基于實(shí)際工程對(duì)驗(yàn)潮井進(jìn)水孔尺寸的探討

趙嚴(yán)

摘 要：本文以遼寧省某沿岸觀測(cè)點(diǎn)水利工程設(shè)計(jì)所建三處驗(yàn)潮井實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析整理，進(jìn)行探討驗(yàn)潮井進(jìn)水孔尺寸對(duì)其性能的影響，主要通過多個(gè)建設(shè)場(chǎng)所、多個(gè)驗(yàn)潮井進(jìn)水孔尺寸的構(gòu)建，以期找到適合環(huán)渤海地區(qū)海洋環(huán)境的進(jìn)水孔設(shè)計(jì)方案，提高驗(yàn)潮井的隨潮性、濾波性性能，保證其測(cè)量精準(zhǔn)度。

關(guān)鍵詞：驗(yàn)潮井 進(jìn)水孔 濾波性 隨潮性

1.引言

潮汐現(xiàn)象是指海水在天體（主要是月球和太陽(yáng)）引潮力作用下所產(chǎn)生的周期性運(yùn)動(dòng)，潮汐是所有海洋現(xiàn)象中較先引起人們注意的海水運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，它與人類的關(guān)系非常密切。海港工程，航運(yùn)交通，漁、鹽、水產(chǎn)業(yè)，近海環(huán)境研究與污染治理等，都與潮汐現(xiàn)象密切相關(guān)。尤其是這種永不休止的海面鉛直漲落運(yùn)動(dòng)蘊(yùn)藏著極為巨大的能量，因此，精準(zhǔn)的潮汐測(cè)量對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)、生活具有重要意義。

驗(yàn)潮井是現(xiàn)行較為普遍的測(cè)量潮汐的固定設(shè)施，具有長(zhǎng)期、定點(diǎn)、可靠等特點(diǎn)，其消浪性、隨潮性、濾波性是衡量驗(yàn)潮井性能的重要指標(biāo)，對(duì)于整個(gè)驗(yàn)潮井來說，它性能的優(yōu)劣主要取決于進(jìn)水孔尺寸的設(shè)定，進(jìn)水孔尺寸設(shè)計(jì)的過小，濾波性能會(huì)得以增強(qiáng)，但是也因此會(huì)過濾掉一些必要波動(dòng)，致使潮汐自記曲線過于光滑，潮時(shí)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，造成同一時(shí)刻井內(nèi)外的潮位差，影響觀測(cè)資料的可信程度，反之，如果進(jìn)水孔尺寸過大，則濾波性能得不到保證，自記曲線出現(xiàn)帶狀痕跡，不利于整個(gè)觀測(cè)資料的整理，同時(shí)，也在一定程度上，降低了觀測(cè)資料的質(zhì)量。

2.驗(yàn)潮井的誤差源分析

為了更好的完善驗(yàn)潮井的性能，提高觀測(cè)資料的可信程度，找到適合的進(jìn)水孔設(shè)計(jì)方案，對(duì)誤差源做細(xì)致分析是不可避免的，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)過去資料的整理，驗(yàn)潮井的誤差源主要可歸結(jié)為以下三種。

2.1來自于站位附近的流的影響

海水經(jīng)過驗(yàn)潮井時(shí)，易受到驗(yàn)潮井自身或其相關(guān)結(jié)構(gòu)阻礙，形成阻礙場(chǎng)，這種阻礙場(chǎng)與井內(nèi)的水位壓力相通，正常情況下，驗(yàn)潮井與海底地形及海面其他現(xiàn)象無關(guān)，作用效果應(yīng)為雷諾數(shù)Re的響應(yīng)曲線，故，井內(nèi)的水位永遠(yuǎn)存在一種“液面下降的誤差”現(xiàn)象。其響應(yīng)的大小很重要，其形式為非線性的。

2.2來自海面波的影響

建設(shè)驗(yàn)潮井的目的是為了較為準(zhǔn)確、長(zhǎng)期、安全的測(cè)量潮汐資料，減少觀測(cè)時(shí)波浪對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，但是，就實(shí)際情況而言，驗(yàn)潮井的結(jié)構(gòu)形式容易受到井內(nèi)和流出井外的不均勻的波的影響，從而出現(xiàn)非線性相關(guān)，所以，在波浪存在的情況下，就出現(xiàn)了驗(yàn)潮井“液面下降的誤差”現(xiàn)象。雖然可以通過進(jìn)水口和驗(yàn)潮井直徑的關(guān)系計(jì)算出波浪的衰減和相位滯后，也只能在一定程度上減弱海面波對(duì)驗(yàn)潮井的誤差影響。 2.3局部密度變化所造成的影響

為港口服務(wù)的驗(yàn)潮井場(chǎng)位于河口，因潮汐的漲落使這里的海水密度發(fā)生很大的變化。在這種情況下，低潮位時(shí)影響驗(yàn)潮井內(nèi)水的特征可能是受大陸淡水低密的影響，高潮位時(shí)可能使開闊的海洋的高鹽度海水滲入驗(yàn)潮井底部，因此，井內(nèi)仍有與井外密度較低的水。在接近高潮位時(shí)，驗(yàn)潮井周圍的水的密度比原密度高。

3.理論依據(jù)

根據(jù)流體靜力學(xué)原理，單位時(shí)間內(nèi)流入或流出進(jìn)水孔的流量為：

Q=μvs1

式中，Q為流量；

S1為進(jìn)水孔截面；

v為進(jìn)水孔流速；

μ為流量系數(shù)

漲（落）潮期間，井外潮位高（低）于井內(nèi)，其差值用△h表示。因海流對(duì)進(jìn)水孔流入或流出水量的貢獻(xiàn)不大，因此，進(jìn)水孔的流速僅是由井內(nèi)外水位差的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能所提供的。即：

在dt時(shí)間內(nèi)，流入（出）進(jìn)水孔的流量Qdt，同時(shí)，設(shè)dt內(nèi)井內(nèi)水位變化了dt，將兩式合并便有：

上式中，S2為井筒截面積，dh/dt是潮位變化率，他是個(gè)隨時(shí)間變化的變量，通常在接近高、低潮時(shí)刻絕對(duì)值較小，而在半潮期絕對(duì)值較大。為了確保驗(yàn)潮井水流暢，避免堵塞造成井內(nèi)潮位的滯后，dh/dt應(yīng)取最大漲落率。

按驗(yàn)潮觀測(cè)的業(yè)務(wù)要求，井內(nèi)外潮位差不得大于1cm，因此上式中△h=1cm；當(dāng)井壁不太厚時(shí)，流量系數(shù)μ≈1，則有：

4.試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

見表1，表2，表3。

5.結(jié)論

（1）通過對(duì)本設(shè)計(jì)中驗(yàn)潮井驗(yàn)潮性能的觀察，可以認(rèn)為環(huán)渤海地區(qū)驗(yàn)潮井進(jìn)水孔內(nèi)徑2.5cm較為適宜，可作為該地區(qū)其他項(xiàng)目的參考。

（2）驗(yàn)潮井設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮安裝地點(diǎn)的地形、水深、海浪、潮汐、海流狀況等因素。

（3）設(shè)有輸水管的驗(yàn)潮井，只要在進(jìn)入測(cè)井一端的輸水管口徑大小考慮適當(dāng)，仍然可以達(dá)到消浪目的。

（4）設(shè)計(jì)時(shí)既要進(jìn)行公式的反復(fù)推算，使之符合規(guī)范要求，有要根據(jù)本海區(qū)實(shí)際情況，在進(jìn)水孔、井的高度等方面留有余地。

參考文獻(xiàn)：

[1]王煒東，劉若晗，馬昕，等.研究驗(yàn)潮井進(jìn)水孔設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)M[J].第十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第二十六屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集.

[2]顏國(guó)泰.介紹驗(yàn)潮井進(jìn)水孔改進(jìn)的一種方法[J].海洋技術(shù)，1991年9月第十卷第3期.

[3]吳依林，顏國(guó)泰.驗(yàn)潮井進(jìn)水孔的設(shè)計(jì).海洋技術(shù)，1989年6月第8卷第2期.

[4]宋升鋒，侯繼靈，鄭培寧，等.嵐山海洋觀測(cè)站驗(yàn)潮、溫鹽井的設(shè)計(jì)建設(shè).海岸工程，2009年12月第28卷第4期.