水深测量中自容式验潮仪投放装置的设计

王亚章

摘 要：在近海工程的水深测量中，潮位的观测与控制是必不可少的一项环节，为测量提供参考基准和水位改正。然而，当测量区域面积较大时，沿岸单一验潮站已不能满足水位的控制需要，必须合理布设多潮位站对探测到的水深数据进行多站分带水位改正。由于海上没有其他地物的依附，通常抛投自容式水位计设立海上定点潮位站。用于投放并携带自容式验潮仪的传统重件式支架装置有易丢失、不便打捞、受潮流干扰易翻倒移位、易被泥沙覆盖、滋生海洋生物等缺点，从而导致验潮仪丢失，压力感应零点漂移，压力感应器被堵塞，潮汐数据产生误差。本文设计一种携带自容式验潮仪的投放装置，以减小这些客观因素对潮汐数据精度的影响。

关键词：水深测量;自容式验潮仪;潮位控制

中图分类号：U652.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）26-0047-03

Abstract： In the bathymetric survey of offshore engineering， the observation and control of tide level is an essential link， which provides reference datum and water level correction for measurement. However， when the measurement area is large， the single tide station along the coast can not meet the demand of water level control. Therefore， it is necessary to reasonably arrange multiple tide level stations to correct the water level of the detected water depth data. Since there is no other surface features attached to the sea， the self-contained water level gauge is usually thrown to set up the fixed-point tide station on the sea. The traditional heavy bracket device for putting and carrying self-contained tide gauge has some disadvantages， such as easy to lose， inconvenient to salvage， easy to overturn and shift due to the interference of tidal current， easy to be covered by sediment， and breeding of marine life， which leads to the loss of tide gauge， zero drift of pressure sensor， blockage of pressure sensor， and error of tide data.In order to reduce the influence of these objective factors on the accuracy of tidal data， a self-contained tide gauge was designed in this paper.

Keywords： bathymetry;self-contained tide gauge;tide level control

自容式验潮仪是一种用于测量海洋、湖泊、河流水位的水位计。与水尺法相比，它具有效率高、节省人力、方便携带、可投放于海中央等优点[1-2]。加拿大RBR公司所生产的2050型自容式验潮仪被广泛应用于水深测量的潮汐数据采集中。在茫茫大海中投放验潮仪，由于附近没有地物参考，之后定位打捞比较困难，不便于寻找。如果携带验潮仪的支架在海底受潮流或其他原因翻倒移位，或验潮仪不固定随海流飘动，都会使验潮仪的压力感应零点发生变化，以至于影响所测量的潮位数据。若验潮仪被泥沙覆盖或滋生藻类、贝类等海洋生物，则会堵塞压力感应器，轻则数据受到干扰，重则仪器发生故障。在风浪过大、海流过急的情况下，验潮仪压力面受潮流的影响，会使所测压力值与真实水压产生一定误差。

所以，携带自容式验潮仪的投放装置必须具有以下特点：便于寻找和打捞;稳定，不会随海流移动或翻倒;牢牢固定住验潮仪，不会使其位置发生变化;减弱过急海流对验潮仪附近压力的影响;阻挡泥沙及海洋生物滋生对压力感应器的堵塞[3-5]。

1 自容式验潮仪的工作原理

工作时，自容式验潮仪往往被固定在水下的某一固定深度，通过直接测出验潮仪压力传感器附近的压力值与大气压力值，然后作差，得出当前水深的压力P。水深D和水压P成正比，与重力加速度g和水的密度ρ成反比，人们可以据此推算出水深，再通过验潮仪位置与基準面的关系获得测量点的潮位。水深计算公式为：

[D=Pρ×g]                                      （1）

2 携带自容式验潮仪的投放装置设计

自容式验潮仪的投放位置应选在海底地质较为坚固、水况稳定、潮流不湍急、生产活动较少、安全的地方，并使用重件装置固定住验潮仪。本文所设计的投放装置呈圆锥流线型，下宽上窄，海底稳定性极佳。验潮仪则固定在装置内部顶端。

2.1 便于工作结束后寻找收回

海洋是动态的，海上投放验潮仪后，由于海面上没有明显的参照物，加上海水较深，人们难以用肉眼发现验潮仪，所以工作之后很难寻找并收回仪器。为了便于定位验潮仪，设计的投放装置上方布有四个对称圆环，可栓钢丝绳等坚固绳索，绳索另一端系大小适中的浮球。浮球涂有醒目颜色飘浮在靠近水面的某一位置，便于发现，为寻找和打捞工作节省了时间，避免仪器丢失所造成的经济损失和关键数据资料的丢失。

2.2 稳定的圆锥流线型设计

当潮流过大时，一般的装置会受到过大的冲击而发生翻倒移位，这便会使验潮仪在海中的位置发生变化，产生感应压力零点漂移，对潮位数据精度造成影响。验潮仪随海流飘荡所造成的潮位数据变化如图1所示。而采用圆锥型结构的装置可以固定在海底。流线型的外形有效地减弱了潮流的冲击力，如图2所示，潮流向右运动，对装置表面产生压强，流动方向如箭头所示。当潮流从a点流过物体时，由于受到物体前缘部分的阻拦，流速减慢，根据伯努利定理（流速大的地方压强小，流速小的地方压强大），可以得如下方程：

[12ρv2+ρgh+Ρ=C]                           （2）

式中，[ρ]为流体密度;[v]为流体流速;[g]为地心加速度;[h]为流体高度;[Ρ]为流体压强;[C]为某一常数。

前端压强升高;当流体流到物体最高点b时，速度不断增大，因而压强不断减小。相比于普通平面，海流可以平滑地流过，投放装置表面压强不会急剧升高，压差阻力可降为普通平面的1/5。

2.3 减弱潮流对验潮仪附近压力的影响

由于潮流的影响，当验潮仪的压力感应面正对着潮流方向时，即当流体流速矢量方向与压力感应面正交时，因受到阻滞，其动能逐渐转化成壓能，使得验潮仪所测的压力大于正常情况下的压力;而在仪器的背后产生涡流现象，也会导致验潮仪测量的压力与真实压力产生一定误差。尤其是在高潮或低潮潮流方向发生变化时，潮位数据受水流的影响产生不规则跳变，如图3所示。仪器固定在投放装置内部（见图4），可有效阻挡潮流对验潮仪附近压力的影响，而投放装置上的空洞可以连通外界使内外水压相等。

2.4 减小外界干扰

若潮位仪裸露在海底，就会被泥沙覆盖，滋生藻类、贝类等海洋生物，导致验潮仪压力感应器堵塞，影响采集数据的精度。通过投放装置外壳把潮位仪与外界隔绝，有效地防止了外界因素对潮位数据观测的影响，便于采集准确、稳定的水位数据。

3 结语

自容式验潮仪抛放之前要调查好当地的水深及潮位资料，避免测点水深较浅而导致仪器在最低潮时干出，丢失低潮数据。验潮仪计时要依据北京时间进行校准，控制好日记允许走时误差、周记允许走时误差、双周记允许走时误差和月记允许走时误差，并设置好数据采集时间间隔。若测区环境复杂，可同时抛放两个验潮仪，避免数据丢失，并相互比对，提高数据可信度。

参考文献：

[1]周冠伦，荣天富，刘书伦，等.航道工程手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]刘雁春，肖付民，暴景阳，等.海道测量学概论[M].北京：测绘出版社，2006.

[3]王玉春，方荣华，杨建宇，等.TGR-2050型验潮仪在珠江口潮汐测量中的应用分析[J].海洋测绘，2013（1）：63-65.

[4]许平，田红旗，姚曙光.流线型列车头部外形设计方法[J].中国铁道科学，2007（1）：76-80.

[5]许传玺.潮汐自记曲线中断处理的探讨[J].海洋技术，1992（1）：78-80.