曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤監(jiān)測系統(tǒng)

王健，劉家順，宋利杰

（1.河北理工大學(xué)交通與測繪學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北 唐山 063009）

1 曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤特征分析

1.1 曹妃甸港區(qū)水域的水沙運(yùn)動特征

曹妃甸地處渤海灣灣口北側(cè)，是呈NE-SE向的帶狀沙島，總面積約16 km2，距離大陸岸線約18 km。曹妃甸前沿深槽屬典型的海灣型潮汐通道，最大水深達(dá)42 m，是渤海沿岸唯一不需開挖航道和港池即可建設(shè)30萬噸級大型泊位的天然港址。但由于口門較開敝，除了塑造與維持通道深槽水道的主要潮流動力外，波浪對灣內(nèi)和通道本身的影響不可忽略，水沙動力過程復(fù)雜，泥沙輸運(yùn)具有波流共同作用下運(yùn)動的特點(diǎn)。曹妃甸港區(qū)的開發(fā)建設(shè)必將對當(dāng)?shù)厮畡恿Νh(huán)境及水沙運(yùn)動特性產(chǎn)生一定的影響，造成港池航道內(nèi)的回淤和風(fēng)暴潮作用下的驟淤等問題，對港口的安全形成極大的威脅，因此必須根據(jù)港區(qū)水域泥沙沖淤特征設(shè)置合理的泥沙沖淤監(jiān)測機(jī)制。

1.1.1 潮汐與潮流特征

曹妃甸海域主要受南渤海潮波系統(tǒng)控制，潮汐屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差由東向西逐漸增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，甸頭平均高潮位為0.81 m，平均低潮位為-0.73 m，平均潮差為1.54 m。

曹妃甸海域?yàn)楹承统毕ǖ?，甸頭以南深槽基本為東西向的往復(fù)流，雖潮差較小，但獨(dú)特的甸頭岬角效應(yīng)使甸頭附近、岬角深槽和邊灘潮溝水流最強(qiáng)，岸灘附近流速稍弱。近岸淺海區(qū)受地形變化影響，主流流向有順岸或沿等深線方向流動的趨勢。甸頭北側(cè)淺灘區(qū)以漫灘水流為主，此水流的匯集與分散是維持各潮溝的主要動力[1]。

1.1.2 波浪及風(fēng)暴潮特征

曹妃甸海域常浪向?yàn)镾，出現(xiàn)頻率為8.6%；次常浪向?yàn)镾E，出現(xiàn)頻率為5.8%；強(qiáng)浪向?yàn)镋NE，該方向波能占16.5%；次強(qiáng)浪向?yàn)镹W和NE，兩方向波能分別占9.9%和9.1%。波浪分析表明，HP10>1.8 m的中浪和大浪，波能占34.0%，說明波浪對岸灘演變起到重要作用。該海區(qū)波浪對泥沙的作用主要反映在橫向輸沙的沙壩塑造作用和對潮灘灘面的掀沙侵蝕作用，沿岸輸沙量相對較弱。

渤海灣沿岸是我國風(fēng)暴潮最嚴(yán)重地區(qū)之一，據(jù)塘沽海洋站1950—1981年資料統(tǒng)計(jì)，32 a中發(fā)生增水1 m以上的風(fēng)暴潮253次，平均每年7.9次；2 m以上7次，平均4.6年1次；最大增水值為2.52 m。風(fēng)暴潮主要發(fā)生在秋冬季，占全年的76.2%，由E和ES向持續(xù)大風(fēng)引起。曹妃甸海域發(fā)生風(fēng)暴潮的氣象背景與塘沽基本一致，但由于位于渤海灣口北部突出部位，缺乏水體集聚的地理?xiàng)l件，相關(guān)資料分析認(rèn)為其增減水幅度約為塘沽的60%～70%[2]。

1.1.3 泥沙輸移特征

在小浪或無浪氣象條件下，曹妃甸海域含沙量并不大。近年水文測驗(yàn)表明，整體上近岸水域的水體含沙量普遍大于外海深水域。外海深水區(qū)約為0.05～0.10 kg/m3，近岸約為0.07～0.15 kg/m3。近岸水域又以甸頭為界，西部水域平均含沙量明顯大于東部。無論漲潮、落潮，整個海域普遍表現(xiàn)為大潮含沙量大于小潮含沙量。風(fēng)浪的掀沙作用是影響本海區(qū)含沙量變化的重要因素，潮流影響較弱。近年來由于人為活動的影響，例如灤河上游修建水庫、河道取水、沿海岸線興建人工島堤等使該海域的沙源供給逐步減少，平均含沙量呈總體減少趨勢[1]。

曹妃甸海區(qū)沉積物的分布由陸向海呈細(xì)—粗—細(xì)的規(guī)律變化，中值粒徑也沿水深的分布呈現(xiàn)岸灘粗、深槽細(xì)的特點(diǎn)。以甸頭分界，沉積物中值粒徑分布由西向東呈由小到大的變化趨勢，甸頭以西海域沉積物分選程度一般，東部海域由岸到海分選程度呈分選一般—分選好—分選一般分布，甸東離岸沙壩海域分選程度最好，說明其受波浪動力作用較強(qiáng)。

1.1.4 波浪潮流作用下的泥沙運(yùn)動規(guī)律

海岸的演變特征和綜合治理受制于泥沙問題，波浪與潮流是引起泥沙輸移的主要動力因素，“波浪掀沙，潮流輸沙”是其主要運(yùn)動形式。曹妃甸海域漲潮時水體基本呈自東向西運(yùn)動，隨著潮位的升高漲潮水體首先充填曹妃甸淺灘東側(cè)的眾多潮溝，隨后淺灘北側(cè)部分淹沒，與此同時潮流繞過甸頭進(jìn)入西側(cè)潮溝；落潮時水體基本呈自西向東運(yùn)動，隨著潮位的降低，淺灘高處出露，灘面上的水體逐漸歸槽，潮溝內(nèi)的水體也逐漸匯入深槽水域，其中甸頭西側(cè)灘面的落潮歸槽水流與外海深槽的落潮水流匯合，并繞過甸頭與東側(cè)潮溝的落潮水流匯合。甸頭具有較明顯的岬角效應(yīng)，漲落潮水流呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流性質(zhì)，且流向集中，流速較大。曹妃甸海域潮流輸沙的一般規(guī)律是：水體含沙量與流速、潮差成正相關(guān)，漲急、落急含沙量大于漲憩和落憩含沙量，大潮含沙量大于小潮含沙量[1]。

1.2 曹妃甸港區(qū)開發(fā)前后水動力條件及回淤變化

1.2.1 港區(qū)開發(fā)前的海床穩(wěn)定性和沖淤演變

為了解曹妃甸海域長期以來的水深地形變化，交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所采用了1934—1983海圖進(jìn)行了斷面水深對比，并對曹妃甸海域等深線沖淤的平面變化進(jìn)行了分析。分析認(rèn)為曹妃甸海域長期以來海床基本穩(wěn)定，水深地形多年來呈現(xiàn)基本平衡、略有沖刷的狀況，沙壩位置長期以來基本穩(wěn)定，局部邊坡略有淤積[1]。南京水利科學(xué)研究院對2004年4月和2006年4月的水深地形資料進(jìn)行的研究表明，甸頭前沿500 m范圍內(nèi)沖深0.5～0.8 m，500～1 000 m范圍沖深0.2～0.4 m；甸西近岸800 m范圍淤積了0.1～0.6 m；甸東近岸一側(cè)也有一局部淤積區(qū)，淤厚最大達(dá)0.7 m，可能與施工有關(guān)。

1.2.2 港區(qū)開發(fā)引起水動力條件變化

曹妃甸港區(qū)的開發(fā)形成以曹妃甸—蛤坨為軸心的大型人工島式布置格局，并以老龍溝、納潮河為分界，形成前島后陸的總體布局，見圖1。

圖1 渤海灣曹妃甸港區(qū)規(guī)劃示意圖

經(jīng)模擬計(jì)算，港區(qū)開發(fā)后甸頭深槽區(qū)域流速有所增加，漲潮平均流速增加0.9%，落潮平均流速增加5.7%，甸頭前1.5 km處漲潮平均流速增加2.4%，落潮平均流速增加1.1%。流速略有增加有利于維護(hù)甸頭深槽水深。南堡深槽區(qū)域?qū)嵤╅_發(fā)后流速略有加大，漲潮平均流速增加2.2%，落潮平均流速增加4.1%，水流更加歸順，往復(fù)流特征更加明顯，有利于維護(hù)深槽水深。甸頭東側(cè)淺灘，港區(qū)東翼圍填后阻斷了漲落潮時的漫灘水流，使圍填區(qū)以南淺灘區(qū)域漲潮平均流速減少了22.0%，落潮平均流速減少了18.0%，流速的減小會使淺灘上略有淤積。由于淺灘區(qū)納潮量的減少，老龍溝潮汐通道流速有所減小，漲潮平均流速減少11.9%，落潮平均流速減少18.4%，有利于通航安全但不利于水深維護(hù)[2]。

圍填前灘面水深不足1 m，平均流速小于0.1 m/s，港區(qū)圍填面積約為310 km2，圍填所占的過水?dāng)嗝婷娣e僅為0.3%～1.7%，減小的潮棱體與工程前相比很小，故港區(qū)開發(fā)對周邊水動力環(huán)境影響的范圍及程度較小[2]。

1.2.3 港區(qū)開發(fā)實(shí)施后港池與航道的回淤分析

與港區(qū)圍填前相比，由于港區(qū)大面積圍填阻擋了波浪向淺灘的傳播，使得其含沙量大幅減小，外海含沙量則變化不大。南京水利科學(xué)研究院采用多年平均波浪和大、中潮組合進(jìn)行了正常情況下的泥沙沖淤強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算表明，港區(qū)實(shí)施圍填1年后，甸頭前沿深槽年沖深0.15～0.48 m，西側(cè)前沿沖深0.09～0.27 m，東側(cè)前沿沖深0.00～0.20 m，甸頭前1.5～3.0 km處沖深0.10～0.21 m，老龍溝航槽年回淤0.06～0.83 m，其中靠近三港池處回淤強(qiáng)度較大；一港池年回淤0.35～1.31 m，淤積部位主要位于靠近口門的回流區(qū)域；二港池年回淤0.02～0.99 m，口門附近淤積較大；納潮河基本沒有沖淤變化；三港池年回淤0.03～0.64 m，主要淤積部位為靠近老龍溝的一側(cè)區(qū)域[2]。

南京水利科學(xué)研究院采用常浪向?yàn)镾E向偏東6°，10年一遇波浪和大、中潮組合進(jìn)行了大風(fēng)浪天氣引起的泥沙驟淤強(qiáng)度計(jì)算，波浪作用時間為48 h。計(jì)算表明，一港池淤積了0.01～0.21 m，淤積部位主要位于靠近口門區(qū)域；二港池淤積了0.00～0.20 m，口門附近淤積較大；三港池淤積了0.00～0.07 m，主要淤積部位為靠近老龍溝的一側(cè)區(qū)域；老龍溝航槽淤積較多，達(dá)0.06～0.55 m，靠近口外一側(cè)航道驟淤強(qiáng)度相對較大[2]。

1.3 構(gòu)建曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤監(jiān)測系統(tǒng)的意義

曹妃甸港區(qū)自然狀態(tài)下灘槽基本穩(wěn)定，處于微沖微淤、外圍沙島緩慢侵蝕的動態(tài)平衡狀態(tài)。港口的開發(fā)建設(shè)會引起水動力條件的變化，從而造成泥沙沖淤變化。施工建設(shè)期間由于吹填造陸的影響，使工程水域的邊界條件、水動力以及泥沙環(huán)境均有了一定的改變，海床地形已發(fā)生了不同程度的沖淤變化，深水環(huán)境已經(jīng)受到威脅。

曹妃甸港口建設(shè)是我國一項(xiàng)重大的百年基業(yè)工程，受到黨和國家及省政府的高度重視和支持，其長期的穩(wěn)定與安全是一個重大課題。該水域優(yōu)良的水深條件是建設(shè)大港和深水碼頭的前提，甸前深度達(dá)30 m的深槽是整個港區(qū)的命脈，其穩(wěn)定性直接關(guān)系著整個港區(qū)的未來發(fā)展。盡管在建港前期對水深的穩(wěn)定性已經(jīng)進(jìn)行了充分的論證，但為確保港口的持續(xù)發(fā)展和安全運(yùn)營，全面準(zhǔn)確地認(rèn)識和掌握水下地形沖淤變化，必須構(gòu)建曹妃甸港區(qū)水下地形沖淤監(jiān)測系統(tǒng)。通過長期、全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析研究，準(zhǔn)確掌握沖淤規(guī)律，提前采取有效措施，防患于未然，確保港口的長期、高效、安全的使用。另外長期積累的觀測資料還將成為掌握變化規(guī)律和開展科學(xué)研究不可缺少的寶貴資料。

2 曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤監(jiān)測

2.1 監(jiān)測的范圍與要求

曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤監(jiān)測的目的是準(zhǔn)確掌握泥沙沖淤狀態(tài)和規(guī)律，確保安全長期航運(yùn)，因此監(jiān)測的重點(diǎn)應(yīng)為港池、航道、錨地等區(qū)域，而泥沙沖淤狀況受整體環(huán)境的影響，不是孤立因素，所以監(jiān)測范圍應(yīng)包括港區(qū)整個水域，具體范圍：東至老龍溝東側(cè)；南至主航道、大型危險品船舶專用錨地、綜合性港區(qū)專用錨地南側(cè)；西至南堡；內(nèi)側(cè)至港區(qū)岸線。

曹妃甸港區(qū)監(jiān)測水域范圍很大，不同的局部區(qū)域沖淤程度不同，對航運(yùn)來說不同局部的重要程度也不同，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對整個監(jiān)測范圍進(jìn)行精密監(jiān)測是非常不合理的。所以從經(jīng)濟(jì)與效益相結(jié)合的角度出發(fā)，對整個港區(qū)海域監(jiān)測的測量比例尺和監(jiān)測周期采用一般地區(qū)與重點(diǎn)地區(qū)相結(jié)合、大比例尺與小比例尺測量相結(jié)合、長周期與短周期相結(jié)合的方法，重點(diǎn)區(qū)域、嚴(yán)重沖淤區(qū)域采用短周期、大比例尺、測量方法采用GPS RTK結(jié)合測深儀或多波束測深系統(tǒng)測量，一般地區(qū)采用長周期、小比例尺、測量方法采用差分GPS結(jié)合測深儀測量或斷面測量。具體為：

1）曹妃甸港區(qū)一、二、三3個港池是港口內(nèi)供船舶停泊、作業(yè)、駛離和轉(zhuǎn)頭操作的水域，承擔(dān)著包括碼頭前沿水域、船舶轉(zhuǎn)頭水域、港內(nèi)錨地等作用。前面分析得出港池水域?qū)⒂休^嚴(yán)重回淤，口門附近淤積較大，三港池主要淤積部位為靠近老龍溝的一側(cè)區(qū)域，所以港池內(nèi)進(jìn)行1∶2 000的水深地形測量，施測周期為每季1次；淤積嚴(yán)重的部位、防波堤處進(jìn)行1∶1 000水下地形測量，施測周期為每兩月或每季1次。

2）老龍溝是港區(qū)東側(cè)淺灘附近的一條深溝，為設(shè)計(jì)航槽。前面的分析認(rèn)為老龍溝航槽回淤較嚴(yán)重，尤其是靠近三港池處，所以該區(qū)域應(yīng)進(jìn)行1∶1 000比例尺的水下地形測量，施測周期為每兩月或每季1次。

3）碼頭前沿、甸頭前深槽是容易產(chǎn)生沖刷或淤積的位置。無論沖刷還是淤積都會給安全生產(chǎn)帶來影響，該區(qū)域應(yīng)進(jìn)行1∶2 000比例尺的水下地形測量，施測周期為每季1次。

4）對于遠(yuǎn)離岸線的其他水域，雖然泥沙沖淤對船舶的安全航行、停泊有一定影響，但因遠(yuǎn)離海岸，港口建設(shè)對該區(qū)域水動力條件的影響很小，其水深變化小。所以該區(qū)域的水下地形測量的比例尺可以選擇1∶5 000～1∶10 000之間，測量周期應(yīng)該較大（可以每1～2 a施測1次）。

上述是以曹妃甸港區(qū)開發(fā)后回淤變化分析為基礎(chǔ)的初步監(jiān)測方案，待通過較長時間的監(jiān)測掌握較為準(zhǔn)確的沖淤規(guī)律后，應(yīng)對水下地形測量比例尺和測量周期進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整使方案更符合實(shí)際情況。在整個監(jiān)測期間，當(dāng)發(fā)生臺風(fēng)、海嘯、風(fēng)暴潮等特殊情況后應(yīng)加測1次，以防止沖淤形式在短時間內(nèi)有較大變化。

2.2 監(jiān)測方法

曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤監(jiān)測就是運(yùn)用精密水下地形測量技術(shù)，通過對同一區(qū)域周期性的測量，對比前后兩期測量結(jié)果，獲得沖淤數(shù)據(jù)。目前水下地形測量技術(shù)最精確的方法是采用GPS獲取平面坐標(biāo)，測深儀獲取深度數(shù)據(jù)的基本模式。

2.2.1 港池及近岸海域精密水下地形測量的方法

傳統(tǒng)的水下地形測量方法是，在測深點(diǎn)上進(jìn)行水深和平面坐標(biāo)測量的同時，同步進(jìn)行水位觀測，水位面高程與水深值之差即為該點(diǎn)水底高程。由于測深點(diǎn)處的水位高程是采用距離和時間內(nèi)插得到的，水位的波動以及內(nèi)插值的誤差直接導(dǎo)致水底高程的誤差增大，極大地降低了測量的精度。GPS RTK技術(shù)能夠?qū)崟r提供其天線相位中心的厘米級精度的坐標(biāo)和高程，利用該技術(shù)進(jìn)行水下地形測量，設(shè)某測深點(diǎn)處GPS天線相位中心的高程為HGPS，量取GPS天線相位中心到測深儀換能器之間的垂距hG-T，h為該測深點(diǎn)處測得的水深，進(jìn)而水底點(diǎn)的高程Hb可表達(dá)為：

利用GPS RTK技術(shù)可以省去傳統(tǒng)測量煩瑣的過程，提高作業(yè)效率，而且得到的是水下地形點(diǎn)厘米級精度的坐標(biāo)和高程，提高了精度[3]。對于港池內(nèi)部水域的測量，該方法非常適用；對于其他近岸水域，由于風(fēng)浪等情況造成船體的運(yùn)動和傾斜，水深測量數(shù)據(jù)h不是換能器到水底的鉛垂距離，所以實(shí)際測量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行測船姿態(tài)改正；對于遠(yuǎn)離岸線的水域，由于GPS RTK的差分信號傳播距離有限，所以該方法不適用。

1）岸上控制測量的方法和要求。采用GPS RTK技術(shù)需要在岸上精度較高的控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，所以首先要在海岸上進(jìn)行控制測量。岸上控制點(diǎn)必須布設(shè)在穩(wěn)定且便于利用GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測的位置，控制點(diǎn)的密度應(yīng)根據(jù)GPS基準(zhǔn)站與移動站之間數(shù)據(jù)鏈的傳播能力來設(shè)計(jì)。曹妃甸港區(qū)海岸線長達(dá)50～60 km以上，平面控制網(wǎng)應(yīng)采用靜態(tài)GPS定位技術(shù)按《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》四等GPS觀測技術(shù)要求進(jìn)行測量。平面坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)選擇1954年北京坐標(biāo)系，投影帶中央子午線應(yīng)選擇118°30′，這樣的坐標(biāo)系統(tǒng)既有利于減小投影變形，又有利于保持與前期測量資料坐標(biāo)系的統(tǒng)一性。高程控制網(wǎng)應(yīng)以港區(qū)已有高等級水準(zhǔn)點(diǎn)為基礎(chǔ)按三等或三等以上水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求施測。岸上控制網(wǎng)要與已建立的地面控制網(wǎng)聯(lián)測，從而保持統(tǒng)一的坐標(biāo)和高程系統(tǒng)。

2）GPS RTK結(jié)合測深儀進(jìn)行精密水下地形測量的要求。在測量前需要對測區(qū)進(jìn)行測線設(shè)計(jì)，《海道測量規(guī)范》對不同需求測線做了定量而詳細(xì)的要求。一般來說，測線方向應(yīng)垂直于等深線方向或水流方向，圖上主測深線的間隔為1 cm，對一些復(fù)雜海區(qū)和使用者有特殊要求的，有時還要布設(shè)0.25～0.5 cm的更小間隔的測線，稱為加密線。在測線布設(shè)時，還應(yīng)該考慮水下地形的變化情況，對變化相對平坦的地區(qū)，測線間距可以適當(dāng)放寬，否則，需加密測線，使水下地形變化復(fù)雜地區(qū)的測量成果能更好地反映水下地形的真實(shí)面貌。

利用測深儀沿測深線測量水下地形點(diǎn)時，測量點(diǎn)的密度應(yīng)能顯示水下地形特征，并符合表1規(guī)定。

表1 水下地形測量的測深點(diǎn)間距及等高距

3）利用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行精密水下地形測量的要求。多波束測深方法是精密水下地形測量的一種基本手段，其能夠在進(jìn)行測深和定位的同時進(jìn)行姿態(tài)（即測船的橫搖、縱搖、起伏）測量，具有高分辨率、全覆蓋、效率高的特點(diǎn)，其測量數(shù)據(jù)精度高、密度大，適用于對海底地形地貌的監(jiān)測和研究工作[4]。利用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行精密水下地形測量，需要經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安裝與校準(zhǔn)、實(shí)地測量和內(nèi)業(yè)處理幾個步驟。方案設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)合理船速、掃測帶寬度、測線重疊帶寬度、測線位置布設(shè)等，多波束的測深線方向應(yīng)大致平行于等深線的方向，同時為了保證測量質(zhì)量和全覆蓋的測量要求，相鄰掃測帶之間應(yīng)有10%～15%的重疊。安裝與校準(zhǔn)工作包括系統(tǒng)各傳感器的安裝與校準(zhǔn)，船艏向的校準(zhǔn)與測船坐標(biāo)系的建立，橫搖、縱搖、時延、起伏4個方面安裝偏差的校準(zhǔn)。實(shí)地測量過程中應(yīng)進(jìn)行換能器的實(shí)際吃水和聲速剖面測量，以便進(jìn)行吃水變化改正和聲速改正，測船偏離設(shè)計(jì)航線應(yīng)小于測線間距的20%。對曹妃甸港區(qū)的水下泥沙沖淤監(jiān)測是通過周期性的精密水下地形測量實(shí)現(xiàn)的，在進(jìn)行各次測量作業(yè)時測量路線要相同，系統(tǒng)安裝和校準(zhǔn)工作也應(yīng)保持一致，這樣有利于比較各次測量數(shù)據(jù)，消除系統(tǒng)性誤差的影響。

2.2.2 遠(yuǎn)離海岸水域的水下地形測量的方法和要求

曹妃甸港區(qū)監(jiān)測海域遠(yuǎn)離海岸的區(qū)域，其水下地形測量也需經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝校準(zhǔn)、實(shí)地測量和內(nèi)業(yè)處理幾個步驟，測量過程中應(yīng)根據(jù)設(shè)備的參數(shù)和性能以及水下地形測量比例尺的技術(shù)要求來進(jìn)行。由于GPS RTK的信號傳播范圍有限，所以其定位方式應(yīng)采用其他GPS差分方式，目前利用StarFire網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)提供的GPS差分信號能夠獲得分米級精度的定位，是一種比較合適的方式。遠(yuǎn)離海岸水域風(fēng)浪和潮汐顯著，為了獲得水下地形點(diǎn)的高程，必須進(jìn)行水位觀測，并對水深測量的結(jié)果進(jìn)行水位改正。水深測量的精度受風(fēng)浪和潮汐的影響較大，實(shí)際作業(yè)中應(yīng)認(rèn)真觀測聲速剖面。利用多波束測深時，除中央波束外，其他波束均與垂向有一定的夾角，聲速剖面的準(zhǔn)確與否直接影響波束歸位計(jì)算，尤其是邊緣波束，不準(zhǔn)確的聲速剖面會導(dǎo)致相鄰條帶在公共覆蓋區(qū)所測地形與實(shí)際地形不匹配。

2.3 觀測數(shù)據(jù)的整理與沖淤量的計(jì)算

觀測數(shù)據(jù)的整理是將外業(yè)觀測的大量坐標(biāo)、高程、水位、水深數(shù)據(jù)按點(diǎn)進(jìn)行配付和計(jì)算，從而得到水下地形點(diǎn)各期觀測的坐標(biāo)和高程。

水下泥沙沖淤量依據(jù)精密測量的結(jié)果來計(jì)算。設(shè)某監(jiān)測區(qū)域的面積為S，測區(qū)范圍內(nèi)水下最低高程為h0，計(jì)算淤積量的參考高程可設(shè)為H（H≤h0，考慮到由于海底泥沙沖淤變化，各期地形測量的h0不同，H要比最小的h0值還要?。?個相鄰地形點(diǎn)構(gòu)成的面積為ΔS（ΔS的值可以利用3個地形點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算出來），某期觀測時ΔS范圍內(nèi)自然水下地形面與參考高程H面之間的泥沙體積ΔV為：

式中：h1，h2，h3分別為水下地形點(diǎn)1，2，3點(diǎn)的實(shí)測高程H1，H2，H3與參考高程 H 之差[5]，見圖2。

設(shè)某監(jiān)測區(qū)域S范圍內(nèi)三角形個數(shù)為n，則該區(qū)的水下自然地形面到參考高程面之間的泥沙量為：

利用式（3）可以算出各觀測時期的泥沙量：V1，V2，V3，V4，……，進(jìn)而求出相應(yīng)時期的淤積量：ΔV1，ΔV2，ΔV3，……。ΔV1=V1-V2，ΔV2=V2-V3，ΔV3=V3-V4，……。

圖2 相鄰3個測點(diǎn)構(gòu)成的三角柱示意圖

利用多次周期性的水下精密地形測量結(jié)果計(jì)算泥沙淤積量，進(jìn)而計(jì)算淤積速度和分析淤積變化規(guī)律。計(jì)算同一區(qū)域各期淤積量時要注意每次選擇的參考高程面H和淤積區(qū)域S要相同。

3 結(jié)語

曹妃甸港口的建設(shè)是我國一項(xiàng)重大的百年工程，甸前深槽的穩(wěn)定性關(guān)系著港區(qū)發(fā)展的命脈，而航道、港池、泊位、錨地等的泥沙沖淤問題也對港口發(fā)展與穩(wěn)定具有重要影響。因此，應(yīng)根據(jù)各個區(qū)域的泥沙沖淤狀況及其對港口生產(chǎn)影響的重要程度，設(shè)置出相應(yīng)合理的泥沙沖淤監(jiān)測方案，從而建立起整個港區(qū)水域的泥沙沖淤監(jiān)測系統(tǒng)。在準(zhǔn)確掌握泥沙沖淤規(guī)律的基礎(chǔ)上適時采取有效處理措施，是確保港口長期安全穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的有效手段。

[1]楊華，趙洪波，吳以喜.曹妃甸海域水文泥沙環(huán)境及沖淤演變分析[J].水道港口，2005，26（3）：130-133.

[2]陸永軍，季榮耀，左利欽，等.海灣型潮汐通道中大型深水港開發(fā)的水沙問題研究[J].水利學(xué)報，2007，38（12）：1 426-1 436.

[3]馬小計(jì)，何義斌，趙建虎.無驗(yàn)潮模式下的GPS水下地形測量技術(shù)[J].測繪科學(xué)，2003，28（2）：29-34.

[4]周興華，陳永奇，陳義蘭，等.長江口航道疏浚的多波束監(jiān)測[J].海洋測繪，2002，22（6）：30-34.

[5]張紅梅，趙建虎.水庫庫容和淤積量精密測量及計(jì)算方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2003，36（5）：26-29.

[6]GB12327-1998，海道測量規(guī)范[S].