長江口深水航道治理工程中現(xiàn)場觀測方法及新技術(shù)應(yīng)用

高敏

（交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003）

0 引言

長江口是典型的潮汐河口，具有豐水、多沙及中等強度潮差（但潮量巨大）的特征。長江口河床演變和水沙運動規(guī)律復(fù)雜，對長江口河床沖淤變化規(guī)律和水沙運動特性的認識必須建立在對長江口現(xiàn)場地形、水文泥沙測驗資料等長期積累和分析的基礎(chǔ)上。長江口深水航道治理工程實施前即確定了動態(tài)管理[1]的指導(dǎo)思想，動態(tài)管理的基礎(chǔ)是現(xiàn)場監(jiān)測成果，只有掌握了現(xiàn)場地形和水沙鹽的變化情況，才能通過科研試驗，來適時優(yōu)化設(shè)計施工方案，確保整治效果的實現(xiàn)。

對地形和水、沙、鹽等不同要素的觀測需要根據(jù)觀測和研究的目的采用不同的觀測方法，并采用相應(yīng)的觀測技術(shù)手段。本文主要根據(jù)長江口深水航道治理工程建設(shè)和維護期的觀測和研究實踐，概要介紹本工程現(xiàn)場觀測原則、觀測方法和新技術(shù)的應(yīng)用等。

1 工程特點

長江口深水航道治理工程是一項施工強度大、施工條件差，在河勢條件復(fù)雜多變的巨型多沙河口實施的一項重大工程，本工程必須開展大量的現(xiàn)場監(jiān)測，是由長江口特殊自然條件決定的[2]。

1）局部河勢的變化存在不確定性

長江口的自然條件可以概括為“茫茫無邊的江面，動蕩變化的河勢，沖淤不定的砂洲”。工程前40余a的研究成果雖然揭示了長江口水沙運動及河床演變的基本規(guī)律，提出了總體治理方案，但整個長江口仍基本處于自然狀態(tài)，洲灘尚不穩(wěn)定，南支河段尚未形成穩(wěn)定的邊界條件，南支下段汊道眾多，加之水沙條件及變化復(fù)雜，灘槽的沖淤變化仍存在相當程度的不確定性。而且，在當前技術(shù)水平條件下，作為整治方案基礎(chǔ)的數(shù)、物模研究成果尚不可能做到定量準確。鑒于上述原因，在基本確定總體治理方案的條件下，在工程實施過程中，有必要跟蹤分析現(xiàn)場的水沙鹽和地形等要素的變化情況，通過科學(xué)的動態(tài)管理，適時優(yōu)化設(shè)計和施工方案等。

2）灘面物質(zhì)易發(fā)生沖蝕

工程區(qū)域灘面主要由d50≈0.01~0.03 mm的粉細砂組成，極易受水流作用而掀揚和運移。除天然流場的年季變化會導(dǎo)致灘面沖淤外，建筑物的施工也必然引起周邊流場的改變，通常會使沿堤流發(fā)育而加劇堤側(cè)及堤頭前方灘地一定范圍內(nèi)地形發(fā)生沖淤調(diào)整，造成工程量劇增，甚至危及建筑物的穩(wěn)定。需要加強對整治建筑物周邊地形的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果適時優(yōu)化設(shè)計并采用一定的工程措施，來保證堤壩的安全和最終整治效果的實現(xiàn)。

3）長江口水動力條件和泥沙運移非常復(fù)雜

長江口動力作用以徑流和潮流為主，在不同區(qū)段各種動力起到的作用不同，而流域來水來沙條件的季節(jié)性變化以及潮汐條件的大、中、小潮周期的變化和波浪等的影響，使得長江口動力條件的時空分布極為復(fù)雜。而在河口的不同區(qū)段，動力條件的差異、地形地貌的不同和含鹽度時空分布的變化等對泥沙運移規(guī)律也存在巨大的影響。特別是本工程所在的攔門沙河段，水沙鹽的運動規(guī)律和時空變化等對工程建設(shè)以及航道回淤的影響尚難以準確把握，有必要通過大量的現(xiàn)場監(jiān)測來積累資料，開展研究，以期深入掌握這些因素的變化規(guī)律、為工程建設(shè)和維護服務(wù)。

鑒于現(xiàn)場監(jiān)測的重要性，在本工程前期研究階段、工程的建設(shè)和維護階段，都必須重視和建立必要的監(jiān)測制度，采用必要的監(jiān)測手段并進行技術(shù)創(chuàng)新，來充分掌握流域來水來沙的變化、河口大范圍地形及整治建筑物周邊局部地形的變化以及河口水沙鹽的時空分布及變化等，并根據(jù)不同的研究目的安排專項的水文泥沙觀測，為工程動態(tài)管理和科學(xué)研究提供基本資料。

2 觀測方法和主要內(nèi)容

2.1 觀測布置原則

根據(jù)長江口自然條件的特點和本工程建設(shè)的需要，確定如下監(jiān)測布置原則：

1）應(yīng)能把握長江口地形的總體變化，據(jù)以分析演變趨勢

如前所述，長江口總體河勢基本穩(wěn)定，但存在著局部不利變化，通過監(jiān)測和分析，能夠掌握長江口總體河勢的自然變化及其與整治工程的相互影響，分析整治工程的治理效果。

2）監(jiān)測安排應(yīng)考慮長江口水沙特性的季節(jié)性及大中小潮周期的變化

長江流域來水來沙量存在明顯的洪枯季變化，受大中小潮過程潮汐變化的影響，河口水沙鹽等要素也存在周期性的變化，在監(jiān)測安排上應(yīng)考慮這些因素的影響，反映河口的自然要素的變化。

3）應(yīng)能反映整治建筑物周邊局部地形的變化，以保證堤壩安全

整治建筑物工程的實施，必然引起周邊流場進而地形的變化，通過監(jiān)測，能夠掌握整治建筑物周邊的變化，及時發(fā)現(xiàn)局部沖刷發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)問題后能及時采取措施，保證堤壩的安全。

4）應(yīng)能反映長江口主要汊道的分流分沙情況

長江口三級分汊四口入海，各汊道的分流分沙比的大小是評價汊道發(fā)育程度和發(fā)展變化的重要指標，應(yīng)充分掌握河口自然演變及相關(guān)涉水工程（包括本工程）建設(shè)對各汊道分流分沙的影響。

5）能基本掌握長江口各主要汊道特別是整治段的水沙運動情況

長江口各汊道動力泥沙條件不同，而且隨著洪枯季、大中小潮不同也存在巨大差異。應(yīng)在主要汊道的灘槽布置一定的水文泥沙觀測點和斷面，掌握各汊道水文泥沙的基本屬性和變化，分析河口自然演變和相關(guān)涉水工程建設(shè)的影響。

6）根據(jù)工程建設(shè)和維護的研究需要，安排專項觀測

除了常規(guī)的地形和水文泥沙觀測外，根據(jù)工程的進展情況和解決特定問題的需要，安排一些特殊的專項觀測，如近底水沙觀測，堤壩越堤水沙觀測，通量觀測等，分析局部水沙運動特征及對航道回淤的影響等。

7）掌握總體、突出重點、經(jīng)濟合理的原則

長江河口水域面積達6 000 km2，如果全范圍大規(guī)模的監(jiān)測，需要投入大量的資金。監(jiān)測布置應(yīng)立足于工程建設(shè)和研究的需要，能掌握總體、把握重點，做到經(jīng)濟合理。

2.2 觀測內(nèi)容和方法

根據(jù)觀測布置原則和研究的需要，從一期工程開始，就制訂了一整套嚴密的對水沙運動、河勢地形等的觀測制度，對觀測內(nèi)容、方法、頻次、提交成果的要求等均做出了具體規(guī)定，明確了相應(yīng)的技術(shù)標準；在每年實施過程中，則根據(jù)工程進展情況和研究需要做局部調(diào)整，取得了極其豐富、完整、連續(xù)的觀測資料（見表1）。

表1 長江口深水航道治理工程主要觀測內(nèi)容和方法Table 1 The main observation content and method of the project

1）長江口總體河勢地形觀測

長江口河勢地形監(jiān)測包括地形水深斷面測量和部分點的底質(zhì)采樣。根據(jù)掌握總體、突出重點、經(jīng)濟合理的原則，對各區(qū)域的監(jiān)測斷面布置、監(jiān)測頻次等做出了不同的安排。

為掌握長江口河勢總體變化情況，每3~5 a在洪季安排1次長江口水域的地形測量，測量范圍為徐六涇以下各汊道至口外10 m等深線附近。對整治工程上游河勢地形變化較大的南支河段，以及與本工程相鄰的南槽河段，每年在洪枯季安排兩次地形測量。對工程所在的南港北槽河段，在工程建設(shè)期每季度安排1次地形測量，在臺風(fēng)寒潮大浪前后，根據(jù)實際情況安排補充地形測量，監(jiān)測風(fēng)浪對地形的影響。

根據(jù)長江口流場和地形的特點，口內(nèi)各汊道為往復(fù)流控制，地形沿縱向起伏變化較小，沿橫斷面灘槽水深差異較大，地形測線主要沿著橫斷面布置。在工程上游的南支和北支河段、北港河段以及南槽中下段的斷面間距為2 km；在局部河勢變化較大的南北港分流口河段、工程所在的北槽河段及相鄰的南槽上口河段，斷面間距為1 km；口外河段的斷面間距為2~4 km不等。

底質(zhì)采樣點主要布置在深水航道所在的南港及北槽河段，主要布設(shè)在航道內(nèi)及邊灘，以掌握底質(zhì)顆分的變化。

2）整治建筑物周邊地形固定斷面測量

為掌握整治建筑物工程實施前后整治建筑物周邊局部地形的變化情況，在工程開工前、工程實施過程中及工程后，沿著垂直整治建筑物軸線方向，設(shè)置一定數(shù)量的地形監(jiān)測斷面，持續(xù)觀測堤側(cè)地形變化和發(fā)展情況。固定斷面布設(shè)的間距和測線長度則主要根據(jù)建筑物所在區(qū)域的流場條件和底質(zhì)條件確定。一般在堤頭、壩頭等沖刷較劇烈的區(qū)域，測線的密度和測量的頻次會加大。在實踐中，若局部沖刷發(fā)展較快，危及到堤壩的安全，則短期內(nèi)會采取斷面加密、測量頻次增加的方法，必要時安排潛水探摸，確定沖刷發(fā)育情況。

在施工期，根據(jù)現(xiàn)場需要，在合攏口、堤側(cè)和堤壩頭區(qū)域布置一定的水文觀測點；為監(jiān)測導(dǎo)堤堤身沉降情況，按一定的密度在導(dǎo)堤丁壩上布設(shè)沉降位移觀測點，定期進行高程測量。

3）航道地形測量

在疏浚工程基建和維護過程中，為監(jiān)測航道浚深情況，分析航道疏浚成槽效果和計算航道回淤量等，根據(jù)國家的有關(guān)測量標準和規(guī)定，安排了航道疏浚施工測量和航道考核測量。

航道疏浚施工測量每周1次，根據(jù)測量結(jié)果適時調(diào)整疏浚施工船舶位置，指導(dǎo)疏浚施工；航道考核測量按照國家規(guī)定，一般洪季（5—10月）每月安排2次，枯季（11—4月）每月安排1次，測量成果主要用于航道通航管理。

4）主要汊道分流分沙比水文測驗

為掌握河口主要汊道特別是工程所在的北槽的分流分沙比變化，在南北港、南北槽等主要汊道安排了本項觀測，測量站點及斷面布置見圖1。測驗內(nèi)容包括：固定垂線水文測驗、ADCP斷面測驗和動船取沙垂線測驗。固定垂線主要監(jiān)測分層（6層）的流速、流向、懸移質(zhì)含沙量、含鹽度、懸移質(zhì)顆分及底質(zhì)顆分；ADCP斷面主要監(jiān)測斷面流速、流向；動船取沙垂線主要采集懸移質(zhì)水樣，計算分層含沙量。整個測驗需在一個全潮（約28 h）內(nèi)完成。

根據(jù)長江口洪枯季水沙條件差異較大的特點，南北港斷面的分流分沙比每年洪枯季各安排1次測驗，位于工程建設(shè)區(qū)域的南北槽分流分沙比斷面每季度安排1次測驗，進入維護期后調(diào)整為洪枯季各1次。

圖1 長江口固定垂線測點、分流比斷面、潮位站和固定斷面測量布置圖Fig.1 Layout of the fixed vertical point，the split ratio section，the tide level station and the fixed section at the Yangtze estuary

5）主要汊道流場及水文泥沙測驗

為掌握長江口各汊道的動力泥沙條件的總體變化情況，主要在徐六涇至口門10 m等深線以內(nèi)的主要汊道內(nèi)布設(shè)一些固定垂線觀測點和ADCP走航斷面進行觀測。測驗時間主要安排在洪枯季的大潮期間。

為重點掌握南港北槽整治段的水文泥沙變化，南港北槽段每年安排1次洪枯季水文測驗；為分析水文泥沙條件隨大、中、小潮的變化，安排一定次數(shù)的固定垂線大、中、小潮水文泥沙測驗；為分析南港北槽整治段工程實施前后斷面流速分布及變化，安排了一定斷面開展ADCP斷面流速測驗。

6）近底水文泥沙測驗

傳統(tǒng)的水文泥沙測驗方法無法掌握河床近底處的水文泥沙變化情況，而近底水沙的變化對航道回淤的影響最大。為此，在工程建設(shè)和維護階段，逐步開發(fā)和安排了近底水沙觀測，獲得了近底1.5 m內(nèi)垂線測點的含沙量、含鹽度和水溫等資料以及垂線流速分布資料，為分析近底的水沙輸移特征提供了基礎(chǔ)資料。近底水文泥沙測驗一般施測整個大、中、小潮完整過程。

7）斷面水沙通量觀測

為分析北槽上下口及南北導(dǎo)堤輸水輸沙對北槽水沙交換及航道回淤的影響，在北槽上下口斷面布設(shè)ADCP測流斷面，結(jié)合斷面上的動船垂線水質(zhì)取樣，整編出斷面輸水輸沙量；在南、北導(dǎo)堤堤頂布設(shè)一定數(shù)量的水沙觀測點，分析各處的水沙輸移過程。每次測驗涵蓋大、中和小潮過程，為分析北槽泥沙來源積累基礎(chǔ)資料。

8）南港北槽航道浮泥觀測

在本工程建設(shè)和維護過程中，多次發(fā)生臺風(fēng)寒潮過后的航道驟淤浮泥驟淤現(xiàn)象，為研究南港北槽浮泥運移消亡過程，掌握浮泥的運移變化，多次安排了大風(fēng)浪后的浮泥觀測。利用引進的Silas浮泥觀測系統(tǒng)，監(jiān)測浮泥的時空分布和垂向密度分布等。為風(fēng)浪后的航道維護疏浚提供指導(dǎo)，并為今后浮泥適航水深應(yīng)用研究積累基礎(chǔ)資料。

3 主要觀測技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用

根據(jù)工程建設(shè)和維護的觀測研究需要，開發(fā)、引進和使用了一批新型觀測儀器，開發(fā)和集成了部分新型的觀測技術(shù)，獲得了大量的寶貴資料。主要開發(fā)和應(yīng)用的技術(shù)有：

1）無驗潮測深技術(shù)的開發(fā)

由于本工程建立了GPS控制網(wǎng)，大范圍工程區(qū)平面定位精度得到了保障；建立了高程異常網(wǎng)，使得同步高程測量可采用GPS技術(shù)實現(xiàn)。從而，整治建筑物工程的1954北京坐標和吳淞高程三維坐標均可利用GPS測定。在此基礎(chǔ)上，本工程創(chuàng)造性地提出并實現(xiàn)了采用GPS與測深儀結(jié)合的不測定水面高程（即潮位）的無驗潮水深測量[2]。

無驗潮測量徹底改變了以水面高程為基準的傳統(tǒng)水深測量方法，拋棄了傳統(tǒng)測深作業(yè)中大量且繁瑣的潮位改正作業(yè)，從而也避免了驗潮誤差、測點與潮位站水面高差、逐點測深與驗潮時刻的不完全同步帶來的誤差等一系列對測深精度的影響。

開發(fā)無驗潮測深系統(tǒng)時，還通過軟件處理解決了GPS數(shù)據(jù)與測深數(shù)據(jù)同步采集的技術(shù)難題，論證了在測深儀能確保收到回波信號的可作業(yè)海況條件下，浪流對測量精度的影響可控制在平面22.2 cm、高程5.1 cm，滿足我國現(xiàn)行測量規(guī)范的要求。

2）集成開發(fā)了近底水沙觀測系統(tǒng)

為分析和掌握近底水體的水沙輸移過程，開發(fā)了坐底三腳架觀測系統(tǒng)[3]，集成了各種測流、測沙、測鹽、水位和波浪的監(jiān)測儀器（圖2），采用自容式觀測，獲取了測驗處垂線上不同高程的水沙鹽等要素的連續(xù)變化資料，并避免了常規(guī)水文測驗常因風(fēng)浪影響而無法作業(yè)的影響[2]。該觀測系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于淺灘的水文泥沙觀測，為觀測南北導(dǎo)堤堤頂?shù)乃齿斠魄闆r，還開發(fā)了小型三腳架觀測系統(tǒng)。

圖2 坐底三角架觀測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch of the bottom resting tripod observing system

3）建成長江口水文、泥沙、波浪自動監(jiān)測系統(tǒng)

為獲得連續(xù)、系統(tǒng)的現(xiàn)場水文泥沙監(jiān)測資料，為深水航道工程建設(shè)、維護以及長江口的綜合治理研究服務(wù)，本工程建成了一套水文、泥沙、波浪自動監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of the field monitoring system structure

該系統(tǒng)由徐六涇斷面流量、輸沙率觀測系統(tǒng)和橫沙以下水文泥沙波浪自動監(jiān)測系統(tǒng)組成。徐六涇站包括1個平臺測站和4個浮標測站，橫沙以下站包括3個平臺測站、7個浮標測站系統(tǒng)組成。各測站分別配備了潮位接收機、波浪接收機、ADP（或ADCP）流速剖面儀、OBS-3濁度計、數(shù)據(jù)采集裝置、VHF數(shù)字電臺、電源系統(tǒng)等，能夠?qū)﹂L江口水域徐六涇斷面流量和輸沙率以及北槽和南槽7個點的水流、泥沙、波浪等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，自動存儲，無線傳輸。為國內(nèi)水運工程中第一套大型水文、泥沙監(jiān)測系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)建設(shè)前，大通水文站是長江入海前的最后一個輸水輸沙量觀測控制站，但大通站距長江口徐六涇斷面約為515 km，其間有多條支流匯入，兩岸引排水密布，大通站的水沙資料不足以代表進入長江口的來水來沙條件。徐六涇斷面利用5條觀測垂線的流速和含沙量觀測資料，通過大量的研究計算和現(xiàn)場不同觀測方法的比對，研究出多垂線流量和輸沙率與斷面流量和輸沙率的關(guān)系[4]，獲得徐六涇斷面逐時連續(xù)的斷面水沙觀測資料，為長江口綜合治理研究提供了寶貴的基礎(chǔ)資料。

4 結(jié)語

根據(jù)前述觀測制度和觀測技術(shù)，在長江口深水航道治理工程的建設(shè)和維護過程中安排了大量的連續(xù)觀測，獲得了大批寶貴的基礎(chǔ)資料，為本工程實施動態(tài)管理提供了基礎(chǔ)條件，在此基礎(chǔ)上開展了大量的科學(xué)研究，保障了工程的順利建成和12.5 m深水航道的良好維護。

本工程中確定的觀測原則、觀測內(nèi)容、觀測方法和開發(fā)的觀測技術(shù)在我國后續(xù)的一些大型水運工程中得到推廣應(yīng)用，提升了行業(yè)技術(shù)水平。

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[2] 范期錦，金镠，蔡云鶴，等.長江口深水航道治理工程成套技術(shù)：總報告[R].上海：交通部長江口航道管理局，2006.FAN Qi-jin，JIN Liu，CAI Yun-he，et al.Complete technology of the Yangtzeestuary deepwater channel improvement project：general report[R].Shanghai：Yangtze Estuary Authority of Navigational Channel，MOT.，2006.

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