一種新型井外水尺在沿海驗(yàn)潮站的應(yīng)用

林 航

（福建省海洋預(yù)報(bào)臺，福建 福州 350003）

一種新型井外水尺在沿海驗(yàn)潮站的應(yīng)用

林 航

（福建省海洋預(yù)報(bào)臺，福建 福州 350003）

井外水尺是驗(yàn)潮站潮位觀測的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是驗(yàn)潮站不可缺少的組成部分，它被認(rèn)為是最準(zhǔn)確的潮位測量設(shè)備，可用于驗(yàn)潮站水位計(jì)的校核使用，也可用于判斷驗(yàn)潮井是否堵塞。常規(guī)設(shè)置的井外水尺方式經(jīng)常受自然環(huán)境及人為因素等影響，造成水尺容易損壞及使用壽命短，對驗(yàn)潮站運(yùn)行管理工作造成一定影響。針對井外水尺存在的這些問題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種新型井外水尺，從該井外水尺的材料、設(shè)計(jì)及安裝等方面提出這些問題的處理措施，解決了井外水尺存在的易腐蝕、易損壞，使用壽命短及維護(hù)工作量大等問題，滿足了驗(yàn)潮站業(yè)務(wù)化運(yùn)行需要，具有良好推廣效用。

新型；井外水尺；驗(yàn)潮站

潮汐測量在驗(yàn)潮站中是最重要的觀測要素之一。潮汐測量手段很多，主要包括水尺驗(yàn)潮、浮子式驗(yàn)潮儀、引壓力鐘式驗(yàn)潮儀、聲學(xué)式驗(yàn)潮儀、壓力式驗(yàn)潮儀及GPS驗(yàn)潮等[1]。

我國現(xiàn)有沿海驗(yàn)潮站采用的驗(yàn)潮設(shè)備大部分都為水尺驗(yàn)潮及浮子式驗(yàn)潮儀。其中大多數(shù)水尺驗(yàn)潮采用一根鍍鋅管作為井外水尺尺柱，在尺柱上固定水位尺。筆者管理的驗(yàn)潮站井外水尺在2 a年多運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)該井外水尺（含水尺尺柱及水位尺）大部分都損壞，損壞的原因有海水腐蝕、船只碰撞、漂浮物碰撞、人為破壞（如拴船、固定漁網(wǎng)）及臺風(fēng)影響等，對驗(yàn)潮站觀測工作造成一定影響?？紤]到井外水尺作為驗(yàn)潮站的重要基礎(chǔ)設(shè)施，務(wù)必對損壞的井外水尺進(jìn)行重新安裝，經(jīng)過考察各沿海海洋站及咨詢有經(jīng)驗(yàn)漁民，最終確定井外水尺設(shè)計(jì)方案并實(shí)施。

井外水尺的重要性在《海濱觀測規(guī)范》也已明確提出。規(guī)范規(guī)定“水尺零點(diǎn)一經(jīng)確定，不得輕易變動”。水尺零點(diǎn)指井外水尺零點(diǎn)，所謂不輕易變動,是指水尺零點(diǎn)至基本水準(zhǔn)點(diǎn)的高差不變,還可以說水尺零點(diǎn)在基本水準(zhǔn)點(diǎn)下的距離不變,而不是水尺零點(diǎn)的高程不變,因?yàn)榈貧ぴ诰徛剡\(yùn)動著,陸地上的基本水準(zhǔn)點(diǎn)也會伴隨著地殼運(yùn)動而升降,水尺零點(diǎn)高程也就同步升降[2]。

井外水尺幾乎不能稱為儀器[3],但它被認(rèn)為是最準(zhǔn)確的潮位測量設(shè)備,可用于判斷驗(yàn)潮井是否堵塞，同時(shí)也可在其上標(biāo)示沿海警戒潮位核定值，提高沿海群眾防災(zāi)意識。

所有驗(yàn)潮站水位計(jì)都用井外水尺來校核，規(guī)范還規(guī)定井內(nèi)、井外水尺每月必須做一次校核。據(jù)了解以前有些驗(yàn)潮站長時(shí)間不安裝井外水尺，或即使有井外水尺也不以它為準(zhǔn)，從而出現(xiàn)潮位數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤的情況。為此，井外水尺作為驗(yàn)潮站的觀測輔助設(shè)施，必須確保安裝使用的可靠及穩(wěn)定，并按規(guī)范要求開展水尺校核和水尺零點(diǎn)水準(zhǔn)測量等工作。

1 井外水尺現(xiàn)狀

《海濱觀測規(guī)范》規(guī)定井外水尺要求用不易形變、耐腐蝕的材料制成。木質(zhì)水尺一般采用杉木或其他堅(jiān)硬木材制成；搪瓷水尺一般采用木螺絲固定在木質(zhì)尺柱上。刻度應(yīng)清晰，不易附著海洋生物及便于清洗、維護(hù)、更換[4]。

井外水尺安裝在參考規(guī)范的基礎(chǔ)上，筆者考察過很多海洋站，發(fā)現(xiàn)目前主要有3種方式，第一種采用1根鍍鋅管作為尺柱（大部分站點(diǎn)采用這種方式），尺柱打入海底，尺柱中部焊接在驗(yàn)潮站水上墩臺，尺柱頂焊接在驗(yàn)潮室主體，或者整根尺柱焊接固定在驗(yàn)潮站引橋樁上。通常這根鍍鋅管尺柱由幾段鍍鋅管通過扁鋼或鋼筋焊接在一起，同時(shí)水位尺利用螺絲固定在尺柱上。第二種方式預(yù)制直徑為15 cm左右的水泥樁作為尺柱，尺柱打入海底，尺柱頂也焊接在驗(yàn)潮室主體，水位尺通過管窟固定在尺柱上。第三種方式采用3根鍍鋅管中間通過鋼板焊接構(gòu)成一個(gè)整體，3根鍍鋅管按三角形排列，每根鍍鋅管也由幾段鍍鋅管焊接而成。整個(gè)鍍鋅管鋼構(gòu)底部打入海底，上部焊接在驗(yàn)潮室主體或引橋上，水位尺再固定在其中一根鍍鋅管表面。

圖1 尺柱中部斷落

圖2 尺柱腐蝕斷裂、水位尺變形

這3種井外水尺存在易腐蝕、易被人為等外在因素破壞、定期保養(yǎng)維護(hù)難及不易施工等問題。其中第一種方式主要問題有水位尺腐蝕變形、尺柱腐蝕斷落（見圖1～圖2）、鍍鋅管之間焊接處腐蝕斷裂、漂浮物碰撞、漁船碰撞及系船拉裂、尺柱與驗(yàn)潮站連接處腐蝕斷裂等；第二種方式主要問題是必須在驗(yàn)潮站建設(shè)時(shí)一并設(shè)置，對已建好的驗(yàn)潮站并不適合，同時(shí)由于水泥尺柱采用預(yù)制方式，并通過鋼筋與主體連接在一起，為此，水尺尺柱與主體的連接處必須處理好，否則鋼筋腐蝕后更容易脫落也存在安全隱患；第三種方式同樣存在焊接處與連接處易腐蝕斷裂、鍍鋅管易腐蝕及需要定期除銹油漆維護(hù)等問題。

2 新型井外水尺設(shè)計(jì)安裝

在通過多方考察及了解后，決定采用新的材質(zhì)及設(shè)置方案對驗(yàn)潮站井外水尺進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。

2.1 新型井外水尺的材質(zhì)

新型井外水尺尺柱采用玻璃鋼和PPR材質(zhì)，水位尺、連接管窟、膨脹螺釘及螺栓等配件均采用304不銹鋼。

玻璃鋼稱作GRP，即纖維強(qiáng)化塑料，一般指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚脂、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體。玻璃鋼具有加工容易，質(zhì)輕而硬，不銹不爛，不需油漆，機(jī)械強(qiáng)度高及耐腐蝕等特點(diǎn)。

玻璃鋼是近50多年來發(fā)展迅速的一種復(fù)合材料。玻璃纖維產(chǎn)量的70%都是用來制造玻璃鋼。玻璃鋼硬度高，比鋼材輕得多。我國已廣泛采用玻璃鋼制造各種小型汽艇、救生艇、游艇，以及汽車制造業(yè)等，同時(shí)近幾年來沿海漁民也漸漸用玻璃鋼材料代替漁業(yè)生產(chǎn)中使用的毛竹、鍍鋅管及木頭等材料，據(jù)了解一些地方紫菜養(yǎng)殖已用玻璃鋼管代替竹竿，使用年限已達(dá)6 a以上。

PPR管也稱三型聚丙烯管，PPR管具有重量輕、耐腐蝕、韌性好、耐沖擊、安裝方便及使用壽命長等特點(diǎn)。通過內(nèi)嵌PPR管加強(qiáng)了玻璃鋼水尺柱的強(qiáng)度和韌性，也便于玻璃鋼管之間銜接安裝。

304 不銹鋼具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能。對氧化性酸，在實(shí)驗(yàn)中得出：濃度≤65%的沸騰溫度以下的硝酸中，304不銹鋼具有很強(qiáng)的抗腐蝕性。對堿溶液及大部分有機(jī)酸和無機(jī)酸亦具有良好的耐腐蝕能力。

此次采用新型水尺材料具有耐腐蝕、重量輕、強(qiáng)度大、韌性好及易加工等特點(diǎn)，且這三種材料都在實(shí)際使用中得到過驗(yàn)證。為此，大大提高了井外水尺的使用壽命，減少了更換及維護(hù)管理的工作量及成本。

2.2 新型井外水尺的結(jié)構(gòu)

尺柱采用外徑Φ75mm玻璃鋼管，壁厚12 mm；內(nèi)嵌Φ62 mm等長的PPR內(nèi)管，壁厚16 mm，其中玻璃鋼管與PPR管均切割成4 m長度，再根據(jù)站點(diǎn)實(shí)際高度連接成玻璃鋼尺柱。尺柱隔50 cm處用沖擊鉆鉆孔，再通過螺栓固定，保證尺柱的整體性。井外水尺剖面圖詳見圖3。

不銹鋼水位尺用管窟固定在尺柱上，管窟與水位尺之間填塞橡皮，以保證水位尺的牢固，每米水位尺使用2個(gè)管窟固定，其中管窟高度為20 mm（見圖 4～ 圖 5）。

圖3 井外水尺剖面圖

圖4 井外水尺尺柱

圖5 水位尺固定

2.3 新型井外水尺的施工安裝

井外水尺的安裝采用階梯分段式設(shè)置（見圖6），上半段尺柱用膨脹螺釘及管窟固定在水上墩臺的一根主體樁上，下半段尺柱頂部也用同樣方式固定在水上墩臺，下半截打入海底。井外水尺尺柱安裝固定必須鉛直，同時(shí)通過水平尺測量以確保上半截尺柱底部、水上墩臺頂面及下半截尺柱頂在同一高度。

施工中采用小型吊機(jī)（2個(gè)人即可搬動）跟吊籃結(jié)合方式，將吊機(jī)安裝于站點(diǎn)引橋或驗(yàn)潮室四周走廊，在水上墩臺露出水面后即可施工，上半段井外水尺連接裝配后即可固定，下半段需要對實(shí)際水深進(jìn)行測量確定尺柱長度后再安裝，安裝情況見圖7～圖8。

圖6 井外水尺設(shè)置示意圖

圖7 井外水尺安裝施工

圖8 安裝好的井外水尺

2.4 新型井外水尺優(yōu)點(diǎn)及安裝注意事項(xiàng)

本次已完成所有站點(diǎn)的井外水尺安裝，根據(jù)安裝及了解的情況來看，新型井外水尺具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）水尺材料的優(yōu)越性：采用的玻璃鋼、PPR管及304材質(zhì)水位尺（含配件）都具有重量輕、強(qiáng)度好、韌性強(qiáng)、耐腐蝕及不容易變形的特性，大大提高了井外水尺的使用壽命，尺柱部分至少可以確保使用5 a以上，但其中的水位尺面板數(shù)字在海水中可能也存在褪色問題，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況更換水位尺。

（2）尺柱嵌套結(jié)構(gòu)的合理性：玻璃管無法采用常規(guī)焊接等工藝進(jìn)行連接，經(jīng)考慮采用玻璃鋼管內(nèi)部嵌套同等長度PPR管，每隔50 cm再通過304不銹鋼螺栓固定。該嵌套結(jié)構(gòu)保證了尺柱連接的整體性，同時(shí)內(nèi)嵌PPR管也增強(qiáng)了尺柱強(qiáng)度及韌性；克服了原先尺柱采用焊接工藝，導(dǎo)致在海水中焊接部位易腐蝕斷裂及鍍鋅管強(qiáng)度不夠等問題。

（3）管材長度的合理性：廠家定制玻璃鋼管一般長度為8m，而此次用于安裝的管材均切割成4m。主要原因有：①驗(yàn)潮站一般都位于偏遠(yuǎn)海邊，個(gè)別站點(diǎn)6 m長貨車都到不了現(xiàn)場。4 m的管材即適合運(yùn)輸也便于搬運(yùn)；②大部分站點(diǎn)上下段尺柱長度基本都在7 m左右，個(gè)別站點(diǎn)超過8 m。2根4 m的管材連接就可滿足要求，且僅要1個(gè)連接處，管材如果再短，導(dǎo)致連接處太多，影響整體結(jié)構(gòu)。

（4）水尺安裝設(shè)置的合理性：采用階梯分段式設(shè)置，上半段尺柱固定在主體樁上，下半段上半部固定在水上墩臺上，下半部打入海底。從而使水尺受力均衡，避免懸空，大大減少了原先懸空井外水尺易受災(zāi)害、船只碰撞、漂浮物碰撞以及人為原因破壞等因素的影響，也避免尺柱斷裂脫落后存在的安全隱患。

（5）水尺施工過程的合理性：以往水尺施工需要船只配合或利用建站時(shí)腳手架施工，同時(shí)施工人數(shù)要求較多。此次新型水尺施工采用吊機(jī)跟吊籃結(jié)合方式，在水上墩臺露出水面后即可施工，基本3個(gè)人在3 h內(nèi)就可全部完成。任何已建好的驗(yàn)潮站都可以采用該安裝工藝，該工藝具有安裝便捷、安全及效率高等優(yōu)點(diǎn)。

安裝中注意事項(xiàng)如下：

（1）上半段水位尺尺頂需高出理論最高潮位1m，下半段水位尺尺底需低于理論最低潮位0.5～1m。

（2）兩段水尺柱安裝都需要鉛直、牢固和觀測方便。

（3）水位尺之間連接不能有空隙，用于固定水位尺及固定水尺尺柱的管窟不能將水位尺上數(shù)字遮住。

（4）施工時(shí)，可將下半段尺柱底部削尖，便于尺柱打入海底；盡量選擇大潮水施工，增加水上施工時(shí)間。

（5）尺柱安裝位置處海蠣等海洋生物必須要清理干凈。必須確保上半段尺柱底部、水上墩臺頂面及下半段尺柱頂部位于同一水平高度。

3 新型井外水尺使用與校驗(yàn)

由于新安裝的井外水尺零點(diǎn)很難與原先確定的水尺零點(diǎn)一致，為保證水尺零點(diǎn)在基本水準(zhǔn)點(diǎn)下的高差不變，正確的做法是：將新水尺實(shí)際零點(diǎn)與原水尺零點(diǎn)對比，并將差值記錄，此時(shí)潮汐的記錄零點(diǎn)不要變，只記住這個(gè)差值就可以了。就是說，如果新水尺零點(diǎn)安裝得偏高，則讀取水尺讀數(shù)加上差值即為原水尺讀數(shù)，反之，則減去差值。這個(gè)概念要使每個(gè)觀測員在校對井內(nèi)外水尺讀數(shù)時(shí)都懂得。井內(nèi)水尺和驗(yàn)潮儀的記錄零點(diǎn)，必須保持在原水尺零點(diǎn)上[2]。

此次，改造的14個(gè)驗(yàn)潮站井外水尺都按以上方式進(jìn)行設(shè)置，并經(jīng)過了近半年的數(shù)據(jù)校核驗(yàn)證，結(jié)果完全符合規(guī)范及使用要求。以詔安赤石驗(yàn)潮站為例，新型井外水尺安裝完畢后，我們委托測繪部門按規(guī)范要求對新裝的井外水尺零點(diǎn)重新進(jìn)行水準(zhǔn)測量，測得新水尺零點(diǎn)與舊水尺零點(diǎn)差值為92cm。在每月一次的水尺校核比測中，經(jīng)現(xiàn)場觀測員對高中低潮的現(xiàn)場對比觀測，新舊水尺觀測讀數(shù)差值也約為92 cm（見表1），水尺觀測即是觀測者直接觀測水尺上的水位高度[5]。通過該站新舊水尺零點(diǎn)差值與讀數(shù)差值的對比，兩者數(shù)值基本一致（在1cm范圍內(nèi)），從而也驗(yàn)證了新水尺零點(diǎn)測量的準(zhǔn)確及新型水尺安裝的穩(wěn)定可靠。

表1 詔安赤石驗(yàn)潮站新舊水尺觀測對比

4 結(jié)語

階梯分段式新型井外水尺在全國沿海驗(yàn)潮站中首次創(chuàng)新使用，該水尺解決了原有井外水尺一直存在的易腐蝕、易損壞、維護(hù)工作大、壽命短及不易安裝等問題，提高了井外水尺的使用壽命、減少了定期更換井外水尺的工作量和費(fèi)用，也保障了驗(yàn)潮站工作穩(wěn)定有序開展。

該新型水尺完全可以取代舊有鍍鋅管或水泥材質(zhì)的井外水尺，該水尺安裝工藝成熟簡單，完全可以適合目前所有驗(yàn)潮站井外水尺改造任務(wù)，具有很大的推廣意義。

[1]國家海洋局.GB/T14914-2006.海濱觀測規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2]許永倫.水尺零點(diǎn)技術(shù)管理評述[J].海洋技術(shù)，1992,11（1）：80-82.

[3]阮銳.潮汐測量與驗(yàn)潮技術(shù)的發(fā)展[J].海洋技術(shù)，2001,20（3）：68-71.

[4]王有福，鄭偉，牛小軍.水位站系列設(shè)施正規(guī)化規(guī)范化建設(shè)芻議[J].治黃科技信息，2007（5）14-15.

[5]肖付民,趙江 ,陳日高,等.三種驗(yàn)潮方法水位觀測性能比較與統(tǒng)計(jì)分析[J].海洋測繪，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

福建省海洋災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目資助

林航（1978-），男，工程師，主要從事海洋觀測臺站建設(shè)、運(yùn)行保障及管理工作。E-mail：LinhangLL@163.com