一种新型井外水尺在沿海验潮站的应用

林 航

（福建省海洋预报台，福建 福州 350003）

一种新型井外水尺在沿海验潮站的应用

林 航

（福建省海洋预报台，福建 福州 350003）

井外水尺是验潮站潮位观测的重要基础设施，是验潮站不可缺少的组成部分，它被认为是最准确的潮位测量设备，可用于验潮站水位计的校核使用，也可用于判断验潮井是否堵塞。常规设置的井外水尺方式经常受自然环境及人为因素等影响，造成水尺容易损坏及使用寿命短，对验潮站运行管理工作造成一定影响。针对井外水尺存在的这些问题，创新设计一种新型井外水尺，从该井外水尺的材料、设计及安装等方面提出这些问题的处理措施，解决了井外水尺存在的易腐蚀、易损坏，使用寿命短及维护工作量大等问题，满足了验潮站业务化运行需要，具有良好推广效用。

新型；井外水尺；验潮站

潮汐测量在验潮站中是最重要的观测要素之一。潮汐测量手段很多，主要包括水尺验潮、浮子式验潮仪、引压力钟式验潮仪、声学式验潮仪、压力式验潮仪及GPS验潮等[1]。

我国现有沿海验潮站采用的验潮设备大部分都为水尺验潮及浮子式验潮仪。其中大多数水尺验潮采用一根镀锌管作为井外水尺尺柱，在尺柱上固定水位尺。笔者管理的验潮站井外水尺在2 a年多运行过程中，发现该井外水尺（含水尺尺柱及水位尺）大部分都损坏，损坏的原因有海水腐蚀、船只碰撞、漂浮物碰撞、人为破坏（如拴船、固定渔网）及台风影响等，对验潮站观测工作造成一定影响。考虑到井外水尺作为验潮站的重要基础设施，务必对损坏的井外水尺进行重新安装，经过考察各沿海海洋站及咨询有经验渔民，最终确定井外水尺设计方案并实施。

井外水尺的重要性在《海滨观测规范》也已明确提出。规范规定“水尺零点一经确定，不得轻易变动”。水尺零点指井外水尺零点，所谓不轻易变动,是指水尺零点至基本水准点的高差不变,还可以说水尺零点在基本水准点下的距离不变,而不是水尺零点的高程不变,因为地壳在缓慢地运动着,陆地上的基本水准点也会伴随着地壳运动而升降,水尺零点高程也就同步升降[2]。

井外水尺几乎不能称为仪器[3],但它被认为是最准确的潮位测量设备,可用于判断验潮井是否堵塞，同时也可在其上标示沿海警戒潮位核定值，提高沿海群众防灾意识。

所有验潮站水位计都用井外水尺来校核，规范还规定井内、井外水尺每月必须做一次校核。据了解以前有些验潮站长时间不安装井外水尺，或即使有井外水尺也不以它为准，从而出现潮位数据发生错误的情况。为此，井外水尺作为验潮站的观测辅助设施，必须确保安装使用的可靠及稳定，并按规范要求开展水尺校核和水尺零点水准测量等工作。

1 井外水尺现状

《海滨观测规范》规定井外水尺要求用不易形变、耐腐蚀的材料制成。木质水尺一般采用杉木或其他坚硬木材制成；搪瓷水尺一般采用木螺丝固定在木质尺柱上。刻度应清晰，不易附着海洋生物及便于清洗、维护、更换[4]。

井外水尺安装在参考规范的基础上，笔者考察过很多海洋站，发现目前主要有3种方式，第一种采用1根镀锌管作为尺柱（大部分站点采用这种方式），尺柱打入海底，尺柱中部焊接在验潮站水上墩台，尺柱顶焊接在验潮室主体，或者整根尺柱焊接固定在验潮站引桥桩上。通常这根镀锌管尺柱由几段镀锌管通过扁钢或钢筋焊接在一起，同时水位尺利用螺丝固定在尺柱上。第二种方式预制直径为15 cm左右的水泥桩作为尺柱，尺柱打入海底，尺柱顶也焊接在验潮室主体，水位尺通过管窟固定在尺柱上。第三种方式采用3根镀锌管中间通过钢板焊接构成一个整体，3根镀锌管按三角形排列，每根镀锌管也由几段镀锌管焊接而成。整个镀锌管钢构底部打入海底，上部焊接在验潮室主体或引桥上，水位尺再固定在其中一根镀锌管表面。

图1 尺柱中部断落

图2 尺柱腐蚀断裂、水位尺变形

这3种井外水尺存在易腐蚀、易被人为等外在因素破坏、定期保养维护难及不易施工等问题。其中第一种方式主要问题有水位尺腐蚀变形、尺柱腐蚀断落（见图1～图2）、镀锌管之间焊接处腐蚀断裂、漂浮物碰撞、渔船碰撞及系船拉裂、尺柱与验潮站连接处腐蚀断裂等；第二种方式主要问题是必须在验潮站建设时一并设置，对已建好的验潮站并不适合，同时由于水泥尺柱采用预制方式，并通过钢筋与主体连接在一起，为此，水尺尺柱与主体的连接处必须处理好，否则钢筋腐蚀后更容易脱落也存在安全隐患；第三种方式同样存在焊接处与连接处易腐蚀断裂、镀锌管易腐蚀及需要定期除锈油漆维护等问题。

2 新型井外水尺设计安装

在通过多方考察及了解后，决定采用新的材质及设置方案对验潮站井外水尺进行设计安装。

2.1 新型井外水尺的材质

新型井外水尺尺柱采用玻璃钢和PPR材质，水位尺、连接管窟、膨胀螺钉及螺栓等配件均采用304不锈钢。

玻璃钢称作GRP，即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。玻璃钢具有加工容易，质轻而硬，不锈不烂，不需油漆，机械强度高及耐腐蚀等特点。

玻璃钢是近50多年来发展迅速的一种复合材料。玻璃纤维产量的70%都是用来制造玻璃钢。玻璃钢硬度高，比钢材轻得多。我国已广泛采用玻璃钢制造各种小型汽艇、救生艇、游艇，以及汽车制造业等，同时近几年来沿海渔民也渐渐用玻璃钢材料代替渔业生产中使用的毛竹、镀锌管及木头等材料，据了解一些地方紫菜养殖已用玻璃钢管代替竹竿，使用年限已达6 a以上。

PPR管也称三型聚丙烯管，PPR管具有重量轻、耐腐蚀、韧性好、耐冲击、安装方便及使用寿命长等特点。通过内嵌PPR管加强了玻璃钢水尺柱的强度和韧性，也便于玻璃钢管之间衔接安装。

304 不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。对氧化性酸，在实验中得出：浓度≤65%的沸腾温度以下的硝酸中，304不锈钢具有很强的抗腐蚀性。对碱溶液及大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀能力。

此次采用新型水尺材料具有耐腐蚀、重量轻、强度大、韧性好及易加工等特点，且这三种材料都在实际使用中得到过验证。为此，大大提高了井外水尺的使用寿命，减少了更换及维护管理的工作量及成本。

2.2 新型井外水尺的结构

尺柱采用外径Φ75mm玻璃钢管，壁厚12 mm；内嵌Φ62 mm等长的PPR内管，壁厚16 mm，其中玻璃钢管与PPR管均切割成4 m长度，再根据站点实际高度连接成玻璃钢尺柱。尺柱隔50 cm处用冲击钻钻孔，再通过螺栓固定，保证尺柱的整体性。井外水尺剖面图详见图3。

不锈钢水位尺用管窟固定在尺柱上，管窟与水位尺之间填塞橡皮，以保证水位尺的牢固，每米水位尺使用2个管窟固定，其中管窟高度为20 mm（见图 4～ 图 5）。

图3 井外水尺剖面图

图4 井外水尺尺柱

图5 水位尺固定

2.3 新型井外水尺的施工安装

井外水尺的安装采用阶梯分段式设置（见图6），上半段尺柱用膨胀螺钉及管窟固定在水上墩台的一根主体桩上，下半段尺柱顶部也用同样方式固定在水上墩台，下半截打入海底。井外水尺尺柱安装固定必须铅直，同时通过水平尺测量以确保上半截尺柱底部、水上墩台顶面及下半截尺柱顶在同一高度。

施工中采用小型吊机（2个人即可搬动）跟吊篮结合方式，将吊机安装于站点引桥或验潮室四周走廊，在水上墩台露出水面后即可施工，上半段井外水尺连接装配后即可固定，下半段需要对实际水深进行测量确定尺柱长度后再安装，安装情况见图7～图8。

图6 井外水尺设置示意图

图7 井外水尺安装施工

图8 安装好的井外水尺

2.4 新型井外水尺优点及安装注意事项

本次已完成所有站点的井外水尺安装，根据安装及了解的情况来看，新型井外水尺具有如下优点：

（1）水尺材料的优越性：采用的玻璃钢、PPR管及304材质水位尺（含配件）都具有重量轻、强度好、韧性强、耐腐蚀及不容易变形的特性，大大提高了井外水尺的使用寿命，尺柱部分至少可以确保使用5 a以上，但其中的水位尺面板数字在海水中可能也存在褪色问题，应根据实际使用情况更换水位尺。

（2）尺柱嵌套结构的合理性：玻璃管无法采用常规焊接等工艺进行连接，经考虑采用玻璃钢管内部嵌套同等长度PPR管，每隔50 cm再通过304不锈钢螺栓固定。该嵌套结构保证了尺柱连接的整体性，同时内嵌PPR管也增强了尺柱强度及韧性；克服了原先尺柱采用焊接工艺，导致在海水中焊接部位易腐蚀断裂及镀锌管强度不够等问题。

（3）管材长度的合理性：厂家定制玻璃钢管一般长度为8m，而此次用于安装的管材均切割成4m。主要原因有：①验潮站一般都位于偏远海边，个别站点6 m长货车都到不了现场。4 m的管材即适合运输也便于搬运；②大部分站点上下段尺柱长度基本都在7 m左右，个别站点超过8 m。2根4 m的管材连接就可满足要求，且仅要1个连接处，管材如果再短，导致连接处太多，影响整体结构。

（4）水尺安装设置的合理性：采用阶梯分段式设置，上半段尺柱固定在主体桩上，下半段上半部固定在水上墩台上，下半部打入海底。从而使水尺受力均衡，避免悬空，大大减少了原先悬空井外水尺易受灾害、船只碰撞、漂浮物碰撞以及人为原因破坏等因素的影响，也避免尺柱断裂脱落后存在的安全隐患。

（5）水尺施工过程的合理性：以往水尺施工需要船只配合或利用建站时脚手架施工，同时施工人数要求较多。此次新型水尺施工采用吊机跟吊篮结合方式，在水上墩台露出水面后即可施工，基本3个人在3 h内就可全部完成。任何已建好的验潮站都可以采用该安装工艺，该工艺具有安装便捷、安全及效率高等优点。

安装中注意事项如下：

（1）上半段水位尺尺顶需高出理论最高潮位1m，下半段水位尺尺底需低于理论最低潮位0.5～1m。

（2）两段水尺柱安装都需要铅直、牢固和观测方便。

（3）水位尺之间连接不能有空隙，用于固定水位尺及固定水尺尺柱的管窟不能将水位尺上数字遮住。

（4）施工时，可将下半段尺柱底部削尖，便于尺柱打入海底；尽量选择大潮水施工，增加水上施工时间。

（5）尺柱安装位置处海蛎等海洋生物必须要清理干净。必须确保上半段尺柱底部、水上墩台顶面及下半段尺柱顶部位于同一水平高度。

3 新型井外水尺使用与校验

由于新安装的井外水尺零点很难与原先确定的水尺零点一致，为保证水尺零点在基本水准点下的高差不变，正确的做法是：将新水尺实际零点与原水尺零点对比，并将差值记录，此时潮汐的记录零点不要变，只记住这个差值就可以了。就是说，如果新水尺零点安装得偏高，则读取水尺读数加上差值即为原水尺读数，反之，则减去差值。这个概念要使每个观测员在校对井内外水尺读数时都懂得。井内水尺和验潮仪的记录零点，必须保持在原水尺零点上[2]。

此次，改造的14个验潮站井外水尺都按以上方式进行设置，并经过了近半年的数据校核验证，结果完全符合规范及使用要求。以诏安赤石验潮站为例，新型井外水尺安装完毕后，我们委托测绘部门按规范要求对新装的井外水尺零点重新进行水准测量，测得新水尺零点与旧水尺零点差值为92cm。在每月一次的水尺校核比测中，经现场观测员对高中低潮的现场对比观测，新旧水尺观测读数差值也约为92 cm（见表1），水尺观测即是观测者直接观测水尺上的水位高度[5]。通过该站新旧水尺零点差值与读数差值的对比，两者数值基本一致（在1cm范围内），从而也验证了新水尺零点测量的准确及新型水尺安装的稳定可靠。

表1 诏安赤石验潮站新旧水尺观测对比

4 结语

阶梯分段式新型井外水尺在全国沿海验潮站中首次创新使用，该水尺解决了原有井外水尺一直存在的易腐蚀、易损坏、维护工作大、寿命短及不易安装等问题，提高了井外水尺的使用寿命、减少了定期更换井外水尺的工作量和费用，也保障了验潮站工作稳定有序开展。

该新型水尺完全可以取代旧有镀锌管或水泥材质的井外水尺，该水尺安装工艺成熟简单，完全可以适合目前所有验潮站井外水尺改造任务，具有很大的推广意义。

[1]国家海洋局.GB/T14914-2006.海滨观测规范[S].北京：中国标准出版社，2006.

[2]许永伦.水尺零点技术管理评述[J].海洋技术，1992,11（1）：80-82.

[3]阮锐.潮汐测量与验潮技术的发展[J].海洋技术，2001,20（3）：68-71.

[4]王有福，郑伟，牛小军.水位站系列设施正规化规范化建设刍议[J].治黄科技信息，2007（5）14-15.

[5]肖付民,赵江 ,陈日高,等.三种验潮方法水位观测性能比较与统计分析[J].海洋测绘，2009，29（3）：24-27.

Application of a New Type of Well Water Gauge in Coastal Tide Stations

LIN Hang
Fujian Marine Forecasts,Fuzhou 350003,Fujian Province,China

The well water gauge is an important infrastructure for tidal observation and an indispensable part of tide station.It is considered as the most accurate tidal measurement equipment for checking water level gauges and judging whether the tide gauge well is blocked.General installing of well water gauge is often affected by natural environment and human factors,resulting in easy access to damage and shortened service life,which constitutes adverse effects to the operation and management of tide station.Aimed to solve these problems,an innovative design of well water gauge is presented in this paper,so as to put forward a solution to these problems in the aspects of material,design and installation way of well water gauge,resolving a number of problems,like easy access to corrosion and damage,shortened service life and difficulties in maintenance.The new design meets the needs of tide station operation and has good promotion effects.

new type;well water gauge;tide station

P715

B

1003-2029（2014）05-0122-05

2014-05-30

福建省海洋灾害实时监测系统项目资助

林航（1978-），男，工程师，主要从事海洋观测台站建设、运行保障及管理工作。E-mail：LinhangLL@163.com