厄瓜多爾水文站大斷面測量方法概述

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局,湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

厄瓜多爾瓜亞斯與馬納維等流域洪澇災(zāi)害頻繁，防洪保護對象眾多、分布范圍廣，洪水組成復(fù)雜，從洪水調(diào)查結(jié)果來看，馬納維流域幾乎年年發(fā)生洪澇災(zāi)害。138個水文站大斷面分布在瓜亞斯、埃斯梅拉達斯、納波、圣地亞哥、胡沃內(nèi)斯5個流域，需要對其進行測量和海撥高程統(tǒng)一。厄瓜多爾水文站現(xiàn)有大斷面圖、水位觀測的基面均采用不同的假定基面，沒有統(tǒng)一的高程系統(tǒng)，從資料上看水流不能自然地從2 000多米的山區(qū)流到零米左右的太平洋，規(guī)劃部門無法進行流域規(guī)劃。

厄瓜多爾政府需在138個水文站附近分別提供兩個控制點，測量單位根據(jù)這兩個控制點和各水文站所在位置特點(如水深情況、水面寬情況、流速情況等)，采用多種大斷面測量方法測得大斷面成果，并分析每條河流的大斷面及水位情況，判斷是否存在倒比降。大斷面測量方法有：①測量員涉水采用GNSS RTK或全站儀配棱鏡的方法直接測出大斷面成果，水深在1 m左右且流速小于1 m/s時采用此方法。②測量員在測船上、橋上、纜道籃上用GNSS RTK或全站儀配棱鏡測出平面坐標(biāo)及水位，并采用測深鉈測出水深，再通過內(nèi)業(yè)整理出大斷面成果，水深3 m左右且有船、橋和纜道籃情況下采用此方法。③測量員在測船上用 DGNSS測定平面坐標(biāo)配測深儀測水深，通過內(nèi)業(yè)整理出大斷面成果，水深在大于4 m、斷面寬大于50 m、流速大于1 m/s且有船的情況下采用此方法。④借用海軍海圖資料整理出大斷面圖。

馬納維流域大斷面測量布置見圖1。

圖1 馬納斯流域大斷面測量布置

2 水文站大斷面測量方法與成果

2.1 采用GNSS RTK或全站儀測大斷面

該項目大斷面測量中，采用測中桿測水深，配合GNSS RTK或全站儀配棱鏡定出平面坐標(biāo)和水位。因這138個水文站及規(guī)劃要求的大斷面大多是山區(qū)性河流，普遍水深較淺，因此多采用此方法。一般水深1 m左右測量單位采用此方法(重點介紹全站儀測量方法，見圖2)。

圖2 全站儀測量大斷面示意

圣地亞哥流域大斷面成果見圖3。

圖3 圣地亞哥流域大斷面成果

圖2中高差計算公式如下：

式中，S為經(jīng)溫度氣壓改正后的測量斜距，m；α為三角高程測量垂直角；h為高差，m；K為大氣折光系數(shù)，無量綱，一般取為0.13；iA為儀器高，m；vB為鏡站高，m。

圖3中測量成果具有普遍性，水下平面定位坐標(biāo)采用全站儀測得，同步水深采用測中桿測得，岸上部分用全站儀或GNSS RTK測得，通過內(nèi)業(yè)整理出大斷面成果。

2.2 采用平面坐標(biāo)和高程分開施測

該項目大斷面測量中，測量員在測船上、橋上、纜道籃上采用GNSS RTK或全站儀配棱鏡測出平面坐標(biāo)及水位，采用測深鉈測水深。由于這138個水文站及規(guī)劃要求的大斷面大多是山區(qū)性河流，普遍水深較淺，因此多采用此方法。一般水深3 m左右測量單位采用此方法(重點介紹GNSS RTK測量方法)。

GNSS依據(jù)距離交會定位原理確定點位，利用3個及以上的控制點可交會確定出天空中的衛(wèi)星位置；反之，利用3個及以上衛(wèi)星的已知空間位置也可交會出地面未知點的位置。最后通過測定從衛(wèi)星到地面GNSS接收機的時間來算出地面點的位置坐標(biāo)。

待測點至某顆衛(wèi)星的距離可表示為

(2)

式中，ρ為待測點某顆衛(wèi)星的距離，m；c為光速，m/s；Δt為光從某顆衛(wèi)星到待測點的時間，s，用GNSS接收機測得；Xi,Yi,Zi為某顆衛(wèi)星的坐標(biāo)，m；X,Y,Z為待測點坐標(biāo)，m。

GNSS RTK為實時動態(tài)定位技術(shù)，一臺GNSS接收機架在已知點上接收衛(wèi)星信號，并發(fā)出本站位置數(shù)據(jù)，稱之為參考臺；另一臺GNSS接收機在運動中與參考臺同步觀測接收衛(wèi)星信號并同時收到參考臺發(fā)出的數(shù)據(jù)，從而實時解算出侍測點坐標(biāo)，稱之為流動臺。

通常情況下，水下平面坐標(biāo)采用GNSS RTK測得，同步水深采用測深鉈測得，岸上測點部分三維坐標(biāo)采用全站儀配棱鏡或GNSS RTK測得，通過內(nèi)業(yè)整理出大斷面成果，見圖4。

圖4 納波流域大斷面成果

2.3 測船上GNSS RTK配單波束測深儀測深

該項目大斷面測量中，水深測量結(jié)合了單波束測深儀和GPS RTK測量技術(shù)。水下地形測量導(dǎo)航采用的是美國Hypack公司的Hypack軟件[1]，此軟件是目前世界上應(yīng)用最廣泛的專業(yè)測量軟件，它能夠接收、處理、存儲和輸出各種數(shù)據(jù)，并支持目前絕大部分GNSS、測深儀。采用Hypack處理所測大斷面平面坐標(biāo)、水深數(shù)據(jù)，并編輯生成大斷面圖，測量系統(tǒng)見圖5(重點介紹水下地形測量方法)。

圖5 水下大斷面測量系統(tǒng)示意

安裝在測量船下的發(fā)射換能器，垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C在水中傳播到水底，經(jīng)反射或散射返回，被接收機換能器所接收。經(jīng)歷時間為t，換能器的吃水深度為D，由于測船較小，船體姿態(tài)改正不影響換能器的吃水深度，不用動態(tài)吃水改正，則水面至水底的距離H可表示為

(3)

公式(3)中，考慮厄瓜多爾的淡水、海水與我國不同，C值由測量單位現(xiàn)場采用聲學(xué)剖面儀施測，實際測得超聲波在水中的聲速值，水下地形測量的平面定位采用GPS RTK測量技術(shù)[2～3]。數(shù)據(jù)通訊使用直通式數(shù)傳電臺，參考臺架設(shè)在已知點上，天線越高，數(shù)傳電臺作用距離越大。按規(guī)定要求，每個斷面在測量前，流動臺所測點三維坐標(biāo)要在已知點上進行靜態(tài)比測， 滿足要求后方可進行大斷面測量。比測成果表明，三維坐標(biāo)最大誤差均小于5 cm，參考臺架設(shè)及參數(shù)設(shè)置可靠。 通過內(nèi)業(yè)整理出大斷面成果，如圖6所示，圖中水位及岸上部分采用全站儀測得。

2.4 借用海軍海圖資料整理斷面圖

GU044兩個斷面遠離海岸，地處瓜亞斯流域出?？?，屬于海盜經(jīng)常出沒區(qū)域，在準(zhǔn)備的多種實施方案均告失敗后，測量單位翻譯獲得了當(dāng)?shù)睾＼姾Ｑ髮W(xué)研究所近期施測的區(qū)域地形數(shù)據(jù)。GU042大斷面數(shù)據(jù)采用了該地形數(shù)據(jù)，將GU042大斷面左右兩岸端點落到此地形圖數(shù)據(jù)上，剖得此斷面水下數(shù)據(jù)成果，然后將此水下數(shù)據(jù)成果與測量單位已實測的大斷面GU042的數(shù)據(jù)成果進行比較，結(jié)果完全一致。采用此方案得到了GU044的斷面成果，精度可靠，滿足規(guī)范要求，見圖7。

圖7 瓜亞斯流域出?？诖髷嗝娉晒?/p>

從圖中可以看出，斷面最大水深11 m，河寬3 000 m。

3 測量成果與精度分析

檢驗水文站及規(guī)劃要求的大斷面成果，最好的方法是分析每條河流每個大斷面數(shù)據(jù)成果的合理性，判斷每條河流上游大斷面和下游大斷面的水流是否能匯入大海，不允許出現(xiàn)倒比降。138個水文站及規(guī)劃要求的大斷面中，雖然每個斷面位置的兩個控制點都由政府部門提供，但精度確實存在一定的問題，測量單位對每個斷面的兩個控制點及上下游斷面進行了檢測。在網(wǎng)狀河流情況下對橫向斷面進行檢測后發(fā)現(xiàn)以下問題：左右岸誤差相差 0.2 m，下游河底比上游河底高1 m，平原地區(qū)網(wǎng)狀河流中左右兩條河流高程相差2 m。測量單位發(fā)現(xiàn)問題后立即要求提供控制點的部門進行重測，直至最終達到要求。

各類測量儀器設(shè)備的檢定檢校均合格，并均在使用期內(nèi)。導(dǎo)航定位所用GNSS接收機，動態(tài)測量提供的點位精度為 0.5～1.0 m(標(biāo)準(zhǔn)差)，水深測量所用測深儀測深精度為±0.5%，項目中各類測量精度均符合設(shè)計及相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。

在測繪與水文測驗產(chǎn)品實現(xiàn)過程中，使用方法正確，記錄清楚，工序齊全，誤差均在規(guī)范規(guī)定的限差范圍內(nèi)。圖表注記正確，圖面清晰美觀。成果資料整理符合設(shè)計及規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

根據(jù)厄瓜多爾的地理位置、氣候和水文條件、測量基礎(chǔ)條件等因素，充分使用現(xiàn)代化的GNSS RTK和無紙化測深儀測量裝備、測繪技術(shù)和手段，解決了138個水文站沒有統(tǒng)一高程系統(tǒng)問題，將水文站大斷面成果統(tǒng)一到了一個基面上，水流能從2 000多米的山區(qū)自然流入零米左右的太平洋。

另外，測量單位還通過翻譯獲得了當(dāng)?shù)睾＼姾Ｑ髮W(xué)研究所近期在瓜亞斯流域出海口GU044區(qū)域測得的地形數(shù)據(jù)，得到了其斷面成果，規(guī)避了在海盜經(jīng)常出沒區(qū)域施測的安全問題。