錢 峰 郭忠良 徐 滸 唐敏炯

(長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局,上海 200136)

長江口潮流量測驗的歷史與現(xiàn)狀

錢 峰 郭忠良 徐 滸 唐敏炯

(長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局,上海 200136)

回顧了長江口潮流量測驗的歷史,指明常規(guī)的測驗儀器與方法無法保證長期、連續(xù)、穩(wěn)定地收集長江口基礎(chǔ)水情資料,潮流量整編更無從談起。在應(yīng)用新一代聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADCP后,通過研究和實踐,確定了代表線的位置,建立了平臺和浮標(biāo)潮流量遙測系統(tǒng),解決了長江入?？诔绷髁繉崟r監(jiān)測和潮流量資料整編的難題,獲得了2005～2010年潮流量整編成果,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,體現(xiàn)了“科技是第一生產(chǎn)力”的深刻內(nèi)涵。

流量測驗;潮流量;流量整編;長江口

1 測驗河段概況

1.1 地理位置

長江入海段流經(jīng)江蘇省的無錫、泰州、蘇州、南通等4市以及上海市,總體呈三級分汊、四口入海的河勢格局,見圖1。上段為澄通河段,上起江陰鵝鼻嘴,下至徐六涇,河道全長約96.8 km,由福姜沙汊道段、如皋沙群段及通州沙汊道段組成;徐六涇以下至口外50號燈標(biāo)處,長約181.8 km,平面呈扇形。崇明島在此將長江分為南支和北支,南支在吳淞口以下被長興、橫沙等島分為南港和北港,南港又由九段沙分為南槽和北槽。

長江口寬闊的江面、海陸雙向的潮流,造就了復(fù)雜的水流動力條件,人類在認(rèn)識和掌握長江口河床演變規(guī)律和特點,探討發(fā)展趨勢,以及開展長江口地區(qū)的綜合開發(fā)治理時,迫切需要了解其水文泥沙運動特性。因此,長江口潮流量與輸沙率的測驗,就顯得尤為重要。

圖1 長江口河勢

1.2 潮流河段的水文現(xiàn)象

潮汐在大洋生成后,潮波沿著入海河道溯流而上,由于河道向上游逐漸變窄,水深變淺,阻力增加,以及徑流壓迫等,潮流上溯速度逐漸減小,愈向上游,潮差愈小,漲潮歷時愈短;到一定地段后,當(dāng)上溯潮水流速與下泄徑流流速相抵時,潮水停止倒灌,此為潮流界。但此時河口仍有壅高現(xiàn)象,潮波繼續(xù)上溯,當(dāng)波能不斷消耗直至波幅為零的區(qū)段時,即為潮區(qū)界,此處的水位不再受潮汐的影響[1,2]。

在不同的季節(jié),長江口的潮流界和潮區(qū)界的位置亦不同。洪水期遇小潮汛時,徑流作用強,潮流界和潮區(qū)界的位置均下移;枯水期遇大潮汛時,徑流作用較弱,潮流界和潮區(qū)界的位置則會大幅度地上移。實測資料表明,在枯水期(此時大通流量為10 000～20 000 m3/s),潮流界的位置在南京長江大橋以上至蘇皖交界附近;在平水期(大通流量在30 000 m3/s左右時),潮流界的位置在鎮(zhèn)江至南京一線;在洪水期(大通流量在40 000 m3/s以上時),潮流界的位置一般在江陰附近;而在汛期的小潮時段,潮流界的位置則退至徐六涇附近。

長江口潮流呈往復(fù)流態(tài),在漲落潮交替時,水流會轉(zhuǎn)換方向,且在一個較短的時間內(nèi)潮水會停止流動,將其稱為憩流。潮流與水位的漲落一般不同步,在潮汐低潮后,水位已上漲,但水流依然流向口外,即漲潮落潮流;水位繼續(xù)上漲,水流開始流向上游,即漲潮漲潮流;漲潮至高潮后,水位開始下降,但水流依然流向上游,即落潮漲潮流;以后水位繼續(xù)下降,水流開始流向口外,即落潮落潮流。潮汐河段水流的這種復(fù)雜運動,使其水文情勢比非潮河段要復(fù)雜得多,其潮流量的測驗方式和整編技術(shù)也比非潮河段要困難得多。

1.3 測驗斷面與水文要素

如圖2所示,徐六涇水文斷面呈不對稱的“W”型,寬5.82 km,主槽寬約 2.35 km,主深槽偏右岸,最深點達(dá)-48.0 m(吳淞基面,以下同)。左灘寬約2.0 km,其中新通海沙寬約1.3～1.4 km,沙體與北岸之間有新通海沙夾槽,夾槽-5.0 m,等高線寬約0.3 km。右灘寬約1.2 km,水深較左灘深,是白茆小沙夾槽的進(jìn)口上端。

長江口河段潮汐性質(zhì)為非正規(guī)淺海半日潮類型,徐六涇水文斷面處于洪水期潮流界以下,徑流、潮流均強勁。斷面主槽以南,底質(zhì)為淤泥質(zhì)亞粘土,抗沖擊性較強;主槽以北為粉砂,易起動。20世紀(jì)90年代以前,徐六涇斷面的漲落潮含沙量均較高,2003年以后,隨著上游來沙量的大幅度降低,徐六涇斷面的落潮含沙量也明顯下降[3]。

圖2 長江口徐六涇水文斷面形態(tài)與測驗設(shè)施布置

2 測驗儀器與方法

2.1 測驗儀器

在潮流量測驗中,所采用的測量儀器一般可分為轉(zhuǎn)子式和非轉(zhuǎn)子式兩大類[4-6]。

(1)轉(zhuǎn)子式流速流向儀是根據(jù)水流對儀器轉(zhuǎn)子的動量傳遞而工作。1961年,在仿制和改進(jìn)的基礎(chǔ)上,我國定型生產(chǎn)了LS68型旋杯式流速儀以及后期研制的LS78型和LS45型兩款旋杯式流速儀,這3種儀器主要適用于中、低流速環(huán)境。1983年以后,我國又先后研制出了能夠適應(yīng)高流速、高含沙量的LS25-3型系列旋槳式流速儀和ZSX-1型、ZSX-2型流速流向儀。

(2)非轉(zhuǎn)子式流速儀包括時差法超聲波流速儀、電波流速儀、超聲波多普勒流速儀、聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)等。①時差法超聲波流速儀的自動化程度較高,既可重復(fù)快速測量、取平均,以消除偶然誤差,也能方便地判斷正逆流,適用于潮汐河段的流量測驗;然而該儀器的測量精度不高,在較高流速和較高含沙量水流中的傳導(dǎo)性不好,只適用于中速和低含沙量的河流。②電波流速儀適用于巡測、橋測,也可代替浮標(biāo)測流,是高洪測驗的一種方式;但因其低速測量性能不佳,且僅能測到水流的表面流速,故不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的流速儀。③超聲波多普勒流速儀LSW-1為我國20世紀(jì)90年代研制的成型產(chǎn)品,其測速范圍大,測量速度快,探頭無運動部件,可長期自記測流,適用于潮汐河流;然而由于該儀器尚屬于點流速儀,信號為有線傳輸,只能固定安裝,因此限制了該儀器的推廣應(yīng)用范圍。④聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)為流速、流量測驗儀器的集大成者,與上述儀器相比,具有測驗范圍更廣,收集信息更豐富,安裝更靈活等諸多優(yōu)勢,目前正逐漸成為大江大河與海洋水文情勢調(diào)查的利器。

2.2 測驗方法

常規(guī)的流量測驗方法有浮標(biāo)法、水文纜道、船測、橋測等。浮標(biāo)法測流較為簡單,適用于小型河流。水文纜道法是我國中小型水文站普遍采用的一種流量測驗方法,長江水利委員會水文局中游局研制的EKZ-1型纜道智能控制系統(tǒng),集測、控、算于一體,代表我國纜道測驗的最高技術(shù)成就。橋測為在無基本水文情勢設(shè)施條件下的一種主要巡測方式。

長江口地區(qū)因江面寬闊、風(fēng)大浪高、水上交通繁忙、大橋凈空高等原因,致使浮標(biāo)、纜道與橋測方式均不適用。因此,在這種情況下,傳統(tǒng)的水文測驗?zāi)Ｊ街械拇瑴y就成為唯一切實可行的長江口地區(qū)潮流量的測驗方法。

長江口潮流量的測驗一般是施測少數(shù)幾個具有代表性的潮流期,如每月的大潮、中潮和小潮,從而來掌握部分潮流要素月、年的變化規(guī)律。對斷面流速、流向的施測一般是采用:①多船同時測流法;②一船多線法;③代表線法等。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精簡分析,找出若干條代表線,分析并建立其與多點多線測驗(精測法)的斷面平均流速的關(guān)系。

3.1 廠家長期提供配件或技術(shù)，與當(dāng)?shù)鼐S修網(wǎng)點就定點維修及“三包”售后服務(wù)達(dá)成代理協(xié)議，三級網(wǎng)點逐步向二級以上綜合維修網(wǎng)點發(fā)展，向?qū)I(yè)技術(shù)含量高、專業(yè)性強的方向發(fā)展，向農(nóng)機4S店方向發(fā)展，形成產(chǎn)、銷、修結(jié)合服務(wù)一體化。

3 測驗歷史

3.1 徐六涇水文站建站始末

經(jīng)過長期的自然演變,結(jié)合護(hù)岸保灘和灘涂圈圍工程的實施,目前長江口河道寬度已大幅度縮窄,岸線崩退得到了初步控制,總體河勢正逐步向相對穩(wěn)定的方向發(fā)展。但由于長江口河道仍較寬闊、水下暗沙眾多、水流動力條件復(fù)雜、河道沖淤多變等,嚴(yán)重地制約了河口地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,因此必須進(jìn)行綜合治理[7]。

水文是河道治理和水資源開發(fā)的耳目。1973年12月,長江流域規(guī)劃辦公室(簡稱長辦,現(xiàn)稱長江水利委員會)著手建立長江河口水文監(jiān)測站網(wǎng);1978年,水電部以(78)規(guī)字第44號文批復(fù)長辦可在河口段開展觀測研究工作;1979年年底,建立長江河口實驗站(現(xiàn)長江口水文水資源勘測局),自此,長江河口水文觀測研究工作得到逐步開展。徐六涇水文站位于江蘇省常熟市碧溪鎮(zhèn),1953年12月27日設(shè)立,1961年3月停測,1981年9月11日由長辦恢復(fù)為潮位站,1984年1月2日升為水文站,觀測至今。

3.2 測驗歷史

為推求長江口的潮流量和潮量,建立徐六涇水文站以后,長江水利委員會水文局在潮流量的測驗和資料整編方面進(jìn)行了實驗研究和比較分析。1983～1984年,共進(jìn)行了98次單次流量比測;1983～1987年,共進(jìn)行了6次全潮測驗。采用的測驗方法計有以下幾種。

(1)多船組錨定法。多船組錨定法即在測驗斷面上選定的位置處錨定測船,選取大、中、小3個代表潮,每潮各垂線采用ZSX-2型流速流向儀,同步施測28 h左右以獲取流速、流向、水流泥沙量方面的資料。這種方法因水面寬布置的測線較多,因而需租借多艘測船,且需要投入大量的人力、物力和財力,因此只能將其作為臨時性的水文調(diào)查方法,而不能成為長江口潮流量測驗的常態(tài)方法。

(2)代表線法。根據(jù)1987年開展的4次多船組錨定法全潮測驗的資料,采用多元線性回歸方法,推求不同代表線組合形式的斷面平均流速。在1988～1991年的潮流量測驗中,所采用的代表線法進(jìn)行潮流量的測驗取得了一定的成果。但該方法依然存在耗資大、成本高、風(fēng)險大的缺點。

(3)DCY型動船儀測流法。1983～1987年,在徐六涇斷面利用DCY型動船儀測流法進(jìn)行潮流量的測驗,測速儀由常規(guī)的旋槳式流速儀改制,并將其安裝在懸桿上。該方法具有測驗設(shè)備簡單、測驗歷時短,并具有能夠連續(xù)施測的特點,但因為該方法的測驗精度存在著一定的誤差,儀器沒有定型產(chǎn)品,使用過程中故障較多等原因,而未能得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

(4)遙測平臺。1992年8月,徐六涇水文站2號平臺土建工程竣工,并于1995年3月完成了遙測系統(tǒng)的安裝工作。施測時采用的是南京水利水文自動化研究所生產(chǎn)的非機械式LSW-1A型多普勒流速流向儀,經(jīng)與懸掛于同一深度的轉(zhuǎn)子式流速流向儀比測結(jié)果相比,發(fā)現(xiàn)該儀器流速偏小,流向不穩(wěn)定。長江水利委員會水文局科研所對原方案進(jìn)行了調(diào)整,對多普勒接收機進(jìn)行了細(xì)調(diào),以提高其靈敏度。此后再一次比測表明,大流速流向穩(wěn)定的情況下誤差較小,而憩流附近由于水流條件紊亂,比測效果欠佳。后經(jīng)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)由于儀器一次儀表是采用深桿和懸索方式安裝,易受水草及漂浮物的纏繞,因而導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。經(jīng)過1 a的試運行后,因為測驗的精度、安裝維護(hù)不便等原因,儀器損毀后就再未在2號平臺上安裝。

4 測驗現(xiàn)狀

機械式流速流向儀雖然有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握等諸多優(yōu)點,然而其不能自動測量和存儲的缺點使測驗自動化無從實現(xiàn)。因此,采用一種穩(wěn)定的、受水生物影響小、能自動長期記錄的流速流向儀,一直是長江口潮流量測驗的終極目標(biāo)。1986年7月,原水電部水文局在江蘇省太倉市瀏河鎮(zhèn)召開的“1986～1990年長江口水文實驗站發(fā)展規(guī)劃”審查會上,確定了長江口徐六涇水文站潮流測驗的方向:引進(jìn)聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP),施測全斷面潮流量,并建立2條代表線,施測流速、含沙量,據(jù)此建立線面關(guān)系,準(zhǔn)確掌握長江口入海水量和輸沙量[8-14]。

在水利部水文司的支持下,徐六涇水文站1991年6月引進(jìn)了ADCP,并隨即開展了開發(fā)應(yīng)用攻關(guān)工作,在掌握了儀器性能與應(yīng)用后,與多船組實測流量系列進(jìn)行了對比分析評估。實現(xiàn)ADCP走航式潮流量測驗以后,潮流量的測驗成果能滿足相關(guān)規(guī)范的要求,然而只能將其測驗成果整理成實測潮流量和實測潮量,尚不能滿足逐潮潮量整編的要求,且這種測驗?zāi)Ｊ揭廊皇且詣哟瑸橹?受天氣或經(jīng)費等外部條件的制約,也不可能長期實施。實踐表明,采用ADCP走航測驗潮流量,只是解決了潮流量測驗的技術(shù)問題和提高了其測驗精度而已。

布置在長江口徐六涇水文斷面的測驗儀器及其潮流量的測驗過程介紹如下。

(1)遙測浮標(biāo)由ADCP、GPS、OBS-3A濁度儀、數(shù)據(jù)通信終端、浮標(biāo)自動監(jiān)測終端(SCADA)等組成,采用太陽能浮充蓄電池供電,通過數(shù)字電臺和GPRS傳輸數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)定時開機工作,且自動向中心站報送垂線流速、流向、浮標(biāo)坐標(biāo)、電壓以及OBS-3A位置的水深、濁度、溫度、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù),一旦數(shù)據(jù)采集完畢,儀器設(shè)備即自動處于休眠狀態(tài)。

(2)由于各浮標(biāo)站點離中心站較遠(yuǎn)且高度不足,傳輸時又需經(jīng)過大面積的水域,為確保主信道的暢通,在2號平臺上安裝了中繼站點。測流浮標(biāo)采集的數(shù)據(jù)先通過VHF電臺發(fā)送至該平臺中繼站,再由此轉(zhuǎn)發(fā)到中心站?；閭浞莸耐ㄓ嵎绞酱_保了數(shù)據(jù)接收的通暢,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(3)中心站建立了計算機局域網(wǎng)系統(tǒng)平臺,配備有服務(wù)器和PC機工作站,通過網(wǎng)絡(luò)接收由GPRS發(fā)送來的浮標(biāo)信息,由VHF電臺接收2號平臺轉(zhuǎn)發(fā)來的水情信息,并利用計算機局域網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)平臺和數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)平臺,對實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析、整理,建立水文數(shù)據(jù)庫,通過查詢軟件,即可提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

5 資料整編

流量資料整編的要點在于通過流量與水位或其他相關(guān)因子建立關(guān)系,以實測的水位或其他相關(guān)因子過程來推求流量過程。對于受潮汐影響的河流,特別是長江等大型河流的河口,由于水流往復(fù)流動,水動力條件復(fù)雜,加之以往的測驗手段比較落后,潮流量的整編成果相對粗略,從而導(dǎo)致在河流流量測驗規(guī)范中(GB50179-93),對有關(guān)潮流量的測驗及其整編方面的規(guī)定并不完善。

在過水?dāng)嗝鏋閹缀涡螤罴八鳡顟B(tài)較為復(fù)雜的情況下,用單一垂線作代表線,不論是對于推求斷面的平均流速,還是斷面的流量過程,都是不理想的。這時需要選配組合垂線作為代表線,才有可能使代表線與斷面的平均流速或其流量具有穩(wěn)定的、關(guān)系點集中的線性關(guān)系。徐六涇斷面的潮流量整編研究技術(shù)路線框架見圖3。

圖3 長江口潮流量整編研究技術(shù)路線框架

如圖3所示,潮流量整編包括兩方面的工作:①為驗證代表線與斷面流量的關(guān)系是否在規(guī)范規(guī)定的精度范圍內(nèi),必須進(jìn)行代表線的率定工作;②要對浮標(biāo)及平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計算,得到潮流量的過程,進(jìn)而整編出月、年統(tǒng)計值。徐六涇斷面的研究結(jié)果表明:

(1)雙組合線雖然優(yōu)于單代表垂線,但精度不理想,可選作流量雙組合代表線的依次為:2號浮標(biāo)+4號浮標(biāo);2號浮標(biāo) +3號浮標(biāo)。

(2)三組合線作為徐六涇斷面中泓部分流量代表線,可以達(dá)到符合規(guī)范規(guī)定的精度,可選作流量三組合代表線的垂線為:2號浮標(biāo) +3號浮標(biāo) +2號平臺;2號浮標(biāo) +4號浮標(biāo) +2號平臺。

(3)四組合線作為徐六涇斷面中泓部分流量代表線,可以較好地滿足規(guī)范規(guī)定的精度?？蛇x作流量四組合代表線的垂線為:2號浮標(biāo) +3號浮標(biāo) +4號浮標(biāo) +2號平臺。

當(dāng)4個組合代表線中有1個或2個代表線由于某種原因而使數(shù)據(jù)不完整時,雙組合線和三組合線將作為特殊情況下的備用定線方案,從而保證流量過程的完整。

為檢驗通過關(guān)系曲線線性回歸得到的推流公式的適用性與時效性,分別于每年的2月、7月、10月開展徐六涇斷面潮流量的比測工作。將整個測流斷面分為6個子斷面,采用5臺ADCP進(jìn)行大、中、小3個代表潮的同步測驗,將實測值和計算值進(jìn)行符號檢驗、適線檢驗以及偏離數(shù)值檢驗,判斷推流公式應(yīng)用的時間段,并在關(guān)系曲線發(fā)生變化時,根據(jù)規(guī)范要求判斷是合并定線還是采用過渡曲線,再根據(jù)關(guān)系曲線(推流公式)計算出每個小時的潮流量,并編制成逐時潮流量成果表。

6 結(jié) 語

長江口屬海陸雙向性河口,潮流、徑流強勁,水沙運動不但會受到上游來水量和來沙量變化的影響,而且還會隨潮汐、潮流、波浪等自然因素發(fā)生周期性的變化,兼之臺風(fēng)、寒潮等惡劣天氣較多,導(dǎo)致長江口潮流量的測驗十分困難。實踐經(jīng)驗表明,采用常規(guī)的測驗儀器與方法,無法保證長期、連續(xù)、穩(wěn)定地收集長江口潮流等水情資料。在應(yīng)用聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADCP之后,通過研究和實踐,確定了代表線的位置,建設(shè)了平臺和浮標(biāo)遙測系統(tǒng),建立了現(xiàn)代化的徐六涇水文站,解決了長江入?？诔绷髁繉崟r監(jiān)測和潮量資料整編的難題,為大江大河入海河口的治理開發(fā)提供了成功案例。

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P332.4;P337

A

1006-0081(2011)10-0009-05

2011-06-16

錢 峰,男,長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局,工程師。