秦皇島市潮水位站工程設(shè)計要點(diǎn)及監(jiān)測成果分析

摘 要：潮水位監(jiān)測工作對于保障居民生命財產(chǎn)安全極為重要。本文以秦皇島市潮水位站新建工程為例，介紹了該地區(qū)的水文地質(zhì)條件，為水文站建設(shè)提供一定參考，并通過潮水位站結(jié)構(gòu)設(shè)計，比選確定了智能浮子式水位計作為入選方案。同時，結(jié)合其他水文站的監(jiān)測成果，測得秦皇島海域平均高潮位約為1.25 m;潮差在日潮區(qū)平均最小、半日潮區(qū)最大，且該區(qū)域潮流屬于正規(guī)半日潮流。

關(guān)鍵詞：潮位站;結(jié)構(gòu)設(shè)計;浮子式水位計;監(jiān)測

中圖分類號：TV698.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）13-0076-04

Analysis of Design Key Points and Monitoring Results of

Qinhuangdao Tidal Water Level Station Project

YANG Lei

（Qinhuangdao Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Qinhuangdao Hebei 066000）

Abstract： The monitoring of tidal level is very important for the safety of life and property of residents. Taking Qinhuangdao tidal water level station as an example， this paper introduced the hydrogeological conditions of the area， which provided some reference for the construction of the hydrological station. Through the structural design of the tidal water level station， the intelligent float type water level meter was selected as the selected scheme. At the same time， combined with the monitoring results of other hydrological stations， the average high tide level of Qinhuangdao sea area was about 1.25 m; the average tidal range was the smallest in the diurnal tide area and the largest in the semidiurnal tide area， and the tide in this area belonged to the regular semidiurnal tide.

Keywords： tide station;structural design;float type water level gauge;monitoring

潮水位簡稱“潮位”，是受潮汐影響而有漲落變化的水位。潮水位對于沿江、沿海城市的防洪、水路通航等具有重要影響，因此我國很多城市都建有潮水位站，用于監(jiān)測潮水位變化，以給水利、交通提供數(shù)據(jù)參考。但是，由于很多潮水位站年久失修，且技術(shù)手段落后，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前需要，因此建設(shè)和更新潮水位站是目前沿江、沿海城市的當(dāng)務(wù)之急。

1 區(qū)域概況

秦皇島市是我國環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶上重要的一環(huán)，其中秦皇島港是世界第一大能源輸出港，有國民經(jīng)濟(jì)“晴雨表”之稱。該市現(xiàn)有人口313.42萬人，作為國家級旅游海濱城市，建立完善的洪水預(yù)報系統(tǒng)具有重要意義。目前，秦皇島市共有潮位站3處，分別位于山海關(guān)區(qū)溝渠寨村、海港區(qū)港務(wù)局院內(nèi)和戴河口，隸屬于國家海洋局。由于當(dāng)前缺少感潮河段潮水位監(jiān)測站點(diǎn)，因此無法實(shí)現(xiàn)沿海地區(qū)感潮河段水循環(huán)過程的動態(tài)監(jiān)測[1]。為此相關(guān)部門在2017年3月份設(shè)計新建5處潮水文站，具體如表1所示。

2 秦皇島地區(qū)水文、地質(zhì)條件分析

2.1 氣象與水文條件

秦皇島市地處暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，屬于溫帶季風(fēng)氣候。因受海洋影響較大，氣候比較溫和，春季少雨干燥，夏季溫?zé)釤o酷暑，秋季涼爽多晴天，冬季漫長無嚴(yán)寒。轄區(qū)內(nèi)地勢多變，但氣候影響不大。多年平均降水量645 mm。

秦皇島海區(qū)地處渤海西部，遼東灣兩翼，海岸線東起山海關(guān)金絲河口，西止昌黎縣灤河口，總長162.7 km。所轄海區(qū)15 m等深線海域面積1 000 km2。

2.2 地質(zhì)條件

秦皇島地區(qū)北倚燕山，南臨渤海，東越長城與遼寧省綏中縣毗鄰，地勢北高南低，北部為燕山山脈東段，南部為華北平原北端的濱海沖積平原。走勢為西北高東南低，由山地、丘陵、平原、濱淺海四個地帶組成，北部和西北部的局部為低山區(qū)，低山區(qū)以東、以南為丘陵地區(qū)，山體海拔高度在500 m以下，并且多孤山，少線性山脊。

秦皇島所處大地構(gòu)造位置為華北地臺的東北一隅，Ⅱ級構(gòu)造單元，以奔城斷裂為界，北部為燕山沉降帶，東南部為華北坳陷帶;Ⅲ級構(gòu)造單元，北部為山海關(guān)隆起，東南部為渤海中部隆起。出露地層有太古界片麻巖、元古界寒武奧陶系灰?guī)r、燕山期花崗巖及新生界第四系松散巖類沉積物，底層缺失嚴(yán)重。

3 潮水位站工程設(shè)計要點(diǎn)

3.1 潮水位監(jiān)測站結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 基本建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。以位于海港區(qū)的潮水位中心站為例，分析監(jiān)測站的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該潮水位站位于陽光海岸附近，區(qū)域地質(zhì)條件良好。水工建筑為驗(yàn)潮房、驗(yàn)潮井，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震烈度為7度[2]。結(jié)合其他水文站多年觀測資料，該潮水位中心站設(shè)計高水位3.5 m，設(shè)計低水位0.28 m，極端高水位4.35 m，極端低水位-0.45 m。

3.1.2 具體建設(shè)方案。根據(jù)技術(shù)人員現(xiàn)場勘查，將本中心站位置確定在陽關(guān)海岸東部一處礁石淺灘處?；A(chǔ)為C30鋼筋砼樁臺，尺寸為5.0 m×4.0 m，總面積為20 m2。為保證中心站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用沖孔灌注樁對樁臺地基進(jìn)行加強(qiáng)處理，共設(shè)計5根沖孔灌注樁，呈梅花形布置在地基上，直徑為600 mm（見圖1），深度要求達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化基巖層（10～15 m）[3]。

樁臺上部為驗(yàn)潮房，將其設(shè)計為直徑3.0 m的圓柱形結(jié)構(gòu)，建筑面積為7.10 m2，高度為5.2 m，環(huán)壁材質(zhì)為C30鋼筋混凝土。驗(yàn)潮房內(nèi)部鋪設(shè)防滑白色地磚。為方便屋頂檢查，設(shè)計一道304不銹鋼爬梯，接閃桿位于頂部。在室內(nèi)安設(shè)一桌子放置于驗(yàn)潮井上部，用于安設(shè)水文、氣象設(shè)備，要求桌面必須平穩(wěn)、堅固，尺寸無嚴(yán)格要求，滿足觀測人員正常作業(yè)要求即可[4]。

驗(yàn)潮井位于樁臺下部，內(nèi)徑為715 mm，長度為7.5 m，容積為316 L，由20 mmUPE管和10 mm厚不銹鋼螺旋管組成，管壁總厚度為30 mm。為保證結(jié)構(gòu)牢固，驗(yàn)潮井平均分為5段，由法蘭盤連接。頂部高出地面0.2 m，采用實(shí)木板覆蓋。此外，為避免驗(yàn)潮井被水流沖擊晃動，利用不銹鋼鋼板將井筒抱箍焊接，并固定在樁臺基礎(chǔ)的4根沖孔灌注樁護(hù)筒壁上。驗(yàn)潮井消波器共分為3級，其中第3級設(shè)計在最低潮面之下1.0 m處位置。進(jìn)水孔設(shè)計在開挖基巖面以上0.5 m處位置[5]。

3.2 水位觀測儀方案比選分析

3.2.1 水位計種類方案比選。目前，市場上常見的水位計包括浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計、雷達(dá)水位計等4種，各種水位計特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)如表2所示。由于本項(xiàng)目為長期潮水位站，因此確定選擇浮子式水位計作為觀測裝置[6]。

3.2.2 浮子式水位計結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目應(yīng)用的是智能浮子式水位計。與傳統(tǒng)機(jī)械式水位計相比，該水位計記錄數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，工作更加可靠，其測量控制電路框架如圖2所示[7]。

智能浮子式水位計系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括量筒、浮子傳感器、處理器、控制電路等。其中，量筒尺寸為長×寬×高=10 cm×10 cm×150 cm，不銹鋼材質(zhì);浮子傳感器外殼尺寸為長×寬×高=9 cm×9 cm×15 cm，也為不銹鋼材質(zhì)。智能浮子式水位計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

智能浮子式水位計可將粗略測量和精細(xì)測量相結(jié)合，實(shí)際水位[見式（1）]根據(jù)實(shí)際使用場景有所不同。目前，智能浮子式水位計可以通過設(shè)置來測量不同的量程及分辨度，在市場上廣受好評。

L=H-h

3.2.3 精度試驗(yàn)結(jié)果分析。本項(xiàng)目對水位計的精度要求如表3所示，而本項(xiàng)目所選取的智能浮子式水位計精度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示（分辨度為1.0 cm）。結(jié)合兩表數(shù)據(jù)可知：本項(xiàng)目所選的水位計精度完全符合要求。

3.3 新建潮水位站監(jiān)測成果分析

秦皇島市新建潮水位站項(xiàng)目于2017年底全部投入試運(yùn)行，監(jiān)測附近海域潮汐波浪和海流特征。在此，結(jié)合其他秦皇島水域的潮水位站所收集的潮汐資料，初步得出秦皇島地區(qū)潮汐、波浪及海流特征，具體成果如下。

3.3.1 潮汐監(jiān)測成果

3.3.1.1 潮位監(jiān)測結(jié)果。秦皇島市位于渤海腹地，地形較為復(fù)雜，受多重自然環(huán)境影響，所以附近海域潮汐變化多端。根據(jù)測定的數(shù)據(jù)可得：秦皇島海域日分潮/半日分潮=4.75，根據(jù)潮汐性質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)屬于正規(guī)全日潮。

平均潮水位在7—8月份達(dá)到最大值，1—2月份處于最低值，年變化幅度為0.55 m。究其原因：夏季溫度高，氣壓低，且降水量大，造成水位偏高;而冬季正好相反，造成水位偏低。通過測定的數(shù)值可知：秦皇島海域平均高潮位約為1.25 m，平均低潮位約為0.50 m，平均海平面為0.88 m。

3.3.1.2 潮差監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析：秦皇島海域平均潮差約為0.75 m，相對較弱，具體變化曲線如圖4所示。

由圖4可知：平均潮差曲線呈現(xiàn)“雙峰雙谷”，其中6—7月份、12—1月份為兩個雙峰，分別達(dá)到0.9 m和0.7 m;3—4月份、10月份出現(xiàn)兩個雙谷，分別為0.5 m、0.47 m。影響平均潮差的主要因素有太陽、月亮、地球相對位置。由此總結(jié)規(guī)律為在日潮區(qū)平均潮差最小、半日潮區(qū)最大。

3.3.2 潮流監(jiān)測數(shù)值。通過對波浪高度進(jìn)行統(tǒng)計可知，秦皇島海域平均波浪高度為0.55 m左右，其中8、9月份最大，有時可達(dá)3.2 m。統(tǒng)計波高頻率天數(shù)，其中大于1.5 m的頻率為1%;介于0.5～1.5 m的頻率為51%;大于1.5 m的頻率為48%。其中以風(fēng)浪為主，涌浪為次。

為分析秦皇島地區(qū)潮流性質(zhì)，在此計算各測站的表層數(shù)值S，公式見式（2）[8]，結(jié)果如表5所示。從表5可知：除了海港區(qū)中心站的S值大于0.5外，其余監(jiān)測站均在0.5以下，表明該區(qū)域潮流屬于正規(guī)半日潮流。

式中：[WO]表示O分潮流振幅;[WK]表示K分潮流振幅;[WM]表示M分潮流振幅。

4 結(jié)語

潮水位站建設(shè)對秦皇島這一沿海城市來說意義重大，可為地區(qū)防洪、海洋開發(fā)等提供相關(guān)數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目潮水位站建設(shè)投入使用后，大大完善了秦皇島地區(qū)的潮位觀測系統(tǒng)，相關(guān)部門也對某些地區(qū)防洪措施進(jìn)行了改善，有效降低了該市雨季的洪水災(zāi)害所造成的損失，同時將相關(guān)信息及時發(fā)布給各船舶公司，可有效避免船只擱淺。

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收稿日期：2020-04-08

作者簡介：楊蕾（1992—），女，本科，助理工程師，研究方向：水文水資源。