理论教育 水下地形测量方法:动态吃水测量

水下地形测量方法:动态吃水测量

时间:2023-09-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:当测船以不同速度航行时相对于静态会产生下沉量,该下沉量与静态吃水之和,即为换能器动态吃水。由于动态吃水的影响因素众多,限于条件的不同,经验模型有时并不是很准确,因此许多情况下采用现场测量的方式计算动态吃水。但动态吃水与上下升沉极易混淆,给实际测量造成一定的困难。

水下地形测量方法:动态吃水测量

当测船以不同速度航行时相对于静态会产生下沉量,该下沉量与静态吃水之和,即为换能器动态吃水。当船体由静止到快速运动时,船首因航行推水而使水面局部壅高,船尾受推进器的排水作用也引起水面局部壅高,从而形成船体首尾的高压引发水位局部上升,船体两侧的低压使水位局部降低。由于船体一般呈窄型,则船体首尾水位上升引起的排水增加量小于船体两侧水位下降引起的排水减小量,为了适应周围水位分布的变化,船体将由静止状态作整体下沉,最终导致测深换能器下沉。船体航行下沉量一般为数厘米到数十厘米,尤其在浅水航行时,如1965年人民25号轮在川江的王家滩试验时,其航行下沉量最高值达47cm,因此在浅水中进行测深时动态吃水的改正不容忽视。

动态吃水与船速、加速度、船型、水深都有关系,目前能采用一定的方法测出动态吃水与上述参数的关系,得到一种经验模型。由于动态吃水的影响因素众多,限于条件的不同,经验模型有时并不是很准确,因此许多情况下采用现场测量的方式计算动态吃水。但动态吃水与上下升沉极易混淆,给实际测量造成一定的困难。动态吃水的确定方法可分为直接观测法和经验估计法。

1.直接观测法

直接观测法测量换能器的动态吃水可分为水准仪观测法、GNSS观测法和测深仪测量法三类。它们主要用于测量、统计测船在不同速度、不同航向作业时船体的动态下沉量,因此航行试验的船速、航向应为测船正常作业时可能出现的几种船速和航向。

(1)水准仪观测法

在水准仪观测方便的沿岸附近选择一个海底开阔平坦、底质较坚硬的海区,水深为测船吃水的7倍左右,以便船只用各种速度航行。若条件限制,无法满足7倍及以上的水深环境要求,则应增加浅水海域的比对工作(李家彪,1999)。

岸上适当位置架设一台水准仪,在船上换能器的位置处竖立水准尺,要保证水准仪能观测到水准尺,并具有1m左右的动态范围。

在测量海区设立一个测点,在该点处抛设一浮标,其缆绳要尽量缩短。当船只靠近浮标时停下,从岸上用水准仪观测水准尺并记录读数,然后船以测量时的各种船速和航向通过浮标一侧(与原来停靠点尽可能一致),水准仪照准船上标尺读数,两次读数应去掉潮汐的影响,再取二者之差值,即为船体在换能器所处位置的下沉值。每种船速应按上述方法观测三次以上,然后取平均值。该值加上静态吃水,即为测船在某一船速和航向下的动态吃水值。

(2)GNSS观测法

所选海区与水准观测法相同,为了减弱水面和水流的影响,提高观测精度,首先取测船漂泊状态下的GNSS天线大地高的平均值:

式中,HD为漂泊状态下船载GNSS天线的瞬时大地高;hv为漂泊状态下测船的实时上下升沉量;ht为实时潮汐高度。

测船按照工作船速沿直线航行,每个航速段稳定航行10~15min,同时人工记录各航速段起止时间,取稳定航行的一段时间序列,对天线大地高滤除测船上下升沉量、修正天线瞬时倾斜量,并去掉潮汐的影响后,得工作航速状态下的GNSS天线大地高均值:

式中,为测船航行时船载GNSS天线的瞬时大地高;为测船航行时的实时上下升沉量;为实时潮汐高度。

静态和动态平均GNSS天线大地高相减即得工作航速时动态吃水下沉量:

(www.daowen.com)

根据上下升沉原理不难发现,当式(9.2)和式(9.3)中n足够大时,hv的均值趋向于0,即换能器动态吃水下沉量与上下升沉无关(吴炳昭,2013)。

(3)测深仪测量法

以单波束测深仪为例,所选海区与水准观测法相同。在试验海区预先设置一个比对点。测船进入比对点并停船进行测深,即测定该点水深值。然后测船以不同的航速、航向通过该比对点并测量水深。通过水位及姿态改正后比对不同航速、航向的水深值,即可得到换能器在不同航速和航向的动态吃水值。为了更准确地反映换能器的动态吃水,需让作业船以相同的航速或航向通过比对点多次,并取其平均值(吴炳昭,2013),则不同船速和航向下船只的动态吃水为:

式中,D动v为船只以船速v航行时的换能器动态吃水;为船只以船速v航行时在比对点的测深值;H为比对点上的水深;hc为水位改正数;hz为姿态引起的测深改正数;D为换能器静态吃水。

2.经验估计法

换能器动态吃水与船体结构、船速、水深及船舶静吃水有关,一些研究者对此进行了深入研究,形成了一些经验模型,在一定条件下能够满足测深需要。下面介绍三种主要的经验模型(李家彪,1999)。

①1953年制定的《内河航运规划设计》标准中提出船体航行下沉量ΔD=0.033v(v为船速,单位m/s)。由于这个公式中只考虑船速而未考虑其他因素的影响,因而误差较大,适用性较窄。根据相关试验表明,其误差有时高达十多厘米。

②前苏联科学院水文研究所提出船体航行下沉量:

该经验公式考虑了船体静吃水D、水深h、船速v对船体航行下沉量的综合影响,因而适用性较强。

③霍米尔公式计算动态吃水下沉量:

该公式较好地反映了船体航行下沉量ΔD与船速v、水深h、船体静吃水D的关系。其中K系数可由实测资料推算,也可按船舶长l与宽b之比值为引数查取(表9-1)。

表9-1 霍米尔公式K值表

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