黄委中游水文水资源局 山西晋中 030600
摘要：为解决黄河中游测区水文站以测深杆测深为主的问题，2018年在河曲水文站进行了HSW-1000DIG型便携式超声波测深仪与测深杆的比测试验。通过比测试验，分析了测深仪的误差来源，确定了测深仪在该河段的使用条件。
关键词：超声波测深仪；测深方法；断面测量；河曲水文站
1测站基本情况
河曲水文站位于山西省忻州市河曲县文笔镇铁果门村，为国家基本水文站、龙口水库出库站、天桥水库入库站、黄河水情报汛站。该站洪水主要来源于万家寨水库和偏关河支流，受上游龙口水库调节，日常水位涨落变化较频繁，凌汛期、主汛期、调水调沙期更是变化急剧。发电调峰时，含沙量较小，水库泄洪和排沙会形成沙峰。水位～流量关系多呈逆时针绳套，但单断沙关系较好。
2HSW-1000DIG型便携式超声波测深仪简介
HSW-1000DIG型便携式超声波测深仪利用回声法进行水深测量，即由测深仪换能器向水底发射一定脉宽、一定能量的声波脉冲，经水底反射后仪器记录下声波由发射至接收到回波的时间，然后根据水中声速V（约1460m/s）和声波往返时间T换算出水深h，即：h=VT/2。其中，水中声速V随水温和盐度的变化而变化，故实际水深H=Lh+E，其中L为声速修正系数，E为换能器入水深度。
3试验背景
目前，中游测区测深以测深杆为主，其测深精度受水深、风浪、流速等因素影响，尤其在水深大、流速大时，测深不好掌握，存在较大的随意性和不确定性，且有时受漂浮物和风浪影响，在吊箱测深存在一定的安全隐患。因此，用超声波测深仪测深是十分有必要的。
4比测试验概况
本次试验以河曲水文站测流断面为试验断面，以测深杆测深值为标准值，换能器入水深度E取0.10m，共比测6个断面次，123组数据。试验期间最大水深5.85m，最小水深0.65m。水深改正系数L分别取1.02、1.04、1.06，其中L=1.02共测20组数据，L=1.04共测99组数据，L=1.06共测4组数据。
表1不同水深区间测点分布
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5比测试验资料分析
5.1单次测深误差统计与分析
通过比测试验，当L=1.02或1.06时，误差普遍偏大，故取L=1.04进行比测试验。另外，第13、15、26组数据水深小于1m，误差偏大，仍需继续分析试验。第29、33、44、46、47组数据误差较大，原因为河底不平整，有乱石。第45、66组数据出现跳动，原因为电池欠压，测深仪数据不稳定，无法测得准确水深。将上述10组数据去除后，L=1.04时共测得89组数据，其系统误差为-0.012m,相对系统误差为-0.33%，相对随机误差为2.14%。总体来看，当L=1.04时，测深比测结果比较接近。
5.2误差分布统计与分析
从表2的误差分布来看，在89个测点中，误差不超过0.05m的测量数据占70.8%，误差不超过0.10m的测量数据占95.5%，误差超过0.10m的测量数据仅有4个，占比仅为4.5%。由上述分析可以看出，两种测深方法所测结果比较接近。
表2小于等于某误差级数据所占比例
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5.3水道断面面积对比分析
面积法是水文站最常用的断面测量方法，能直接反映断面的冲淤变化情况。两种测深方法测得的水道断面平均面积差-6.63㎡，平均相对误差-0.67%。总体来看，两种测深方法测得水道断面面积结果比较接近。
5.4不同含沙量级及不同水温对测深结果的影响分析
一般来说，含沙量和水温是影响测深仪测量精度的重要因素。比测试验中实测的最大含沙量为7.28kg/m³，最高水温为28.0℃，最低水温为23.8℃。可见，在一定含沙量和水温范围内，超声波测深仪的测深精度并不受含沙量和水温大小的影响，因此，在断面含沙量不大时，测深仪是可以正常工作的，所测结果也比较可靠。
6测深仪误差来源分析
（1）声速对测深精度的影响。声音在水中传播随着水的密度、含沙量、水温的变化而变化，仪器说明书中给出了相关技术参数，经试验分析，声速改正系数L取1.04、接收器增益工作模式为“浅”时，结果比较令人满意。
（2）波浪对测深精度的影响。由于水面起伏变化，特别当流速较大时，测深杆测深会有0.2m以上的涌浪，对准确读数造成困难。但超声波测深仪只需探头入水，不存在涌浪影响，测深结果会更加准确。
（3）测深杆测量误差。测深杆测深需要集力量、技巧和经验于一身，特别当垂线水深超过6.5m时，测深会十分困难，需要10m测深杆才能打到水深，在吊箱狭小的空间上操作存在一定的安全隐患。当测验垂线流速较大时，测深杆测深会出现读数不准确或者测深杆不垂直等问题。另外，当河底不平整，有乱石时，测验精度也很难保证。因此，用测深杆测深的精度因人而异。但是用超声波测深仪测深时，只要能准确告之仪器的吃水深度，测深结果还是比较准确的。
7结论与建议
比测试验结果表明：超声波测深仪在测深精度和工作效率方面均有大幅度提高。测深仪声速改正系数L取1.04，接收器增益工作模式为“浅”，与测深杆测深结果比较，系统误差为-0.012m，相对随机误差为2.14%。在水深为0.95～5.85m之间，含沙量为7.28kg/m³以下，水温在23.8～28.0℃之间时，测深精度基本不受影响。
在比测试验过程中，也存在一些问题需要解决：
（1）吃水深度问题。测深仪的吃水深度E也是一个影响测深的重要参数，比测试验中为手持测深仪进行比测试验，吃水深度受人为因素影响，建议吊箱上可以安装一个可以升降的悬杆，将测深仪探头固定其下，通过悬杆的刻度准确控制吃水深度。
（2）连接线长度问题。比测试验过程中，因连接线不够长，在吊箱上操作时需要两人小心操作才能完成测深，建议将连接线加长，方便测深仪使用。
（3）测深仪的水温问题。后期在测流过程中，在水温为13℃、18℃也进行过比测试验，测深仪测深精度不受影响，但仅为个别垂线。
总体来说，超声波测深仪操作简便，测深省时省力，摒弃了测深杆测深的人为误差，另外，测深仪留有数据传输端口，可以实现水深的串行输出，是一种可以应用到实际工作当中的测深仪器。
作者简介
郑凯（1989—），男，山西榆次人，工程师，大学本科，主要从事水文测验及资料整编等工作。