沿海擋潮閘下港道監(jiān)測研究的方法和設(shè)備

周儉華?楊春?季浩偉

【摘要】感潮河口建閘后，閘下港道的水力條件發(fā)生改變，因下泄徑流量減少而導(dǎo)致河床發(fā)生淤積，淤積后又引發(fā)潮波變形并減少進(jìn)潮量，使閘下河床不斷萎縮，排水能力不斷下降。如何穩(wěn)定河勢，嚴(yán)密監(jiān)測整體河勢及動(dòng)態(tài)過程中的水、沙動(dòng)態(tài)和河床的局部變化規(guī)律等，必須開展監(jiān)測研究。建立閘下港道泥沙淤積規(guī)律實(shí)驗(yàn)室，開展定量研究，進(jìn)行全年、全天候的閘下港道在潮流漲、退時(shí)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律觀測，為水閘的優(yōu)化運(yùn)行方式和清淤保港措施及港道綜合治理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)填補(bǔ)沿海閘下泥沙沖淤規(guī)律定量研究上的空白。

【關(guān)鍵詞】沿海；閘下港道；監(jiān)測研究；方法和設(shè)備

江蘇省海岸線長954km，除灌河外，100多條感潮河道均已建閘控制，其中大中型涵閘61座。有近半數(shù)的閘下港道嚴(yán)重淤積，已有7座閘下港道淤死，其余均有不同程度的淤積。里下河地區(qū)的四條入海通道射陽河、新洋港、黃沙港、斗龍港（簡稱“四港”），排水量占里下河地區(qū)排水總量的70%～90%。1956年至1972年陸續(xù)在河口建閘后，閘下港道不斷淤積，排水能力下降50%左右。為了減輕擋潮閘下港道淤積，恢復(fù)擋潮閘的排水能力，從1967年采用攪動(dòng)式疏浚的方法進(jìn)行閘下港道清淤，1977年起又成立了港道監(jiān)測管理所，承擔(dān)四港閘下港道的防淤清淤，并初步開展閘下港道淤積規(guī)律研究和應(yīng)用試驗(yàn)。

一、港道監(jiān)測研究的必要性

感潮河口建閘后，閘下港道的水力條件發(fā)生改變，因下泄徑流量減少而導(dǎo)致河床發(fā)生淤積，淤積后又引發(fā)潮波變形并減少進(jìn)潮量，使閘下河床不斷萎縮，排水能力不斷下降。1991年里下河地區(qū)特大雨澇和今年的汛期大水，內(nèi)河高水位居高不下，經(jīng)濟(jì)損失慘重，其關(guān)鍵即在于閘下港道排水不暢，因而對(duì)閘下港道進(jìn)行整治和防淤清淤一直是十分必要而又未能較好解決的課題。

閘下港道的淤積是一個(gè)動(dòng)態(tài)的復(fù)雜的變化過程，除了水力條件改變外，還與上游河道斷面的大小及來水狀況、灘面植被、風(fēng)向和風(fēng)浪、水閘控制運(yùn)用等密切相關(guān)。港道在下泄水流和上漲海潮的雙重作用下，河勢也在不斷變化，邊灘產(chǎn)生、彎道發(fā)育，以新洋港、斗龍港閘下港道為例，出?？谧笥覕[動(dòng)幅度很大，最大擺幅達(dá)到6.9km。如何穩(wěn)定河勢，嚴(yán)密監(jiān)測整體河勢及動(dòng)態(tài)過程中的水、沙動(dòng)態(tài)和河床的局部變化規(guī)律等，必須開展監(jiān)測研究。

為減少閘下港道的淤積，必須對(duì)其進(jìn)行合理和科學(xué)的疏浚。如能正確了解港道中淤積層的密度、厚度及其分布，一則可以正確掌握疏浚的時(shí)機(jī)，減少不必要的疏浚土方量，二則可以合理選擇有限的疏浚機(jī)械和合理的疏浚地段。通過對(duì)閘下港道的監(jiān)測研究，能了解到泥沙的時(shí)空分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，科學(xué)指導(dǎo)清淤，優(yōu)化疏浚作業(yè)，及時(shí)清除關(guān)鍵淤積段，適時(shí)地對(duì)施工方案、作業(yè)程序進(jìn)行調(diào)整，合理地分段、分節(jié)、分層疏浚，提高疏浚效率，滿足閘下港道清淤要求，解決高效排澇的實(shí)際問題。

二、港道監(jiān)測研究現(xiàn)狀

從建閘以來，每年汛前（4月份左右）和汛后（10月份左右）各進(jìn)行一次全港道斷面測量，根據(jù)測量成果，可以較為準(zhǔn)確地反映出該時(shí)段內(nèi)整個(gè)河床容積的沖淤變化。另外，有一些單位，如科研、灘涂圍墾等，也曾開展過幾次泥沙、流速、流量等觀測，但資料散失，甚至無從查找。2005年四港港道監(jiān)測管理所引進(jìn)GPS測量系統(tǒng)，監(jiān)測能力有了一定提高，2007年初開始加大頻率，對(duì)“四大港”進(jìn)行逐月測量，并有條件對(duì)“四大港”地形進(jìn)行兩年一次的修測，對(duì)河勢變化有了監(jiān)測手段，但對(duì)于閘下港道淤積研究而言，尚要開展泥沙、鹽度、流量、流速、風(fēng)向等項(xiàng)目監(jiān)測。科技在飛躍發(fā)展，要解決閘下港道的淤積的現(xiàn)實(shí)問題，必須開展定量研究，進(jìn)行全年、全天候的閘下港道在潮流漲、退時(shí)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律觀測，為水閘的優(yōu)化運(yùn)行方式和清淤保港措施及港道綜合治理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)填補(bǔ)沿海閘下泥沙沖淤規(guī)律定量研究上的空白。

三、港道監(jiān)測研究方法

1） 監(jiān)測項(xiàng)目

建立閘下港道泥沙淤積規(guī)律實(shí)驗(yàn)室（擬將該實(shí)驗(yàn)室建在新洋港閘，兼作GPS基站），近期對(duì)淤積相對(duì)嚴(yán)重并有代表性的新洋港閘下至?？诩s15km長的港道進(jìn)行全天候施測。

主要監(jiān)測項(xiàng)目有：①水下地形（河床地貌及淤積層厚度）；②流速、流向（港道內(nèi)水流的流速、流向分布）；③垂線平均含沙量分布；④內(nèi)河水沖刷量；⑤泥沙顆粒級(jí)配；⑥水域含鹽量分布；⑦潮位；⑧擋潮閘啟閉工況。

根據(jù)原型測量資料建立數(shù)據(jù)庫，并具有統(tǒng)計(jì)分析、分類、查詢、圖形顯示和泥沙淤積趨勢仿真動(dòng)態(tài)演示功能。通過分析和預(yù)測，指導(dǎo)清淤工作。

2） 監(jiān)測手段

采用GPS定位技術(shù)與動(dòng)船法結(jié)合，完成以上監(jiān)測項(xiàng)目。

動(dòng)船法具有簡單、快速和一定精度等特點(diǎn)，不受天然條件的影響，不需固定測站，便于巡測。可由水流動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)及預(yù)測量后確定行船線路，根據(jù)港道的寬窄，沿河岸垂直方向測量或順?biāo)鞣较驕y量。要求每次測量的經(jīng)緯度盡可能一致。

為了繪制河床地貌圖、淤積分布圖以及其它被測參數(shù)的地理坐標(biāo)，必須為測量數(shù)據(jù)定位。GPS定位的制式多種多樣，綜合精度及測量速度的要求，采用兩點(diǎn)差分動(dòng)態(tài)測量方法（屬載波相位測量體系）。該方法可提供厘米級(jí)測量精度和快速測量性能。

3） 監(jiān)測的頻度與周期

可采用疏密結(jié)合的方法。前期采用較高頻度，當(dāng)?shù)玫絽?shù)基本變化規(guī)律后可減低測量頻度，并在特殊水情（大潮、泄洪等）時(shí)增加監(jiān)測次數(shù)。

對(duì)新洋港閘下港道諸參數(shù)跟蹤兩年監(jiān)測，積累經(jīng)驗(yàn)，摸索規(guī)律后對(duì)其余擋潮閘下港道進(jìn)行監(jiān)測。

四、港道監(jiān)測研究的主要設(shè)備及技術(shù)

1） 主要設(shè)備及技術(shù)

針對(duì)閘下港道高效清淤排澇的迫切要求，需要引進(jìn)先進(jìn)的動(dòng)測關(guān)鍵設(shè)備與水下動(dòng)測關(guān)鍵技術(shù)。動(dòng)測關(guān)鍵設(shè)備與動(dòng)測關(guān)鍵技術(shù)為：

①M(fèi)D DSS動(dòng)態(tài)淺剖泥沙分析系統(tǒng)（含換能器及組件）一套，MD DSS測量軟件（包括淺層數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、成圖等），泥沙趨勢動(dòng)態(tài)仿真軟件。

②泥沙分析儀（振動(dòng)式懸移質(zhì)測沙儀）一套，根據(jù)振動(dòng)力學(xué)方程研制的密度傳感器，是利用特殊材料制成的振動(dòng)管，隨著流經(jīng)振動(dòng)管的液體密度發(fā)生變化其振動(dòng)頻率也在變化。振動(dòng)式懸移質(zhì)測沙儀就是采用這種高精密的密度傳感器將采集到的周期（頻率）數(shù)字信號(hào)，通過標(biāo)準(zhǔn)串行口（RS232）進(jìn)入到計(jì)算機(jī)，密度傳感器每3-7秒鐘采集一組數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)上所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算可直接在屏幕上顯示出含沙量。

③實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量（RTK）GPS定位儀一套。在岸邊固定點(diǎn)設(shè)立基準(zhǔn)站，該點(diǎn)作為各項(xiàng)測試的坐標(biāo)原點(diǎn)，其GPS接收天線在一次架設(shè)后，在整個(gè)觀測期內(nèi)，不得移動(dòng)。

閘位潮位測站。a）閘位測站：用于監(jiān)測閘門的啟閉運(yùn)行工況，提供計(jì)算過閘流量數(shù)據(jù)。閘位測站每孔閘門配置一個(gè)；b）潮位測站：用于對(duì)港道內(nèi)潮位變化量的連續(xù)、全天候測量，共四個(gè)，閘門上下游各一個(gè)（已有），擋潮閘至?？谔帲赝驹僭O(shè)兩處測站。

2） 預(yù)期目標(biāo)

①閘下港道漲潮時(shí)泥沙淤積量及其部位；②閘下港道退潮時(shí)泥沙沖刷量及其部位；③水閘運(yùn)行方式對(duì)港道沖淤變化的影響；④閘下港道機(jī)械清淤時(shí)機(jī)及效果；⑤閘下港道河床過水?dāng)嗝婊謴?fù)的綜合工程措施。

通過對(duì)得到成果的分析，得到示范區(qū)港水下淤積層的三維可視化分布圖，可以識(shí)別閘下港道水沙運(yùn)動(dòng)變化過程與其影響因子之間的關(guān)系，揭示沿海閘下港道泥沙運(yùn)動(dòng)平衡的物理機(jī)制及泥沙淤積的時(shí)空變化規(guī)律，預(yù)測并優(yōu)化港道疏浚施工，提高有限清淤機(jī)械的工作效率，確保疏浚質(zhì)量，為港道水沙模擬、淤積預(yù)報(bào)、和科學(xué)疏浚提供一條新的路徑。達(dá)到高效清淤排澇的目的，同時(shí)為管理部門提供港道綜合治理的決策依據(jù)。

3） 目前已取得的成果

引進(jìn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量GPS定位儀和MD DSS 動(dòng)態(tài)淺剖泥沙分析系統(tǒng)后，四港港道監(jiān)測管理所積極行動(dòng)，以新洋港閘下11km港道為示范區(qū)進(jìn)行初步港道監(jiān)測，取得了閘下港道淺層泥沙分析成果，如圖（圖1、圖2）：

五、小結(jié)

感潮河口建閘后，無論是長港道還是短港道，無論是港口處于淤長型海岸還是侵蝕性海岸，閘下港道的淤積是不可避免的，要解決淤積問題，確保水閘工程排澇效益的發(fā)揮，必須對(duì)閘下港道進(jìn)行監(jiān)測和泥沙運(yùn)用規(guī)律的研究。

采用新一代水下動(dòng)態(tài)定位淺剖泥沙分析系統(tǒng)，綜合監(jiān)測各相關(guān)因素，將解決閘下港道空間跨度大的測量困難，保證水下淤積層動(dòng)測和科學(xué)疏浚的綜合效率。

開展港道監(jiān)測研究工作，將填補(bǔ)我國定量研究閘下港道泥沙運(yùn)動(dòng)和淤積規(guī)律領(lǐng)域的空白，為開展閘下港道泥沙運(yùn)動(dòng)和淤積規(guī)律研究奠定基礎(chǔ)，為科學(xué)清淤提供更為精確的資料。