长江口潮流量测验的历史与现状

2011-09-05郭忠良唐敏炯

水利水电快报 2011年10期

关键词：长江口浮标测验

钱峰郭忠良徐浒唐敏炯

(长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局,上海 200136)

长江口潮流量测验的历史与现状

钱峰郭忠良徐浒唐敏炯

(长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局,上海 200136)

回顾了长江口潮流量测验的历史,指明常规的测验仪器与方法无法保证长期、连续、稳定地收集长江口基础水情资料,潮流量整编更无从谈起。在应用新一代声学多普勒流速剖面仪ADCP后,通过研究和实践,确定了代表线的位置,建立了平台和浮标潮流量遥测系统,解决了长江入海口潮流量实时监测和潮流量资料整编的难题,获得了2005～2010年潮流量整编成果,取得了显著的经济效益和社会效益,体现了“科技是第一生产力”的深刻内涵。

流量测验;潮流量;流量整编;长江口

1 测验河段概况

1.1 地理位置

长江入海段流经江苏省的无锡、泰州、苏州、南通等4市以及上海市,总体呈三级分汊、四口入海的河势格局,见图1。上段为澄通河段,上起江阴鹅鼻嘴,下至徐六泾,河道全长约96.8 km,由福姜沙汊道段、如皋沙群段及通州沙汊道段组成;徐六泾以下至口外50号灯标处,长约181.8 km,平面呈扇形。崇明岛在此将长江分为南支和北支,南支在吴淞口以下被长兴、横沙等岛分为南港和北港,南港又由九段沙分为南槽和北槽。

长江口宽阔的江面、海陆双向的潮流,造就了复杂的水流动力条件,人类在认识和掌握长江口河床演变规律和特点,探讨发展趋势,以及开展长江口地区的综合开发治理时,迫切需要了解其水文泥沙运动特性。因此,长江口潮流量与输沙率的测验,就显得尤为重要。

图1 长江口河势

1.2 潮流河段的水文现象

潮汐在大洋生成后,潮波沿着入海河道溯流而上,由于河道向上游逐渐变窄,水深变浅,阻力增加,以及径流压迫等,潮流上溯速度逐渐减小,愈向上游,潮差愈小,涨潮历时愈短;到一定地段后,当上溯潮水流速与下泄径流流速相抵时,潮水停止倒灌,此为潮流界。但此时河口仍有壅高现象,潮波继续上溯,当波能不断消耗直至波幅为零的区段时,即为潮区界,此处的水位不再受潮汐的影响[1,2]。

在不同的季节,长江口的潮流界和潮区界的位置亦不同。洪水期遇小潮汛时,径流作用强,潮流界和潮区界的位置均下移;枯水期遇大潮汛时,径流作用较弱,潮流界和潮区界的位置则会大幅度地上移。实测资料表明,在枯水期(此时大通流量为10 000～20 000 m3/s),潮流界的位置在南京长江大桥以上至苏皖交界附近;在平水期(大通流量在30 000 m3/s左右时),潮流界的位置在镇江至南京一线;在洪水期(大通流量在40 000 m3/s以上时),潮流界的位置一般在江阴附近;而在汛期的小潮时段,潮流界的位置则退至徐六泾附近。

长江口潮流呈往复流态,在涨落潮交替时,水流会转换方向,且在一个较短的时间内潮水会停止流动,将其称为憩流。潮流与水位的涨落一般不同步,在潮汐低潮后,水位已上涨,但水流依然流向口外,即涨潮落潮流;水位继续上涨,水流开始流向上游,即涨潮涨潮流;涨潮至高潮后,水位开始下降,但水流依然流向上游,即落潮涨潮流;以后水位继续下降,水流开始流向口外,即落潮落潮流。潮汐河段水流的这种复杂运动,使其水文情势比非潮河段要复杂得多,其潮流量的测验方式和整编技术也比非潮河段要困难得多。

1.3 测验断面与水文要素

如图2所示,徐六泾水文断面呈不对称的“W”型,宽5.82 km,主槽宽约 2.35 km,主深槽偏右岸,最深点达-48.0 m(吴淞基面,以下同)。左滩宽约2.0 km,其中新通海沙宽约1.3～1.4 km,沙体与北岸之间有新通海沙夹槽,夹槽-5.0 m,等高线宽约0.3 km。右滩宽约1.2 km,水深较左滩深,是白茆小沙夹槽的进口上端。

长江口河段潮汐性质为非正规浅海半日潮类型,徐六泾水文断面处于洪水期潮流界以下,径流、潮流均强劲。断面主槽以南,底质为淤泥质亚粘土,抗冲击性较强;主槽以北为粉砂,易起动。20世纪90年代以前,徐六泾断面的涨落潮含沙量均较高,2003年以后,随着上游来沙量的大幅度降低,徐六泾断面的落潮含沙量也明显下降[3]。

图2 长江口徐六泾水文断面形态与测验设施布置

2 测验仪器与方法

2.1 测验仪器

在潮流量测验中,所采用的测量仪器一般可分为转子式和非转子式两大类[4-6]。

(1)转子式流速流向仪是根据水流对仪器转子的动量传递而工作。1961年,在仿制和改进的基础上,我国定型生产了LS68型旋杯式流速仪以及后期研制的LS78型和LS45型两款旋杯式流速仪,这3种仪器主要适用于中、低流速环境。1983年以后,我国又先后研制出了能够适应高流速、高含沙量的LS25-3型系列旋桨式流速仪和ZSX-1型、ZSX-2型流速流向仪。

(2)非转子式流速仪包括时差法超声波流速仪、电波流速仪、超声波多普勒流速仪、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)等。①时差法超声波流速仪的自动化程度较高,既可重复快速测量、取平均,以消除偶然误差,也能方便地判断正逆流,适用于潮汐河段的流量测验;然而该仪器的测量精度不高,在较高流速和较高含沙量水流中的传导性不好,只适用于中速和低含沙量的河流。②电波流速仪适用于巡测、桥测,也可代替浮标测流,是高洪测验的一种方式;但因其低速测量性能不佳,且仅能测到水流的表面流速,故不能代替传统的流速仪。③超声波多普勒流速仪LSW-1为我国20世纪90年代研制的成型产品,其测速范围大,测量速度快,探头无运动部件,可长期自记测流,适用于潮汐河流;然而由于该仪器尚属于点流速仪,信号为有线传输,只能固定安装,因此限制了该仪器的推广应用范围。④声学多普勒流速剖面仪(ADCP)为流速、流量测验仪器的集大成者,与上述仪器相比,具有测验范围更广,收集信息更丰富,安装更灵活等诸多优势,目前正逐渐成为大江大河与海洋水文情势调查的利器。

2.2 测验方法

常规的流量测验方法有浮标法、水文缆道、船测、桥测等。浮标法测流较为简单,适用于小型河流。水文缆道法是我国中小型水文站普遍采用的一种流量测验方法,长江水利委员会水文局中游局研制的EKZ-1型缆道智能控制系统,集测、控、算于一体,代表我国缆道测验的最高技术成就。桥测为在无基本水文情势设施条件下的一种主要巡测方式。

长江口地区因江面宽阔、风大浪高、水上交通繁忙、大桥净空高等原因,致使浮标、缆道与桥测方式均不适用。因此,在这种情况下,传统的水文测验模式中的船测就成为唯一切实可行的长江口地区潮流量的测验方法。

长江口潮流量的测验一般是施测少数几个具有代表性的潮流期,如每月的大潮、中潮和小潮,从而来掌握部分潮流要素月、年的变化规律。对断面流速、流向的施测一般是采用:①多船同时测流法;②一船多线法;③代表线法等。在此基础上进行精简分析,找出若干条代表线,分析并建立其与多点多线测验(精测法)的断面平均流速的关系。

3.1 厂家长期提供配件或技术，与当地维修网点就定点维修及“三包”售后服务达成代理协议，三级网点逐步向二级以上综合维修网点发展，向专业技术含量高、专业性强的方向发展，向农机4S店方向发展，形成产、销、修结合服务一体化。

3 测验历史

3.1 徐六泾水文站建站始末

经过长期的自然演变,结合护岸保滩和滩涂圈围工程的实施,目前长江口河道宽度已大幅度缩窄,岸线崩退得到了初步控制,总体河势正逐步向相对稳定的方向发展。但由于长江口河道仍较宽阔、水下暗沙众多、水流动力条件复杂、河道冲淤多变等,严重地制约了河口地区社会经济的发展,因此必须进行综合治理[7]。

水文是河道治理和水资源开发的耳目。1973年12月,长江流域规划办公室(简称长办,现称长江水利委员会)着手建立长江河口水文监测站网;1978年,水电部以(78)规字第44号文批复长办可在河口段开展观测研究工作;1979年年底,建立长江河口实验站(现长江口水文水资源勘测局),自此,长江河口水文观测研究工作得到逐步开展。徐六泾水文站位于江苏省常熟市碧溪镇,1953年12月27日设立,1961年3月停测,1981年9月11日由长办恢复为潮位站,1984年1月2日升为水文站,观测至今。

3.2 测验历史

为推求长江口的潮流量和潮量,建立徐六泾水文站以后,长江水利委员会水文局在潮流量的测验和资料整编方面进行了实验研究和比较分析。1983～1984年,共进行了98次单次流量比测;1983～1987年,共进行了6次全潮测验。采用的测验方法计有以下几种。

(1)多船组锚定法。多船组锚定法即在测验断面上选定的位置处锚定测船,选取大、中、小3个代表潮,每潮各垂线采用ZSX-2型流速流向仪,同步施测28 h左右以获取流速、流向、水流泥沙量方面的资料。这种方法因水面宽布置的测线较多,因而需租借多艘测船,且需要投入大量的人力、物力和财力,因此只能将其作为临时性的水文调查方法,而不能成为长江口潮流量测验的常态方法。

(2)代表线法。根据1987年开展的4次多船组锚定法全潮测验的资料,采用多元线性回归方法,推求不同代表线组合形式的断面平均流速。在1988～1991年的潮流量测验中,所采用的代表线法进行潮流量的测验取得了一定的成果。但该方法依然存在耗资大、成本高、风险大的缺点。

(3)DCY型动船仪测流法。1983～1987年,在徐六泾断面利用DCY型动船仪测流法进行潮流量的测验,测速仪由常规的旋桨式流速仪改制,并将其安装在悬杆上。该方法具有测验设备简单、测验历时短,并具有能够连续施测的特点,但因为该方法的测验精度存在着一定的误差,仪器没有定型产品,使用过程中故障较多等原因,而未能得到进一步推广应用。

(4)遥测平台。1992年8月,徐六泾水文站2号平台土建工程竣工,并于1995年3月完成了遥测系统的安装工作。施测时采用的是南京水利水文自动化研究所生产的非机械式LSW-1A型多普勒流速流向仪,经与悬挂于同一深度的转子式流速流向仪比测结果相比,发现该仪器流速偏小,流向不稳定。长江水利委员会水文局科研所对原方案进行了调整,对多普勒接收机进行了细调,以提高其灵敏度。此后再一次比测表明,大流速流向稳定的情况下误差较小,而憩流附近由于水流条件紊乱,比测效果欠佳。后经调查,发现由于仪器一次仪表是采用深杆和悬索方式安装,易受水草及漂浮物的缠绕,因而导致数据异常。经过1 a的试运行后,因为测验的精度、安装维护不便等原因,仪器损毁后就再未在2号平台上安装。

4 测验现状

机械式流速流向仪虽然有准确、稳定、结构简单、易于掌握等诸多优点,然而其不能自动测量和存储的缺点使测验自动化无从实现。因此,采用一种稳定的、受水生物影响小、能自动长期记录的流速流向仪,一直是长江口潮流量测验的终极目标。1986年7月,原水电部水文局在江苏省太仓市浏河镇召开的“1986～1990年长江口水文实验站发展规划”审查会上,确定了长江口徐六泾水文站潮流测验的方向:引进声学多普勒流速剖面仪(ADCP),施测全断面潮流量,并建立2条代表线,施测流速、含沙量,据此建立线面关系,准确掌握长江口入海水量和输沙量[8-14]。

在水利部水文司的支持下,徐六泾水文站1991年6月引进了ADCP,并随即开展了开发应用攻关工作,在掌握了仪器性能与应用后,与多船组实测流量系列进行了对比分析评估。实现ADCP走航式潮流量测验以后,潮流量的测验成果能满足相关规范的要求,然而只能将其测验成果整理成实测潮流量和实测潮量,尚不能满足逐潮潮量整编的要求,且这种测验模式依然是以动船为主,受天气或经费等外部条件的制约,也不可能长期实施。实践表明,采用ADCP走航测验潮流量,只是解决了潮流量测验的技术问题和提高了其测验精度而已。

布置在长江口徐六泾水文断面的测验仪器及其潮流量的测验过程介绍如下。

(1)遥测浮标由ADCP、GPS、OBS-3A浊度仪、数据通信终端、浮标自动监测终端(SCADA)等组成,采用太阳能浮充蓄电池供电,通过数字电台和GPRS传输数据。整个系统定时开机工作,且自动向中心站报送垂线流速、流向、浮标坐标、电压以及OBS-3A位置的水深、浊度、温度、电导率等数据,一旦数据采集完毕,仪器设备即自动处于休眠状态。

(2)由于各浮标站点离中心站较远且高度不足,传输时又需经过大面积的水域,为确保主信道的畅通,在2号平台上安装了中继站点。测流浮标采集的数据先通过VHF电台发送至该平台中继站,再由此转发到中心站。互为备份的通讯方式确保了数据接收的通畅,提高了数据传输的可靠性。

(3)中心站建立了计算机局域网系统平台,配备有服务器和PC机工作站,通过网络接收由GPRS发送来的浮标信息,由VHF电台接收2号平台转发来的水情信息,并利用计算机局域网络的系统平台和数据库网络的系统平台,对实时数据库进行分析、整理,建立水文数据库,通过查询软件,即可提供网络服务。

5 资料整编

流量资料整编的要点在于通过流量与水位或其他相关因子建立关系,以实测的水位或其他相关因子过程来推求流量过程。对于受潮汐影响的河流,特别是长江等大型河流的河口,由于水流往复流动,水动力条件复杂,加之以往的测验手段比较落后,潮流量的整编成果相对粗略,从而导致在河流流量测验规范中(GB50179-93),对有关潮流量的测验及其整编方面的规定并不完善。

在过水断面为几何形状及水流状态较为复杂的情况下,用单一垂线作代表线,不论是对于推求断面的平均流速,还是断面的流量过程,都是不理想的。这时需要选配组合垂线作为代表线,才有可能使代表线与断面的平均流速或其流量具有稳定的、关系点集中的线性关系。徐六泾断面的潮流量整编研究技术路线框架见图3。

图3 长江口潮流量整编研究技术路线框架

如图3所示,潮流量整编包括两方面的工作:①为验证代表线与断面流量的关系是否在规范规定的精度范围内,必须进行代表线的率定工作;②要对浮标及平台的数据进行整理计算,得到潮流量的过程,进而整编出月、年统计值。徐六泾断面的研究结果表明:

(1)双组合线虽然优于单代表垂线,但精度不理想,可选作流量双组合代表线的依次为:2号浮标+4号浮标;2号浮标 +3号浮标。

(2)三组合线作为徐六泾断面中泓部分流量代表线,可以达到符合规范规定的精度,可选作流量三组合代表线的垂线为:2号浮标 +3号浮标 +2号平台;2号浮标 +4号浮标 +2号平台。

(3)四组合线作为徐六泾断面中泓部分流量代表线,可以较好地满足规范规定的精度。可选作流量四组合代表线的垂线为:2号浮标 +3号浮标 +4号浮标 +2号平台。

当4个组合代表线中有1个或2个代表线由于某种原因而使数据不完整时,双组合线和三组合线将作为特殊情况下的备用定线方案,从而保证流量过程的完整。

为检验通过关系曲线线性回归得到的推流公式的适用性与时效性,分别于每年的2月、7月、10月开展徐六泾断面潮流量的比测工作。将整个测流断面分为6个子断面,采用5台ADCP进行大、中、小3个代表潮的同步测验,将实测值和计算值进行符号检验、适线检验以及偏离数值检验,判断推流公式应用的时间段,并在关系曲线发生变化时,根据规范要求判断是合并定线还是采用过渡曲线,再根据关系曲线(推流公式)计算出每个小时的潮流量,并编制成逐时潮流量成果表。

6 结语

长江口属海陆双向性河口,潮流、径流强劲,水沙运动不但会受到上游来水量和来沙量变化的影响,而且还会随潮汐、潮流、波浪等自然因素发生周期性的变化,兼之台风、寒潮等恶劣天气较多,导致长江口潮流量的测验十分困难。实践经验表明,采用常规的测验仪器与方法,无法保证长期、连续、稳定地收集长江口潮流等水情资料。在应用声学多普勒流速剖面仪ADCP之后,通过研究和实践,确定了代表线的位置,建设了平台和浮标遥测系统,建立了现代化的徐六泾水文站,解决了长江入海口潮流量实时监测和潮量资料整编的难题,为大江大河入海河口的治理开发提供了成功案例。

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