廣東沿海海洋流速測量實驗案例研究

溫志堅　何志敏

摘 要：本文以在廣東沿海投放新型網箱為工程背景，探討了基于點式多普勒流速儀對近海海域流速進行測量的技術流程和方法，論文詳細闡述了設備的安裝方式和實驗方法，進而對實驗結果進行了分析，在此基礎上，提出了實際業(yè)務中應當注意的四個方面的問題，包括溫度問題、防水問題、儀器問題和生物附著的影響等。

關鍵詞：沿海 溫度 防水 儀器

中圖分類號：P332 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0179-02

為了了解新型網箱擬投放南海海域的流速情況，2017年4～5月，項目組使用點式多普勒流速儀對新型網箱擬投放廣東沿海深水網箱養(yǎng)殖海域流速進行長時間測量。

1 材料與方法

1.1 實驗設備

流速采用挪威NortekSA公司推出的Vectiron小威龍三維點式多普勒流速儀（Nortek VectrinoVelcimeter）進行測量。它采用聲學多普勒測量原理，是憑借聲波在流動液體中的多普勒頻移來測量流速，探頭尺寸較小，大大減少了探頭自身造成的阻流擾。儀器無活動部件，無摩擦和滯后現象，測量感應時間快，測量數據精度高，與計算機連接可連續(xù)記錄流速數據。Vectirno由兩個基本組件構成：傳感器和探頭內部的處理卡，40cm長的桿式4臂平視傳感器（平視固定測桿探頭）配12針插入式水密接頭和10m長的電纜通過USB至RS232轉接器與電腦流速儀自帶軟件Vectirno V2.0相連，用于參數儀器設定、文件命名、監(jiān)控和記錄流速隨時間的變化。相關參數如表1所示。

1.2 設備安裝

流速儀測量需要兩方面的準備：一方面是海上實驗用的電源，另一方面是配套用可拆卸式固定支架。

1.2.1 海上實驗用電源

電源方面由于流速儀本身功率僅為2.5W，記錄實驗數據的筆記本通過設置顯示器在記錄時自動關閉，運行功率估計為50～80W。實驗要求一次充電后整個系統(tǒng)能夠工作時間不少于24h，所以整個系統(tǒng)的電源需求是小功率長時間不間斷供電，根據不同品牌蓄電池的放電電流和放電時間，結合實驗要求最終選定MT1000S不間斷電源和4塊山特100AH蓄電池搭配使用，保證了系統(tǒng)的正常運行，在實驗中發(fā)現電源的工作時間可以超過48h，在海況較差，不能及時取回蓄電池充電的情況下很好的保證了數據的連續(xù)性。

1.2.2 海上實驗配套用可拆卻式固定支架

實驗是在網箱養(yǎng)殖區(qū)（網箱網衣未放下，不會對流速有很大影響）進行，實驗要求測量水下4m的流速情況，需要固定支架一方面固定在現有網箱框架上，另一方面穩(wěn)定地固定流速儀探頭，所以固定支架設計為角尺狀，固定在網箱框架上的長度為3m，考慮到運輸方便把整個框架設計為2部分，2部分長均為1.5m。第二部分附帶角尺拐角部分，垂直向下0.3m。由于網箱框架高1.lm，流速儀測桿長出固定支架0.4m，垂直部分高4.7m，設計為3部分，長分別為1.5m、1.5m、1.4m。

在材料選擇上最初計劃使用316L角鋼，由于成本較高、安裝不便，另一方面實驗并非常年進行，最后選擇鍍鋅鋼板（寬，厚）進行加工。連接處考慮到保持固定支架的強度、防銹以及安裝的方便，采用了矩齒形咬合，鍍鋅鐵絲固定的方法。為了防止由于豎臂抖動造成的流速測量的不穩(wěn)，在固定支架的豎臂上加了一根長約4m、直徑5cm的鍍鋅鋼管進行了加固。

1.3 實驗方法

在到達新型網箱擬投放目標海域后，安裝固定支架，并牢固固定加固鋼管，通過指南針（Coleman，814C630T）測量固定支架的指向。在固定流速儀的時候注意使得流速儀的X軸指向，在安裝完畢后可以確定流速儀測量流速數據的X軸指向為北偏西30°。布置好蓄電池、USP以及記錄電腦，并將USP與記錄電腦放置在物流箱中，并且注意使用防震泡沫包裝布仔細裹住連接線在物流箱外沿部位，盡量減少實驗過程中連接線的磨損。

采樣率方面本次測量采用的是儀器的最佳采樣率（200Hz）。這雖然給后期的處理造成了一定的困難，但也最大程度上保證了數據采樣的質量，為今后對波浪動力學、邊界層的水流研究、紊流研究、波浪和水流聯合監(jiān)測研究等方面保存了更好的研究樣本。

現有流速儀測量潮流和常流，要準確的測量，就必須抑制干擾這兩種運動的“噪聲”即海水湍流與海浪的影響，選擇好觀測時間的持續(xù)時間長短，實際上就是用“時間濾波器”將“噪聲”濾掉。

海洋中的水體運動可以分為三類：規(guī)律性的大尺度運動，可以獨立描述；極其無規(guī)則的小尺度渦旋運動，必須予以統(tǒng)計描述；各類運動（波浪、潮流），他們都具有某些周期性。

海流的觀測結果要求其脈動“累加”平均值等于零，這就要求對一定時間間隔求平均值（函數時間平滑），由于海洋科表征為各種尺度運動都包括的寬頻譜，所以很難說什么樣的平滑尺度都滿足，但是如果平均周期取得不夠大，則平均值是不穩(wěn)定的，每次測量的平均值都會顯著不同。一般來說從噪聲的產生來看，近海區(qū)短頻噪聲主要是來自熱噪聲和波浪噪聲，熱噪聲時間尺度一般在10s左右，波浪噪聲周期在大洋中不超過30s，在淺海中很少超過10s。本次試驗中采用的平均周期長為10min，針對流速較大的時間段，進行30s的再次分析從理論上講，30s的積分時間是完全可以消除這些噪聲的。

2 結果與分析

從測量的結果來看，流速呈顯著的周期性變化。測量海域為正規(guī)半日潮汐。在出現高潮的前后3～4h內流速最大，一般在1.2～1.6m/s左右，而后流速迅速減小到0.2m/s左右，在低潮到來的時候，流速會有一個小幅度的上升到0.5m/s左右，在低潮過后又略下降，直到新的高潮到來。

關于流速的方向，高潮和退潮時流向一般是南向，有時略偏西，唯一的例外是在漲潮接近高潮時，流向為東北方向。

在試驗中還對不同深度的流速變化進行初步測量，結果顯示表層水流較低l～2m水深水流較表層水流大0.05m/s，2.5～4m水深水流較l～2m處的流速又大0.05m/s。不過由于本次測量采用的是多普勒點式流速儀進行，所以對不同水深的流速情況只能通過上下移動流速儀的方法進行。由于不是對所有水層進行同時測量，所以不能得到很好的數據質量。

3 發(fā)現的問題

3.1 溫度問題

在本次調查中使用的是蓄電池與UPS結合為整個系統(tǒng)供電，但是在密封的環(huán)境中容易造成整個系統(tǒng)過熱而停止工作，所以在以后的調查中必須結合天氣與當時的環(huán)境做好透氣和降溫的準備。

另一方面海上條件惡劣，最初嘗試在記錄系統(tǒng)上覆蓋帆布，但是這種做法沒有有效地消除下雨和海浪的影響，導致記錄電腦出現故障。后期采用在記錄系統(tǒng)上覆蓋較大的物流箱，較好的解決了防水的問題，但是這樣做的缺點是導致整個系統(tǒng)的通風不良，UPS和記錄電腦在運行時又會不停地散發(fā)出熱量，在日照比較強烈的中午由于過熱而導致系統(tǒng)停機，不過由于測量時間在氣溫較為適宜的四、五月份，所以這個問題并不十分突出。

3.2 防水問題

在本次調查中最初采取的是在儲物箱上覆蓋帆布進行防水，實踐證明效果非常差，滲入儲物箱的水使得電腦停機并產生了一定的損害，在維修后才繼續(xù)工作。后期使用兩個儲物箱進行密封解決了這個問題，但是一方面散熱的問題還是有所影響，另一方面讀取數據與蓄電池更換時還是無法確保完全不受影響，所以應當使用尺寸合適的防水散熱箱。

3.3 儀器問題

Vectrion小威龍點式流速儀只能測量一點的流速，而且沒有內置羅經、傾斜儀，可以考慮在以后的調查中使用功能更強大的流速測量儀器。信號采樣方面由于本次測量采用的是多普勒點式流速儀進行，所以只能對水下4m的一個點進行長時間的觀測。測量中需要每天乘浮筏或者小艇到測量平臺上讀取記錄數據、更換蓄電池，從安全方面考慮，只能選擇白天乘坐。另一方面浮筏或者小艇的存放碼頭只有在高潮左右時間段才能安全出行，而且大風天氣特別是南風天氣也不能出行，在一定程度上對測量的連續(xù)性造成了影響。

3.4 生物附著的影響

在一個月測量結束取回桿式平視傳感器時，已經發(fā)現桿體表面已經有一定的生物附著，如果測量時間更長，傳感器表面被生物附著之后會對測量結果造成一定的影響，所以在今后的測量中必須定期取出傳感器進行清理，以本次實驗經驗來看，每周清理一次較為合理。

參考文獻

[1] 李秀峰.ADCP在長江上游河道中的應用[J].中國水運，2017（4）：40-41.

[2] 蔣建平，段云雁.ADCP流量測驗時底跟蹤失效的解決方案[J].水利水電快報，2008（S1）：190-195，205.