浮标测流法在龙口流速测量中的应用

刘盾

（天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456）

浮标测流法在龙口流速测量中的应用

刘盾

（天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456）

在连云港港30万t级航道二期工程准备工程龙口流速测量项目中，针对测区现场不利自然条件，选择声学多普勒流速剖面仪(中文简称“阔龙”)进行测量。采用“浮标”的安装方式测量剖面分层流速、流向数据，取得了良好的测量效果。通过对项目测量全过程的描述，总结了阔龙在龙口等大流速区域进行测流的成功经验。

浮标测流法；阔龙；龙口；流速测量

“Aquadopp Profiler”是挪威诺泰克公司生产的浅水型三波束声学多普勒流速剖面仪（中文简称“阔龙”）。“阔龙”应用声学多普勒技术测量水体剖面流速流向。该设备在使用过程中的安装方式多样，可固定在水底、锚系、浮标或其他物体上。它是一个完整的自容式系统，可将数据存储于内部存储器中。“阔龙”系列产品体积小、重量轻，其声学频率包含400K/600K/1M/2MHz等4种，对应的测流最大剖面范围为70/40/25/10 m。

1 阔龙测流的基本原理

阔龙是利用“声学多普勒效应”原理研制而成的测量海流的仪器，是目前观测多层海流剖面的最有效的仪器。其测量原理是根据“多普勒效应”，利用发射和接收的超声波声速（至少三束）测得水体散射的多普勒频移，便可以求得三维流速并且可以转换为地球坐标下的E（东分量），N（北分量）和U（垂直分量）。由于声速在一定水域中，在一定深度范围内的水体中的传播速度基本是不变的，根据由声波发射到接收的时间差，便可以确定深度。利用不断发射的声脉冲，确定一定的发射时间间隔及滞后，通过对多普勒频移的谱宽度的估计运算，便可以得到整个水体剖面逐层段上水体的流速［1］。

2 项目概况

连云港港30万吨级航道二期工程准备工程位于连云港港徐圩港区，规划徐圩港区的东南侧，工程新建围堤总长2 188 m，其中3#围堤长631 m，4#围堤长1 557 m，围堤采用充填袋斜坡堤结构方案，堤顶标高9.0 m。龙口结合纳潮口布置设置于3#围堤上，宽300 m。

由于建设单位提出该区龙口暂缓合龙，时间约为1 a。为确保安全，需对龙口进行必要的加固，而龙口过水保护结构是根据数模流速计算确定的，而流速是关键的设计参数，为经济合理的确定龙口过水保护结构的加固措施，需要测量龙口具体流速。为此，设计单位分别在龙口中心点、垂直龙口方向内外两侧各30 m处布设了三个测点（如图1所示），要求在大潮期进行同步分层流速、流向观测［2］。

测点分层按照《水运工程测量规范》［3］的有关规定采用3点法（即表层、0.6H、底层，H为测点垂线水深），观测时间间隔为0.5 h，观测一涨一落两个潮段，连续观测时间不少于13个小时。

3 现场测量

经现场调查，龙口处最大流速可达8节（相当于4 m/s的强流速）左右，低潮水深仅1 m左右，且水下地形复杂，多有乱石分布，转流时段有部分工程船进出。

3.1 常规技术方案比选

（1）测船定点锚系测流法是水文全潮等周日或短期（10 d左右）测流工作的常用观测方法，本项目只需采用3条测船同步抛锚作业并在船舷安置阔龙进行测流即可，但由于3个测点间距过近，3条测船难以同时排列，且龙口流速过大，船只难以安全锚定；

（2）仪器坐底观测法是短期（10 d左右）、中（一个月）期，甚至持续更长时间［4］测流工作的常用观测方法，本项目也可考虑将阔龙安装在坐底支架上并投放到设计位置上进行自容观测，但由于龙口区域水下地形复杂，难以保证仪器支架的姿态良好，加之有过往船只经过，难以保证仪器安全；

（3）走航测流是内河流量测量和近海断面测流的常用观测方法，本项目也可考虑采用走航测量的方式对3个测点每0.5 h进行一次准同步观测，如采用美国RDI公司的走航式ADCP，该款仪器是专用于测量断面水流速度和方向的声学设备［5］，但由于龙口流速过大，船只顺流时难以控制，逆流时难以通过，此方法难以实施。

由于现场情况复杂，在先后比选了测船定点锚系、仪器坐底观测和走航测流等技术方案后，均难以实施。

3.2 阔龙浮标测流法

阔龙可采用“Mooring line”（锚系）“Fixed structure”（坐底）和“Moving buoy”（浮标）等3种安装方式进行测量，其中锚系和坐底已被各勘测单位在工程中广泛应用。浮标法测流多用于海洋科学调查和海洋环境监测工作，一般以大、中型多要素海洋水文气象综合观测浮标的形式观测（如图2所示），在工程中则很少应用此法测流。

阔龙浮标测流法即将阔龙事先固定在预制的浮标上，浮标可以是特制的专用浮标，也可以是现场制作的简易泡沫浮标（如图3所示），但必须保证其在水面姿态良好，相对稳定。然将设置好的阔龙安置在浮标中心位置，为保证浮标流速下的良好姿态和平衡稳定，在浮标下方增加适当的配重。

3.3 现场实施

在正式测量开始前，先安装1套阔龙浮标投放到龙口处进行平衡性测试，以便调整好配重。测试完成后，按照测试浮标的安装方式准备好另外2套阔龙浮标。在选定的大潮观测日期里，使用渔船携带3套阔龙浮标前往龙口进行观测，为确保安全稳定的锚定，测船在距离龙口50 m处下锚。锚定后，将3套阔龙浮标用绳索连成一串，彼此间距刚好30 m，由尾将3套阔龙浮标释放并调整至设计位置（如图4所示），阔龙将按照事先软件设置的命令每0.5 h自动进行一次剖面流速、流向的观测，观测数据自动保存到仪器内存卡中。转流时，将测船起锚移位至龙口另一侧按同样的方式继续进行观测，直至完成一涨一落两个潮段。

图1 测流点布置示意图Fig.1 Layout of current measurement points

图2 多要素海洋水文气象综合观测浮标Fig.2 Multi-factors of marine hydrometeorological buoy

图3“阔龙浮标”安装过程Fig.3 Installation procedure of Aquadopp Profiler

图4 龙口测流现场Fig.4 Current measurement worksite of closure gap

测量结束后，提取仪器采集的数据，经过专业软件Strom的处理分析，可以看出，代表仪器测量姿态Heading（朝向）、Pitch（倾斜）和Roll（横摇）均处于相对稳定的状态（图5所示），其中Heading；Pith和Roll均不超过±5°；表明仪器姿态良好，可有效保障测量数据的可靠性和精度。同时，经过软件处理输出并计算出V1～V3站的垂线平均流速、流向，对应的流速、流向过程线如图6～8所示，由图中可以看出：龙口水域落潮流向为NW，涨潮流向为SE，落潮流速平均为1.09 m/s，涨潮流速平均为2.08 m/s，落潮流速明显小于涨潮流速，落潮历时亦明显大于涨潮历时。

本期测量风速较小、海况较好，因而制作较为轻便的浮标即可满足现场测量要求；若测区风浪较大，需制作尺寸略大的浮标并增加配重以保证浮标体的平衡状态，同时增加仪器的入水深度，以减小风浪等噪声因素对仪器测量的干扰；在夜间测量时，需在浮标上安装闪灯等警示装置，以保证浮标体的安全。

图5 V3站落潮段仪器姿态Fig.5 Instrument attitude of V3 station during ebb tide

图6 大潮V1站流速流向过程线Fig.6 Current speed&direction curve of V1 station

图7 大潮V2站流速流向过程线Fig.7 Current speed&direction curve of V2 station

图8 大潮V3站流速流向过程线Fig.8 Current speed&direction curve of V3 station

4 技术推广与展望

经过连云港港30万吨级航道二期工程准备工程龙口流速测量项目的实际检验，证明阔龙浮标测流法是可行、可信的。针对一些传统测流方法无法开展的项目，浮标测流法很好的解决了问题，同时其“近盲区”较小的特点更加适合于浅水区测流。继本项目首次采用之后，浮标测流法陆续在国内外若干近海和内河项目中成功应用，取得了良好的测流效果。通过实际工程项目的应用，可以总结出适用于浮标测流法的项目特点：（1）测点密集，采用该法便于看护仪器，保证仪器安全，同时减少租船开支；（2）水下地形复杂，采用坐底式难以保证仪器姿态，采用测船定点锚系测流法不便于安全抛锚定位，采用该法可有效避免以上问题的发生；（3）租用船只不受其材质影响，采用浮标测流法可有效避免铁质船只对仪器磁罗经的干扰；（4）浅水及潮差大的测区，浮标测流法其仪器的吃水深度一般为0.2～0.3 m，远小于传统测流方法的吃水深度，可有效减小仪器盲区的影响。

随着测流工程项目难度的增大和复杂化，以及木质渔船的逐渐淘汰，阔龙浮标测流法在未来的测流项目中拥有广泛的应用前景和发展空间。同时在采用阔龙浮标测流法时也要注意以下几点：1、仪器独立安放于水面，在测量时要加强看护，夜间测量时应配备警示装置（如闪灯）以确保安全；2、预制浮标时应考虑流速、风浪对浮标姿态的影响，确保仪器测流数据质量，建议制作消磁钢架［6］用于安装仪器，如现场制作简易浮标时，在测流前应下水反复试验浮标的姿态，及时调整配重，确保浮标姿态平衡稳定。

［1］侍茂崇，高郭平，鲍献文.海洋调查方法导论［M］.青岛：中国海洋大学出版社，2008.

［2］李双伟.连云港30万吨级航道二期工程准备工程龙口流速测量现场报告［R］.天津：天津水运工程勘察设计院，2015.

［3］JTJ 203-2001，水运工程测量规范［S］.

［4］郭松林.中短期潮流观测及数据处理［J］.水道港口，2013，34（S2）：36.

［5］杨鲲，吴永亭，赵铁虎，等.海岸调查技术及应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2009.

［6］李占桥，吴宝勤，任来平，等.铁质船体对磁罗经海流计流向影响分析［J］.海洋测绘，2012，32（4）：62. LI Z Q，WU B Q，REN L P，et al.Analysis on Flow Direction Influence from Iron Hull to Magnetic-compass Current Meter［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2012，32（4）：62.

Application of floating current measurement method in flow velocity measurement of closure gap

LIU Dun
（Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin300456,China）

Aiming at the unfavorable natural conditions in the measurement water area,Acoustic Doppler Current Profiler(Aquadopp Profiler)was adopted during the flow velocity measurement of closure gap for preparation project of Phase II approach channel for 300 000 dwt ships in Lianyungang port.The moving buoy method was used to measure the current speed and direction in a vertical line,and an excellent effect was obtained.Based on the description of the whole measurement process,the successful experiences of current measurement in high flow velocity region such as closure gap section by Aquadopp Profiler were summarized.

floating current measurement method;Aquadopp Profiler;closure gap;flow velocity measurement

P 229

A

1005-8443（2017）01-0099-04

2016-07-10；

2017-01-03

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金项目（TKS160216）；天津市科技计划创新平台与人才专项（16PTSYJC00190）

刘盾（1982-），男，辽宁铁岭人，工程师，主要从事水运工程测量工作。

Biography：LIU Dun（1982-），male，engineer.