浮標測流法在龍口流速測量中的應(yīng)用

劉盾

（天津水運工程勘察設(shè)計院天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津300456）

浮標測流法在龍口流速測量中的應(yīng)用

劉盾

（天津水運工程勘察設(shè)計院天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津300456）

在連云港港30萬t級航道二期工程準備工程龍口流速測量項目中，針對測區(qū)現(xiàn)場不利自然條件，選擇聲學(xué)多普勒流速剖面儀(中文簡稱“闊龍”)進行測量。采用“浮標”的安裝方式測量剖面分層流速、流向數(shù)據(jù)，取得了良好的測量效果。通過對項目測量全過程的描述，總結(jié)了闊龍在龍口等大流速區(qū)域進行測流的成功經(jīng)驗。

浮標測流法；闊龍；龍口；流速測量

“Aquadopp Profiler”是挪威諾泰克公司生產(chǎn)的淺水型三波束聲學(xué)多普勒流速剖面儀（中文簡稱“闊龍”）。“闊龍”應(yīng)用聲學(xué)多普勒技術(shù)測量水體剖面流速流向。該設(shè)備在使用過程中的安裝方式多樣，可固定在水底、錨系、浮標或其他物體上。它是一個完整的自容式系統(tǒng)，可將數(shù)據(jù)存儲于內(nèi)部存儲器中?！伴燒垺毕盗挟a(chǎn)品體積小、重量輕，其聲學(xué)頻率包含400K/600K/1M/2MHz等4種，對應(yīng)的測流最大剖面范圍為70/40/25/10 m。

1 闊龍測流的基本原理

闊龍是利用“聲學(xué)多普勒效應(yīng)”原理研制而成的測量海流的儀器，是目前觀測多層海流剖面的最有效的儀器。其測量原理是根據(jù)“多普勒效應(yīng)”，利用發(fā)射和接收的超聲波聲速（至少三束）測得水體散射的多普勒頻移，便可以求得三維流速并且可以轉(zhuǎn)換為地球坐標下的E（東分量），N（北分量）和U（垂直分量）。由于聲速在一定水域中，在一定深度范圍內(nèi)的水體中的傳播速度基本是不變的，根據(jù)由聲波發(fā)射到接收的時間差，便可以確定深度。利用不斷發(fā)射的聲脈沖，確定一定的發(fā)射時間間隔及滯后，通過對多普勒頻移的譜寬度的估計運算，便可以得到整個水體剖面逐層段上水體的流速［1］。

2 項目概況

連云港港30萬噸級航道二期工程準備工程位于連云港港徐圩港區(qū)，規(guī)劃徐圩港區(qū)的東南側(cè)，工程新建圍堤總長2 188 m，其中3#圍堤長631 m，4#圍堤長1 557 m，圍堤采用充填袋斜坡堤結(jié)構(gòu)方案，堤頂標高9.0 m。龍口結(jié)合納潮口布置設(shè)置于3#圍堤上，寬300 m。

由于建設(shè)單位提出該區(qū)龍口暫緩合龍，時間約為1 a。為確保安全，需對龍口進行必要的加固，而龍口過水保護結(jié)構(gòu)是根據(jù)數(shù)模流速計算確定的，而流速是關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)，為經(jīng)濟合理的確定龍口過水保護結(jié)構(gòu)的加固措施，需要測量龍口具體流速。為此，設(shè)計單位分別在龍口中心點、垂直龍口方向內(nèi)外兩側(cè)各30 m處布設(shè)了三個測點（如圖1所示），要求在大潮期進行同步分層流速、流向觀測［2］。

測點分層按照《水運工程測量規(guī)范》［3］的有關(guān)規(guī)定采用3點法（即表層、0.6H、底層，H為測點垂線水深），觀測時間間隔為0.5 h，觀測一漲一落兩個潮段，連續(xù)觀測時間不少于13個小時。

3 現(xiàn)場測量

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，龍口處最大流速可達8節(jié)（相當于4 m/s的強流速）左右，低潮水深僅1 m左右，且水下地形復(fù)雜，多有亂石分布，轉(zhuǎn)流時段有部分工程船進出。

3.1 常規(guī)技術(shù)方案比選

（1）測船定點錨系測流法是水文全潮等周日或短期（10 d左右）測流工作的常用觀測方法，本項目只需采用3條測船同步拋錨作業(yè)并在船舷安置闊龍進行測流即可，但由于3個測點間距過近，3條測船難以同時排列，且龍口流速過大，船只難以安全錨定；

（2）儀器坐底觀測法是短期（10 d左右）、中（一個月）期，甚至持續(xù)更長時間［4］測流工作的常用觀測方法，本項目也可考慮將闊龍安裝在坐底支架上并投放到設(shè)計位置上進行自容觀測，但由于龍口區(qū)域水下地形復(fù)雜，難以保證儀器支架的姿態(tài)良好，加之有過往船只經(jīng)過，難以保證儀器安全；

（3）走航測流是內(nèi)河流量測量和近海斷面測流的常用觀測方法，本項目也可考慮采用走航測量的方式對3個測點每0.5 h進行一次準同步觀測，如采用美國RDI公司的走航式ADCP，該款儀器是專用于測量斷面水流速度和方向的聲學(xué)設(shè)備［5］，但由于龍口流速過大，船只順流時難以控制，逆流時難以通過，此方法難以實施。

由于現(xiàn)場情況復(fù)雜，在先后比選了測船定點錨系、儀器坐底觀測和走航測流等技術(shù)方案后，均難以實施。

3.2 闊龍浮標測流法

闊龍可采用“Mooring line”（錨系）“Fixed structure”（坐底）和“Moving buoy”（浮標）等3種安裝方式進行測量，其中錨系和坐底已被各勘測單位在工程中廣泛應(yīng)用。浮標法測流多用于海洋科學(xué)調(diào)查和海洋環(huán)境監(jiān)測工作，一般以大、中型多要素海洋水文氣象綜合觀測浮標的形式觀測（如圖2所示），在工程中則很少應(yīng)用此法測流。

闊龍浮標測流法即將闊龍事先固定在預(yù)制的浮標上，浮標可以是特制的專用浮標，也可以是現(xiàn)場制作的簡易泡沫浮標（如圖3所示），但必須保證其在水面姿態(tài)良好，相對穩(wěn)定。然將設(shè)置好的闊龍安置在浮標中心位置，為保證浮標流速下的良好姿態(tài)和平衡穩(wěn)定，在浮標下方增加適當?shù)呐渲亍?/p>

3.3 現(xiàn)場實施

在正式測量開始前，先安裝1套闊龍浮標投放到龍口處進行平衡性測試，以便調(diào)整好配重。測試完成后，按照測試浮標的安裝方式準備好另外2套闊龍浮標。在選定的大潮觀測日期里，使用漁船攜帶3套闊龍浮標前往龍口進行觀測，為確保安全穩(wěn)定的錨定，測船在距離龍口50 m處下錨。錨定后，將3套闊龍浮標用繩索連成一串，彼此間距剛好30 m，由尾將3套闊龍浮標釋放并調(diào)整至設(shè)計位置（如圖4所示），闊龍將按照事先軟件設(shè)置的命令每0.5 h自動進行一次剖面流速、流向的觀測，觀測數(shù)據(jù)自動保存到儀器內(nèi)存卡中。轉(zhuǎn)流時，將測船起錨移位至龍口另一側(cè)按同樣的方式繼續(xù)進行觀測，直至完成一漲一落兩個潮段。

圖1 測流點布置示意圖Fig.1 Layout of current measurement points

圖2 多要素海洋水文氣象綜合觀測浮標Fig.2 Multi-factors of marine hydrometeorological buoy

圖3“闊龍浮標”安裝過程Fig.3 Installation procedure of Aquadopp Profiler

圖4 龍口測流現(xiàn)場Fig.4 Current measurement worksite of closure gap

測量結(jié)束后，提取儀器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過專業(yè)軟件Strom的處理分析，可以看出，代表儀器測量姿態(tài)Heading（朝向）、Pitch（傾斜）和Roll（橫搖）均處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)（圖5所示），其中Heading；Pith和Roll均不超過±5°；表明儀器姿態(tài)良好，可有效保障測量數(shù)據(jù)的可靠性和精度。同時，經(jīng)過軟件處理輸出并計算出V1～V3站的垂線平均流速、流向，對應(yīng)的流速、流向過程線如圖6～8所示，由圖中可以看出：龍口水域落潮流向為NW，漲潮流向為SE，落潮流速平均為1.09 m/s，漲潮流速平均為2.08 m/s，落潮流速明顯小于漲潮流速，落潮歷時亦明顯大于漲潮歷時。

本期測量風速較小、海況較好，因而制作較為輕便的浮標即可滿足現(xiàn)場測量要求；若測區(qū)風浪較大，需制作尺寸略大的浮標并增加配重以保證浮標體的平衡狀態(tài)，同時增加儀器的入水深度，以減小風浪等噪聲因素對儀器測量的干擾；在夜間測量時，需在浮標上安裝閃燈等警示裝置，以保證浮標體的安全。

圖5 V3站落潮段儀器姿態(tài)Fig.5 Instrument attitude of V3 station during ebb tide

圖6 大潮V1站流速流向過程線Fig.6 Current speed&direction curve of V1 station

圖7 大潮V2站流速流向過程線Fig.7 Current speed&direction curve of V2 station

圖8 大潮V3站流速流向過程線Fig.8 Current speed&direction curve of V3 station

4 技術(shù)推廣與展望

經(jīng)過連云港港30萬噸級航道二期工程準備工程龍口流速測量項目的實際檢驗，證明闊龍浮標測流法是可行、可信的。針對一些傳統(tǒng)測流方法無法開展的項目，浮標測流法很好的解決了問題，同時其“近盲區(qū)”較小的特點更加適合于淺水區(qū)測流。繼本項目首次采用之后，浮標測流法陸續(xù)在國內(nèi)外若干近海和內(nèi)河項目中成功應(yīng)用，取得了良好的測流效果。通過實際工程項目的應(yīng)用，可以總結(jié)出適用于浮標測流法的項目特點：（1）測點密集，采用該法便于看護儀器，保證儀器安全，同時減少租船開支；（2）水下地形復(fù)雜，采用坐底式難以保證儀器姿態(tài)，采用測船定點錨系測流法不便于安全拋錨定位，采用該法可有效避免以上問題的發(fā)生；（3）租用船只不受其材質(zhì)影響，采用浮標測流法可有效避免鐵質(zhì)船只對儀器磁羅經(jīng)的干擾；（4）淺水及潮差大的測區(qū)，浮標測流法其儀器的吃水深度一般為0.2～0.3 m，遠小于傳統(tǒng)測流方法的吃水深度，可有效減小儀器盲區(qū)的影響。

隨著測流工程項目難度的增大和復(fù)雜化，以及木質(zhì)漁船的逐漸淘汰，闊龍浮標測流法在未來的測流項目中擁有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。同時在采用闊龍浮標測流法時也要注意以下幾點：1、儀器獨立安放于水面，在測量時要加強看護，夜間測量時應(yīng)配備警示裝置（如閃燈）以確保安全；2、預(yù)制浮標時應(yīng)考慮流速、風浪對浮標姿態(tài)的影響，確保儀器測流數(shù)據(jù)質(zhì)量，建議制作消磁鋼架［6］用于安裝儀器，如現(xiàn)場制作簡易浮標時，在測流前應(yīng)下水反復(fù)試驗浮標的姿態(tài)，及時調(diào)整配重，確保浮標姿態(tài)平衡穩(wěn)定。

［1］侍茂崇，高郭平，鮑獻文.海洋調(diào)查方法導(dǎo)論［M］.青島：中國海洋大學(xué)出版社，2008.

［2］李雙偉.連云港30萬噸級航道二期工程準備工程龍口流速測量現(xiàn)場報告［R］.天津：天津水運工程勘察設(shè)計院，2015.

［3］JTJ 203-2001，水運工程測量規(guī)范［S］.

［4］郭松林.中短期潮流觀測及數(shù)據(jù)處理［J］.水道港口，2013，34（S2）：36.

［5］楊鯤，吳永亭，趙鐵虎，等.海岸調(diào)查技術(shù)及應(yīng)用［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

［6］李占橋，吳寶勤，任來平，等.鐵質(zhì)船體對磁羅經(jīng)海流計流向影響分析［J］.海洋測繪，2012，32（4）：62. LI Z Q，WU B Q，REN L P，et al.Analysis on Flow Direction Influence from Iron Hull to Magnetic-compass Current Meter［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2012，32（4）：62.

Application of floating current measurement method in flow velocity measurement of closure gap

LIU Dun
（Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin300456,China）

Aiming at the unfavorable natural conditions in the measurement water area,Acoustic Doppler Current Profiler(Aquadopp Profiler)was adopted during the flow velocity measurement of closure gap for preparation project of Phase II approach channel for 300 000 dwt ships in Lianyungang port.The moving buoy method was used to measure the current speed and direction in a vertical line,and an excellent effect was obtained.Based on the description of the whole measurement process,the successful experiences of current measurement in high flow velocity region such as closure gap section by Aquadopp Profiler were summarized.

floating current measurement method;Aquadopp Profiler;closure gap;flow velocity measurement

P 229

A

1005-8443（2017）01-0099-04

2016-07-10；

2017-01-03

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目（TKS160216）；天津市科技計劃創(chuàng)新平臺與人才專項（16PTSYJC00190）

劉盾（1982-），男，遼寧鐵嶺人，工程師，主要從事水運工程測量工作。

Biography：LIU Dun（1982-），male，engineer.