赵建虎.GPS验潮中波浪的误差分析和消除[J].海洋测绘,2003,23(3):1-4.

[5]孙振勇,包波,樊晓涛. GPS-RTK技术在河道演变观测中的应用探讨[A].中国测绘学会九届三次理事会暨2007年“信息化测绘论坛”学术年会论文集海洋测绘[C].北京:中国测绘学会,2007.

[6] JTJ203-2001.水运工程测量规范[S].

[7] 刘德春,樊琪虹,李俊.三峡水库影响前重庆主城区河段河床演变分析[J].水文, 2009,29(3):72-75.

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