压力式验潮仪在航道水深测量中的运用

2023-10-30曹清明

中国新技术新产品 2023年18期

曹清明

（安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥 230011）

现阶段潮汐测量方法已经经过改进，常用于航道水深测量的验潮仪有浮子式验潮仪、声学式验潮仪以及压力式验潮仪3 种，前两种在应用时对测量环境要求较高，适合用于离岸较远的潮汐测量，一旦海面结冰，验潮仪将无法正常工作。而压力式验潮仪可以观测海水的压力变化情况，由此推断潮位实际变化，不仅成本小且无须打井，可完成近岸、远岸和深海验潮，使用性能更稳定可靠。

1 压力式验潮仪的测量原理

1.1 测量原理

基于水位和压力的变化之间呈比例的关系原理，使用压力式验潮仪测量水下某一位置压力值，计算海面起伏而引发的水深变化，以达到设备的验潮功能。将设备放置在海上某个验潮处的水下固定位置，根据提前设定的时间间隔观察测量验潮点区域的压力值，然后再减去同一时刻大气压值，得到水压值，验潮仪的测量工作原理如图1所示[1]。

图1 压力验潮仪工作原理

基于水压值、海水密度值以及该处区域的重力加速度值的参数变化，得出压力式验潮仪水深值，其计算如公式（1）所示。

式中：h（t）为压力式验潮仪测量水深值；P1为测量到的压力值；P0为海面大气压值；ρ为当前海水密度，结合工程实际情况计算重力加速度，其计算如公式（2）所示。

式中：ϕ为压力式验潮仪在应用时所处位置的地理纬度。

TGR-2050 型压力式验潮仪设备可以用来观测与记录潮水变化，掌握海水温度变化，海面波浪不会给设备带来过于强烈的干扰影响，所以验潮仪具有较高的测量精度。2050 验潮仪根据压力传感器的测量方法，在测量某一时段平均压力后，计算设备零点处的水深，如公式（3）所示。

式中：P为水深压力；Pm为压力传感器测量压力；Patm为压力传感器产生压力。

压力P计算海面与验潮仪零点之间的深度，按照测区海水密度计算[2]，如公式（4）所示。

式中：D为测量的深度，m；P为计算得到的压力，N；ρ为海水密度。

使用GPS 测定某个测量点的空间位置，再使用单波束与多波束回声探测仪测定水深，根据验潮仪测量记录的潮汛情况，得出潮位数据，经过修正后获得85 高程。使用三角分带解释法对潮位数据加以推算，一般会临时设置验潮站，观测7 天以上的验潮数据，计算平均海面和85 高程的关联，采集验潮站多年来平均海面和理论最低海面的关系，应用潮高差比法计算海面和深度基准面的差值，从而获得水下水深图。

1.2 测量过程

首先，分析测量区域，先在区域内选择3 个可以自动验潮的位置与水尺安置位置，保证验潮点可以代表该区域，并且反映海域内潮汐特征，要求将水尺安装在验潮点周围的近海岸区域，保证水尺所在位置和验潮仪位置的潮位一致。

其次，根据海域旁边的水准点资料进行水准联测分析，使验潮点周围能够至少有1 个工作水准点。安装验潮仪与水尺，每隔10min 记录潮位数据，启动验潮仪。一般情况下将压力式验潮仪安装在海面下15m 的位置，避免出现任何零点漂移的情况。

再次，测量水深后以及测量结束前，须同时利用水准点测量水深，可每隔10min 观测水尺读数，一般需要观测5～6 次，同时需要记录观测时间，计算各个时刻海面85 高程情况。水深测量结束后，导出验潮仪数据，根据同时刻水面85 高程与相应的验潮仪假设水面高程，计算12 各水面85 高程修正值，取均值后进行潮位改正。通过测量海水压力，将测量值换算后得到水深值，也就是水位值，计算如公式（5）所示。

式中：p为所测的绝对压力值和当前大气压的差值，Pa；g为测量点的重力加速度，m/s2；r为测量位置的水密度情况，kg/m³。

除此之外，波浪或暗涌起伏会对最终测量到的压力值产生影响，所以须对压力值进行滤波处理，采用数字滤波方法计算测量值的平均值。

最后，使用三角分带解释法计算海域中各个点的海水面85 高程数据，计算海底85 高程。水深测量期间，海域不同时波浪会对测量工作产生影响，应按照测区不同海域的波浪特点，使用消浪软件处理。采集到的测点平面位置与水深文件，需要将其编制为潮位改正计算格式文件[3]。

2 压力式验潮仪在航道水深测量中的误差问题

2.1 气压变化引发测量误差

以实际情况为例，在北纬30°，重力加速度值为9.8m/s²的情况下，海水密度计算值为1.02×103kg/m³，大气压变化为-50hPa～50hPa，按照上述公式进行计算，得知大气压变化对压力式验潮仪的观测产生的影响。经过研究发现，随着大气压升高，水深值将会变小；大气压下降，水深值会增加，可见大气压的变化对水深的影响呈现线性变化的趋势。

2.2 海水密度变化引发测量误差

经过研究得知，当水位观测误差处于±2cm 时，验潮仪在海面下的投放深度越浅，海水密度的变化对观测潮位的影响也就越小。使用底层海水密度计来计算潮位可有效降低海水密度带来的影响。

2.3 潮流对潮汐测量造成误差

由于该处位置潮差比较大且潮流存在一定的规律性，涨潮时，潮流方向通常是从下游到上游，退潮时潮流方向是从上游到下游，因此潮流的存在要求验潮仪必须有不同的安装方式，所造成的测量误差一般会有以下2 种情况：1）验潮仪安装在锚链中，导致零点漂移误差出现。零点漂移具体指放大电路在没有输入信号时，用灵敏的直流表测量输出端，也会产生变化缓慢的输出电压。2）验潮仪垂直安装于固定桩柱中。使用3 台压力式验潮仪进行试验，先将2 台设备固定于水尺底部，再将1 台压力感应孔区同样固定于水尺底部，要求采用水平固定的方式。第三台验潮仪须放置在空气内，用来测量大气压扰动情况，3 台设备的设计参数是相同的，基于大气压下形成的压力常数为101.325kPa，将取样周期设置成10min，设备启用的间隔为40s，测定潮位时，将密度设置为1.011g/mm³，大潮时需要连续4 天测定数据，同时安排工作人员从每天上午08：00—18：00，每隔30min 观测一次数据。

2.4 验潮仪压力感应零点漂移引发测量误差

验潮仪压力感应零点漂移会导致压力误差，从而影响潮位测量精度。如果零点漂移过大，那么潮位测量数据将难以达到精度要求。为解决这一难题，采用简化后的测量方式，将密度设置成1.0g/mm³，使验潮仪以水平的方式固定于水中，持续观测24h，经过大气扰动改正后，分析其曲线是否处于同一直线，判断仪器运行的稳定性，最后取潮位观测平均值即可，再利用验潮仪压力感应孔道水面的水质，判断当前是否出现了零点漂移的情况[5]。

3 解决压力式验潮仪在航道水深测量中误差问题

3.1 解决气压变化测量误差问题

因为压力式验潮仪无法确定水深是否与大气压变化或潮汐变化有关，为测量得到水深值，须根据大气压变化情况进行修正，尽可能地降低这方面对验潮仪的影响。该项目中分别在验潮点周围200m 的海面上安装验潮仪，观测该处大气压的变化情况，减少大气压变化给验潮仪工作带来的不良影响，其中的一部分验潮数据见表1。

表1 项目中部分验潮数据

根据表1 中的验潮数据可知，大气压变化1hPa 都会导致设备观测值出现约1cm 的变化[4]。

整个装置长度检定与压力检定2 个部分，在0～8m 在水塔内完成长度检定，超过8m 后，装置会以数字精密压力表，联合压力容器与压力源一同进行压力检定，防止压力变化测量出现误差问题，保证验潮数据完整。

3.2 解决海水密度变化测量误差问题

为修正误差创造有利条件。在该项目中，不同的验潮仪抛投深度会使用不一样的密度计，所计算的水位数据如下：当抛投深度为4.3m 时，海水密度为1.030t·m-3；当抛投深度为4.0m 时，海水密度为1.030t·m-3；当抛投深度为23.5m 时，海水密度为1.025t·m-3。为保障游轮能够进出港航行安全，在通航水域试投产前进行复测扫海，保障通海安全，为后续航道水域清淤维护奠定基础。整个项目航道设计总长度38km，底高程-22.8m，包括3 个部分，外航道长度26.2km，宽度320m，方位角为104°～284°。项目内一共建立3 个验潮站，以便对潮位进行分段研究。压力式验潮仪能够以高分辨率观测水下压力值变化情况，但是设置的采样参数固定，不会因为外界的环境改变而产生变化。因此，压力式验潮仪无法确定压力值变化带来的影响，须进一步分析误差值的来源。

3.3 解决潮流对潮汐测量误差问题

将验潮仪固定在锚链上，同时与水底的距离为3m，无论是涨潮还是落潮，验潮仪的零点距离水底的距离都是d，当和垂直方向的偏移角度逐渐变大且偏移角为5°时，零点变化是1cm；当偏移角为15°时，零点变化是10.2cm，所以压力式验潮仪是无法固定在特殊状态下的锚链上的，例如受到潮流严重影响的锚链。

大气扰动改正后，提取人工观测数据，将验潮仪和人工观测的数据进行对比发现，水平安装的设备观测数据比垂直安装的数据更接近于人工观测结果，差值可以保持在0～2cm。采用压力式验潮仪可减少动压强与涡流对潮位测量的影响，所以需要将设备安置在水下且压力感应面需要与水面之间保持平行。

3.4 解决验潮仪压力感应零点漂移问题

3.4.1 数据记录

在航道水深测量过程中，零点漂移属于一种不可控影响因素，一般会根据验潮仪移动、沉降以及飘动等一系列变化来记录零点的大致突变情况。在整个校核过程中，需要提前对潮位资料进行整理。首先，需要提前换算潮位基准面。在水深测量过程中的观测潮位根据考证之后的基面关系，使其被转为85 高程下的基准潮位，再检查绘制的同步潮位过程线图，修正因风浪导致的跳点，最大程度地保证观测点的潮位计算正确。其次，科学编制潮位观测表，获取深度探测中的潮位情况，再将国家规定的高程基准潮位编制为相应的格式文件，得到深度数据[6]。

受自身原因与外部环境等因素的影响，验潮仪在工作期间难免会遇到零点漂移的情况，投放验潮仪之前需要将几个验潮仪放在室内同等高度悬挂，以相同的参数设置方式，要求数据采集频率保持在1 次/min，观测时间应超过24h，采集数据之后再导出每个验潮仪记录的数据，提出测量之前和之后半小时的数据，计算在统一时间段中各个设备的大气压均值。

3.4.2 同步验潮法

采用同步验潮法高程传递需要满足一定的前提，即假定同一时间段内的相应范围内的海域海水面相同。项目所处的海域为半日潮，根据相应规范要求得知，要求半日潮的潮汐高程传递的同步验潮时间达到3 天，高差最大差值2cm，在满足以上条件后才能达到规范要求。为确定验潮站的实际潮位，对2 个不同的验潮站进行3 天的同步验潮分析，按照上述公式计算验潮仪的水深值，再将得到的结果与人工水尺读数相比，为保证设备验证的数据可靠，人工水尺读数和验潮仪数据的校验时间不能小于2h，同时采样间隔时间应保持约10min。基于平均海水面相同的原则，计算2 个验潮站的水深值、平均值和差值，完成数据修正，使其达到理论最低潮面，得出潮位情况[7]。

经过研究可知，使用压力式验潮仪能够最大程度地降低人为操作压力，节约人力与物力成本，提高工作效率。如果需要更精准的验潮数据，就需要提高对环境变化的关注度，特别是大气压与海水密度对验潮数据的影响，与此同时，应重视验潮仪的零点漂移问题。经研究发现，大气压变化对验潮数据产生的影响主要呈现线性变化特征，当大气压变化1hPa 时，验潮数据就会变化约1cm，此时应采用同步观测大气压的方式，减少影响。随着验潮仪抛掷的深度增加，海水密度变化造成的误差使设备误差变大，所以要尽可能地减少验潮仪抛设深度，验潮前在空气内对同一个地点的多个设备进行同步观测，以大气压均值作为标准值，科学计算其他压力式验潮仪的实际零点漂移校正值。对沿岸水位站不能控制水位的测量情况，在同一时间段的相应范围海域内，使用压力式验潮仪可以根据相同的原理有效传递高程信息[8]。