基于ADCP的長江河口推移質(zhì)運(yùn)動特性研究

陸雪駿，程和琴，胡浩，郭興杰，劉高偉，吳帥虎

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062）

推移質(zhì)運(yùn)動是河流中泥沙運(yùn)動的普遍形式之一，對地貌演變有重要影響，所以理解推移質(zhì)運(yùn)動對實際生產(chǎn)有著重要的理論指導(dǎo)意義。由于推移質(zhì)運(yùn)動處于水底床面附近，以往受限于觀測方法和儀器條件，觀測難度較大、耗資巨大，成為人類工程建設(shè)的一個技術(shù)難點。

傳統(tǒng)推移質(zhì)觀測由于采樣器的阻水作用，改變了床面運(yùn)行的推移泥沙的水力條件，造成偏差（張瑞瑾等，1998），隨著測量技術(shù)的發(fā)展，利用新型的測量儀器嘗試觀測推移質(zhì)運(yùn)動成為可能。國外Rennie 等（2002） 首先利用ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀） 的底跟蹤（Bottom Track） 功能觀測河床推移質(zhì)視速度（va），發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)采樣器測的推移質(zhì)輸沙率有高度相關(guān)性，確認(rèn)ADCP 觀測推移質(zhì)運(yùn)動的可行性（Colin，2002；Colin，2004）；國內(nèi)吳中等（2002） 建立ADCP 的底跟蹤和GPS 信號的聯(lián)系，證實了利用ADCP 底跟蹤與GPS 定位差距分析底沙運(yùn)動的理論正確、方法可行（吳中等，2002）。ADCP 觀測推移質(zhì)方法優(yōu)于傳統(tǒng)采砂器測量方法，采用非侵入式手段，不破壞現(xiàn)場水流結(jié)構(gòu)。在實際測量應(yīng)用中，把ADCP 測得推移質(zhì)運(yùn)動視速度近似看作推移質(zhì)運(yùn)動速度（Kostaschuk，2005），對了解和掌握長江口推移質(zhì)運(yùn)動規(guī)律有重要意義。

本文采用定點測量方法，利用ADCP 對長江口砂質(zhì)河床推移質(zhì)運(yùn)動進(jìn)行觀測，分析了推移質(zhì)運(yùn)動在漲、落潮周期內(nèi)的變化情況。

1 數(shù)據(jù)采集

ADCP 的實測資料來自筆者所在課題組在長江口S1（長興島北側(cè)）、S2（南北槽分流口）、S3（崇明東灘南側(cè)）、S4（橫沙島北側(cè)）、S5（南匯南灘） 和S6（橫沙通道北側(cè)） 共6 個測點的定點水文觀測（圖1） 資料，時間尺度為二個潮周期。S1、S3、S4、S5 測點于2012年6月6-7日測量，S2 測點于2013年7月10-11日測量，S6 測點于2013年7月1-2日測量。

此次數(shù)據(jù)采集使用的是美國RDI 公司生產(chǎn)的600 kHz 型ADCP，具體由WinRiver 軟件對ADCP的換能器實現(xiàn)操控和采樣，采樣時間間隔設(shè)置為5 s，換能器入水深度為1 m。同時，采用高精度差分GPS 和外部GPS 羅經(jīng)進(jìn)行定位。

底層泥樣采集采用帽式采集器，并用聚乙烯塑料袋密封存放。在實驗室內(nèi)，用超聲波震蕩分散，使用MASTER SIZER 2000 型激光粒度分析儀經(jīng)行粒度分析。

圖1 長江口自然地理概況及測站位置

2 觀測原理

ADCP 是目前世界上先進(jìn)的流速流量測量設(shè)備，其利用多普勒原理探測水體中微顆粒的運(yùn)動速度而推測水體流速。ADCP 提供兩種方法測量安裝平臺的速度：一是“底跟蹤”技術(shù)，ADCP 通過接收和處理來自水底的回波信號而計算得到ADCP 的安裝平臺與底床的相對速度（vBT）；二是利用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)測量安裝平臺的速度（vDGPS）（趙勝凱 等，2007；楊俊輝，2009）。在測量時，如果床面沒有推移質(zhì)運(yùn)動，那么ADCP 的安裝平臺相對于底床的速度等于安裝平臺參照GPS 得到的速度，即：

圖2 各測點漲落急階段航跡圖（底跟蹤航跡為三角形，GPS航跡為正方形）

如果是存在推移質(zhì)運(yùn)動的情況下，那么ADCP的安裝平臺相對于水底的速度和安裝平臺參照GPS得到的速度之間存在偏差，差值就是推移質(zhì)運(yùn)動速度（va） （Colin D，2002），即：

ADCP 所提供的測量速度有東西（ve）、南北（vn） 方向上的分量，利用公式計算出速度（Colin，2007）：

3 結(jié)果

3.1 各測點航跡圖

通過ADCP 數(shù)據(jù)處理軟件WinRiver 查看航跡圖，筆者選取了各站點觀測期間漲、落急時段的航跡圖（圖3），三角形代表測量船參考底跟蹤的航跡，正方形代表測量船參考GPS 定位的航跡。通過航跡圖，能夠觀察到，底跟蹤的航跡與GPS的航跡有明顯的偏移，且各測點落潮與漲潮時刻的偏移方向是相反的。S1 測點落急時段，GPS 航跡基本不變，符合定點測量的事實；底跟蹤航跡持續(xù)向西北方向延伸了一段距離，起點為（0，0），終點為（-256，230），航跡向西北方向移動了344 m，歷時為2 400 s，由此可算出船的平均相對運(yùn)動速度為0.51 m/s，即底床相對于測量船的運(yùn)動平均速度為0.51 m/s。由此說明底床存在推移質(zhì)運(yùn)動。同樣，S1 漲急時段和S2、S3、S4、S5、S6 漲、落急時段都存在推移質(zhì)運(yùn)動。

可見，在漲、落急時段流速較強(qiáng)、推移質(zhì)運(yùn)動速度較大時，ADCP 可以直觀地觀測到推移質(zhì)運(yùn)動速度變化，且通過觀察水流流向（表1） 和底跟蹤航跡偏移方向，可得出推移質(zhì)運(yùn)動方向和水流流向基本一致。

3.2 各測點潮流特征

S1、S2、S3、S4、S5、S6 測點處的潮流性質(zhì)屬于非正規(guī)半日淺海潮流，水流運(yùn)動形式為往復(fù)流，漲落潮流向相反（沈煥庭等，1979）。觀測數(shù)據(jù)顯示（表1），受長江徑流量及測點位置的影響，S1、S2、S3、S4 和S6 測點落潮平均流速一般比漲潮平均流速大；因S5 測點位于最大渾濁帶的攔門沙區(qū)域，潮流和徑流動力條件相當(dāng)，故漲、落潮平均流速差別不大。S1、S2、S4 和S6 測點落潮最大流速與漲潮最大流速，分別相差0.56 m/s、0.12 m/s、0.29 m/s、0.16 m/s；S3 和S5 測點情況相反，漲潮最大流速比落潮分別大了0.11 m/s 和0.82 m/s。

表1 各測點落潮、漲潮流速對比單位：m/s

S1、S2、S3 和S4 的流速過程線存在著明顯的不對稱現(xiàn)象，落潮流速過程線相對平緩且持續(xù)時間較長；漲潮流速過程線的頂峰明顯且持續(xù)時間短，落潮流的強(qiáng)度超過漲潮流，落潮歷時長于漲潮歷時，強(qiáng)流速時間持續(xù)3～4 小時。漲、落潮流流向基本上與河槽主軸線平行。S5 和S6 測點漲、落潮流速過程線基本上對稱，漲落潮峰值和持續(xù)時間都相近。

3.3 各測點床沙粒徑

各測點床沙粒徑統(tǒng)計如表2，S1 測點的中值粒徑最大，D50=0.094 mm，為極細(xì)砂質(zhì)。S6 測點的中值粒徑最小，D50=0.010 mm，為中黏土質(zhì)。所以此次研究討論范圍在粗粉砂至極細(xì)砂質(zhì)河床。

表2 各測點河床粒徑統(tǒng)計表

4 討論

4.1 推移質(zhì)運(yùn)動速度隨流速變化過程

圖3 各測點垂線平均流速（實線）、平均流向（虛線） 和推移質(zhì)運(yùn)動速度

通過公式（2） 和公式（3） 可計算出推移質(zhì)運(yùn)動速度，可以直觀地看到推移質(zhì)運(yùn)動速度在潮周期內(nèi)的變化過程（圖3）。觀察推移質(zhì)運(yùn)動速度變化過程曲線和潮流流速變化過程曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)“對應(yīng)、不對稱”的特征。

“對應(yīng)”指在觀測的二個潮周期內(nèi)，各測點的推移質(zhì)運(yùn)動速度變化都與垂線平均流速變化一致，即在落急和漲急時段，推移質(zhì)運(yùn)動速度會達(dá)到最大值。但在S1（10 ∶25-15 ∶25）、S2（10 ∶25-15 ∶25） 測點的一次漲潮過程中和S3（7 ∶45-22 ∶45）測點的一次漲潮至落潮的變化過程中，推移質(zhì)運(yùn)動速度并沒有明顯的增大后又減小的變化過程，這與潮流流速和底質(zhì)粒徑大小有關(guān)，過小的流速不能使該測點底質(zhì)發(fā)生推移質(zhì)運(yùn)動（錢寧等，1983）。

“不對稱”現(xiàn)象指推移質(zhì)運(yùn)動速度變化歷時比潮流流速變化歷時短（表3），推移質(zhì)運(yùn)動速度變化過程曲線與潮流流速變化曲線比較，其峰值較尖。以泥沙起動流速為臨界劃分推移質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)（胡浩等，2014），當(dāng)流速達(dá)到臨界流速時，明顯的推移質(zhì)運(yùn)動才會發(fā)生，這與測點的底質(zhì)粒徑大小有關(guān)（圖4）。

各測點底質(zhì)粒徑與推移質(zhì)運(yùn)動起動臨界速度形成反比趨勢，受細(xì)顆粒泥沙之間的粘結(jié)力的影響，隨著粒徑的減小，也變得越來越不容易起動。

表3 各測點潮流、推移質(zhì)運(yùn)動速度變化歷時單位：h

圖4 各測點臨界流速和中值粒徑關(guān)系

4.2 推移質(zhì)運(yùn)動速度變化特征

表4 為各測點推移質(zhì)運(yùn)動速度的統(tǒng)計，S1、S2、S3、S4 和S6 測點落急的推移質(zhì)運(yùn)動速度均大于漲急的推移質(zhì)運(yùn)動速度，且落潮階段推移質(zhì)運(yùn)動持續(xù)時間大于漲潮階段（圖3）；S5 測點的推移質(zhì)運(yùn)動漲、落潮時段沒有明顯的差別，這與當(dāng)?shù)氐某绷魈卣鞅３忠恢隆?/p>

S1、S2、S3、S4、S5、S6 各測點受淺海、河口水下地形、徑流等影響，潮流變化均有顯著的潮汐不等特征，相鄰的二次落潮或（漲潮） 的流速不等，導(dǎo)致了各測點相鄰的二次落急（或漲急） 的推移質(zhì)運(yùn)動速度不等。這種不等在S1 和S3 測點體現(xiàn)得尤為明顯，S1 測點第一次落潮推移質(zhì)運(yùn)動速度比第二次落潮推移質(zhì)運(yùn)動速度大了一個數(shù)量級（表4）；在S3 測點，第一次漲落潮推移質(zhì)運(yùn)動速度明顯大于第二次落潮推移質(zhì)運(yùn)動速度，甚至在第二次落潮和漲潮之間的推移質(zhì)運(yùn)動速度始終保持在一個較小的值，沒有發(fā)生明顯起伏變化（圖3）；同樣，在S2 的兩次漲潮時段和S4、S6 的兩次落潮時段都出現(xiàn)了推移質(zhì)運(yùn)動速度日變化不相等的情況。在各測點，潮汐不等現(xiàn)象導(dǎo)致了推移質(zhì)運(yùn)動速度的日變化不等，又因為臨界起動速度的存在，使推移質(zhì)運(yùn)動速度的變化不等現(xiàn)象比潮汐日不等現(xiàn)象更加顯著，說明在較長時間尺度下，長江河口凈推移質(zhì)輸沙方向與落潮流方向一致。

表4 各測點漲、落急時段推移質(zhì)運(yùn)動速度單位：m/s

4.3 誤差分析

基于ADCP 測量推移質(zhì)運(yùn)動的誤差主要由DGPS 系統(tǒng)誤差、船體晃動產(chǎn)生的傾斜誤差和ADCP 自身噪聲組成。

在潮流轉(zhuǎn)流時段，因為流速變小，甚至為零，所以實際推移質(zhì)運(yùn)動速度為零。但在圖3 中我們可以看到，在各測點轉(zhuǎn)流時段，推移質(zhì)運(yùn)動速度雖然小但不為零，這是因為GPS 存在誤差，無法與底跟蹤完全同步。可以認(rèn)為在潮流轉(zhuǎn)流時段，流速條件不足以發(fā)生推移質(zhì)運(yùn)動，而此時推算出的推移質(zhì)運(yùn)動速度就是絕對誤差的下限，對實際推移質(zhì)運(yùn)動速度存在高估，通過計算高估值范圍在0.016-0.038 m/s 之間（表4）?？梢姡琒1 落急1，S2 落急1、漲急1、落急2 和S6 落急2 計算得出的推移質(zhì)運(yùn)動速度比高估值大了一個量級，具有較高的可信度。

5 結(jié)語

（1） 通過ADCP 多普勒流速剖面儀觀測，在漲急、落急時段有明顯的推移質(zhì)運(yùn)動，能直觀體現(xiàn)半日潮對底沙運(yùn)動的周期性影響。

（2） 推移質(zhì)運(yùn)動速度變化過程曲線和潮流流速變化過程曲線呈現(xiàn)“對應(yīng)、不對稱”的特征。

（3） 推移質(zhì)運(yùn)動速度的日不等現(xiàn)象比潮流流速日不等現(xiàn)象更加顯著。

（4） 通過轉(zhuǎn)流時段推移質(zhì)運(yùn)動不存在的特征，計算出使用ADCP 觀測推移質(zhì)運(yùn)動速度的高估范圍為0.016-0.038 m/s。

C.D.Rennie,F.Rainville,S.Kashyap,2007.Improved estimation of ADCP Apparent bed-load velocity using a real-time Kalman filter.Journal of Hydraulic Engineering. (12) :1337-1344.

Colin D.Rennie,Robert G.Millarand, Michael A, 2002.Measurement of Bed Load Velocity using an Acoustic Doppler Current Profiler Church.Journal of Hydraulic Engineering,128:473-483.

Colin D. Rennie, Paul V. Villard, 2004. Site specificity of bed load measurement using an acoustic Doppler current profiler. Journal of Geophysical Research,109.

Kostaschuk R,Best J,Villard P,et al, 2005.Measuring flow velocity and sediment transport with an acoustic Doppler current profiler.Geomorphology.May 15,68 (1/2) :25-37.

胡浩，程和琴，楊忠勇，2014.基于ADCP 的長江口推移質(zhì)運(yùn)動遙測技術(shù)研究.人民長江，45（14）：6-9.

錢寧，萬兆惠，1983.泥沙運(yùn)動力學(xué)，北京：科學(xué)出版社.

沈煥庭，潘定安，1979.長江河口潮流特性及其對河槽演變的影響.華東師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），01：131-144.

吳中，陳力平，游目林，等，2002.底部浮泥表層推移速度分布的ADCP-GPS 估測方法.海洋工程，20（4）：85-88.

楊俊輝，2009.ADCP、OBS 在底部泥沙運(yùn)動觀測中的應(yīng)用探討.港工技術(shù)，46（z1）：90-93.

張瑞瑾，謝鑒衡.河流泥沙動力學(xué).北京：中國水利水電出版社，1998.

趙勝凱，王志芳，2007.ADCP 基本原理及應(yīng)用.河北水利， （11）：25.