海测技术▏内陆水域水下地形测量中声速改正方法探讨
一、研究背景
水下地形测量是通过测定江河、水库、港湾等水域水下点的平面位置和高程，绘制水下地形图或构建DEM模型等。水下地形测量成果多用于水利工程建设、河道整治、河道冲淤分析等，在防洪减灾、江河治理等领域都发挥着重要作用。目前，水下地形测量主要采用GNSS获取平面位置，配合水下测深仪器同步采集水深，其中水下测量仪器主要分为多波束测深系统和单波束测深仪两种，影响其测深精度的因素主要包括换能器吃水、声速改正、水位改正、测深仪器本身系统差等。声速改正是影响测深精度的重要因素之一，尤其在缺乏水体交换条件的深水条件下，水温变化的梯度通常较大，在静止的深水湖泊或水库中，这个特点愈发明显。在我国北方，夏季湖区水底和水面的温度可能相差10℃以上，引起声速的梯度变化可超过30m/s。因此，探讨如何进行测深的声速改正对于保证水下地形测量成果质量具有十分重要的意义。
二、水下声速获取方法
声波在不同密度介质中的传播速度是不一样的，而水的密度随着含盐度和水温的变化而变化。一般在水深测量中，水下声速的获取方法包括直接法和间接法两种。
⒈直接法
该法通过测量声速在某一固定距离上的传播时间或相位，直接获得水体中声音传播的速度。具体的测量方法包括脉冲时间法、干涉法和脉冲循环法等。在实际生产中，通常采用声速剖面仪来获取水下声速，目前常用的声速剖面仪有加拿大AML公司的SV-PLUS V2、海鹰HY1200系列等，该型号声速剖面仪采用脉冲循环法声速测量原理，发射的声音信号被固定已知距离内的反射板发射，接收机在接收到发射信号以后，触发下一次反射，如此周而复始，通过测量发射的重复周期或频率即可获得水体声速。当采用声速剖面仪获取声速时，由于不同位置和水深处水体密度不同，在实际生产中无法做到实时、实地进行声速剖面测量，获取声速数据，通常选取1d测量中测区水深最大区域进行声速剖面测量，或者在测区周围测量几个代表性的声速剖面，并记录剖面点平面位置，控制住整个测区，以此作为测区声速改正的依据。
采用直接法时，一般根据声速剖面仪观测的各水层声速按⑴式计算垂线平均声速。
式中，Cj是按厚度d选取的声速仪测得的相应深度声速；dj，j+1指各水层厚度；N为声速仪测得的声速剖面所选取的声速。
⒉间接法
间接法是利用水中的温度、盐度和压力等参数，通过经验公式计算。影响声音在水体中传播速度的因素很多，无法单纯通过一套理论公式计算获得准确声速值，但大量水下声速试验表明，水体中声速主要受温度、盐度和气压影响，温度变化1℃，声速值变化约4.5m/s； 盐度每变化1‰，声速值变化约1.3m/s；深度每变化1m，声速约变化0.016m/s。自20世纪50年代起，一些学者先后提出了适合不同水体的声速经验模型，其中被普遍认可的有Chen－Millero－Li声速算法、Dell Grosso声速算法、W.D.Wilson声速算法等。
目前，国内指导水下地形测量的规范主要包括GB12327-1998《海道测量规范》、JTS 131-2012《水运工程测量规范》、SL257-2017《水道观测规范》等。其中，GB 12327-1998《海道测量规范》为国家标准，其应用范围主要为各种比例尺的海道地形测量，用于获取海底地貌、底质情况，为航海图的编绘提供数据，以保证海船的航行安全；JTS 131-2012《水运工程测量规范》为交通部颁发的规范，适用于港口、航道、通航建筑物和修造船水工建筑物等工程的测量；SL257-2017《水道观测规范》为水利部于2017年颁发的规范，主要适用于河流、湖泊、水库、人工河渠、受潮汐影响的河道及近海水域的水道观测。根据SL57-2017《水道观测规范》，采用间接法时，一般在非潮汐河段(或水深小于150m水体)按下式计算声速:
C＝1410＋4.21T－0.037T2＋1.14S ⑵
在潮汐河段、近海水域(或水深超过150m的水体)按下式计算声速：
C＝1449.2＋4.6T－0.055T2＋0.000297T3＋(1.34－0.01T)(S－35)＋0.017D ⑶
式中，C为水中声速，m/s；T为水温，℃；S为含盐度，‰；D为深度，m。式⑵为计算某一水层声速时采用的公式。若计算从水面至某一深度(水底)的平均声速Cm，式⑵中的T、S、D应以其平均值Tn、Sn、Dn代入计算，即得到平均声速的近似计算公式：
式中，di为各水层厚度，m；Ti为各水层的温度，℃；Si为各水层的含盐度，‰。
三、典型测深环境中声速改正处理
⒈长江中下游地区
长江中下游地区水体流动性较好，最大水深一般在40m以内(局部水域如中游牛关矶段水深达90m)，在2016年12月7日开展的长程水下地形测量中，在武汉河段某处同步进行水面表层水温观测及声速剖面测量，表层水温15.8℃，表1为声速剖面仪观测数据。
表1 长江武汉河段某处声速剖面测量数据
水深/ m | 声速/ (m/s) | 水深/ m | 声速/ (m/s) | 水深/ m | 声速/ (m/s) |
1.45 | 1468.56 | 6.18 | 1468.68 | 10.86 | 1468.74 |
1.99 | 1468.62 | 6.71 | 1468.68 | 11.38 | 1468.75 |
2.50 | 1468.61 | 7.23 | 1468.68 | 11.91 | 1468.77 |
3.02 | 1468.62 | 7.74 | 1468.69 | 12.43 | 1468.77 |
3.54 | 1468.63 | 8.26 | 1468.71 | 12.94 | 1468.81 |
4.07 | 1468.65 | 8.78 | 1468.73 | 13.46 | 1468.82 |
4.59 | 1468.66 | 9.29 | 1468.73 | 13.98 | 1468.83 |
5.11 | 1468.68 | 9.81 | 1468.74 | 14.49 | 1468.85 |
5.62 | 1468.67 | 10.34 | 1468.75 | 15.42 | 1468.84 |
以上数据表明，在水体流动性较好水域，如具有代表性的长江中下游地区，声速变化区间在1m/s内，将表面水温代入式⑵中计算声速得1467.3m/s，该计算值与声速剖面仪所测数据吻合性较好。同时，说明在流动水体如长江中下游水道测深环境下，采用间接法计算表面声速作为测深声速改正数据，能够较好地满足水下地形测量精度要求。
⒉西藏部分重要湖泊
2013～2015年，水利部水文局组织长江委水文局等多家单位相继开展了10处重要湖泊测量工作，测量湖泊面积9000余km2，填补了历史资料空白，充实了基础地理国情信息，对湖泊生态保护、综合治理、水资源管理等都有重要意义。当惹雍错位于西藏那曲地区尼玛县境内，距离尼玛县城约72km，该湖平均含盐度9.4‰，平均水位4534.88m，最大水深219.2 m，平均水深103.4m，水面面积约为780km2。测量过程中采用加拿大AML公司的SV-PLUS V2 声速剖面仪，在每日测深结束后，选取本日测量区域最深处同步进行声速剖面和分层水温测量，图1，图2分别为该湖某日水温变化曲线图及声速分布曲线图。
图1 水温变化曲线
图2 声速变化曲线
从图1可以看出，当惹雍错存在明显的水温跃层，单纯观测水面温度，采用单一经验公式计算表面声速，作为最终水深值声速改正的依据将会产生较大偏差，该方法无法准确获得目标深度。图2为采用声速剖面仪实测的随深度变化的声速曲线，深度0～70m之间声速变化明显，70m之后声速变化趋缓，此变化规律与图1中水温变化趋势是相同的。
利用本次观测中的水温数据，采用式⑵计算对应深度的声速值，与声速剖面仪实际测量的声速值相比较，发现公式间接法计算的声速要比实测声速值偏大，具体差值规律见表2。
表2 公式法计算声速与实测声速成果对比
深度/m | 间接法与实测差值/(m/s) | 深度/m | 间接法与实测差值/(m/s) |
0～15 | 3.80 | 105～120 | 0.88 |
15～30 | 2.50 | 120～135 | 1.10 |
30～45 | 2.30 | 135～150 | 1.15 |
45～60 | 1.40 | 150～165 | 1.16 |
60～75 | 0.18 | 165～180 | 1.28 |
75～90 | 0.36 | 180～195 | 1.32 |
90～105 | 0.56 | 195～205 | 1.41 |
表2中两种方法对比结果最大差值为3.8m/s，当水深为200m时，此差值对水深测量值的影响约为40cm，能够满足水下地形测量精度要求。由此也可以看出，在能够准确获取水体分层水温数据的情况下，SL257《水道观测规范》中推荐的声速计算公式具有较为广泛的适用性。
四、结论
①在长江中下游、汉江等内陆河道，由于水体流动性较好，并且一般平均水深不超过40m，可以采用间接法，利用公式⑵计算获得水体声速，即通过量取测区表面水温，采用规范中的经验公式进行计算，以此声速作为测深声速改正依据，从而获取水体深度。
②在水库、深水湖泊中，由于水体缺乏流动性造成水体表面、中间层及水底温度差异很大，尤其在大水深环境下声速改正值对测深精度影响更不可忽视。为满足水下地形测量精度需求，应采用直接法即通过声速剖面仪获取水体声速或对水体水温开展分层观测，利用公式⑶计算获得水体声速。
③我国内陆水域一般含盐量很小，约为0.002‰左右，对声速影响微小，基本可以忽略不计；江河入海口及近海水域，有一定含盐量，当采用间接法计算声速值时应测定含盐量。
【作者简介】文/郑亚慧 冯传勇 许朝勇，来自长江水利委员会水文局。第一作者郑亚慧，女，教授级高级工程师，硕士，主要从事河道勘测分析、管理工作。本文来自《人民长江》（2018年8期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
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