水深測量中自容式驗潮儀投放裝置的設(shè)計

王亞章

摘 要：在近海工程的水深測量中，潮位的觀測與控制是必不可少的一項環(huán)節(jié)，為測量提供參考基準和水位改正。然而，當測量區(qū)域面積較大時，沿岸單一驗潮站已不能滿足水位的控制需要，必須合理布設(shè)多潮位站對探測到的水深數(shù)據(jù)進行多站分帶水位改正。由于海上沒有其他地物的依附，通常拋投自容式水位計設(shè)立海上定點潮位站。用于投放并攜帶自容式驗潮儀的傳統(tǒng)重件式支架裝置有易丟失、不便打撈、受潮流干擾易翻倒移位、易被泥沙覆蓋、滋生海洋生物等缺點，從而導致驗潮儀丟失，壓力感應(yīng)零點漂移，壓力感應(yīng)器被堵塞，潮汐數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。本文設(shè)計一種攜帶自容式驗潮儀的投放裝置，以減小這些客觀因素對潮汐數(shù)據(jù)精度的影響。

關(guān)鍵詞：水深測量;自容式驗潮儀;潮位控制

中圖分類號：U652.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）26-0047-03

Abstract： In the bathymetric survey of offshore engineering， the observation and control of tide level is an essential link， which provides reference datum and water level correction for measurement. However， when the measurement area is large， the single tide station along the coast can not meet the demand of water level control. Therefore， it is necessary to reasonably arrange multiple tide level stations to correct the water level of the detected water depth data. Since there is no other surface features attached to the sea， the self-contained water level gauge is usually thrown to set up the fixed-point tide station on the sea. The traditional heavy bracket device for putting and carrying self-contained tide gauge has some disadvantages， such as easy to lose， inconvenient to salvage， easy to overturn and shift due to the interference of tidal current， easy to be covered by sediment， and breeding of marine life， which leads to the loss of tide gauge， zero drift of pressure sensor， blockage of pressure sensor， and error of tide data.In order to reduce the influence of these objective factors on the accuracy of tidal data， a self-contained tide gauge was designed in this paper.

Keywords： bathymetry;self-contained tide gauge;tide level control

自容式驗潮儀是一種用于測量海洋、湖泊、河流水位的水位計。與水尺法相比，它具有效率高、節(jié)省人力、方便攜帶、可投放于海中央等優(yōu)點[1-2]。加拿大RBR公司所生產(chǎn)的2050型自容式驗潮儀被廣泛應(yīng)用于水深測量的潮汐數(shù)據(jù)采集中。在茫茫大海中投放驗潮儀，由于附近沒有地物參考，之后定位打撈比較困難，不便于尋找。如果攜帶驗潮儀的支架在海底受潮流或其他原因翻倒移位，或驗潮儀不固定隨海流飄動，都會使驗潮儀的壓力感應(yīng)零點發(fā)生變化，以至于影響所測量的潮位數(shù)據(jù)。若驗潮儀被泥沙覆蓋或滋生藻類、貝類等海洋生物，則會堵塞壓力感應(yīng)器，輕則數(shù)據(jù)受到干擾，重則儀器發(fā)生故障。在風浪過大、海流過急的情況下，驗潮儀壓力面受潮流的影響，會使所測壓力值與真實水壓產(chǎn)生一定誤差。

所以，攜帶自容式驗潮儀的投放裝置必須具有以下特點：便于尋找和打撈;穩(wěn)定，不會隨海流移動或翻倒;牢牢固定住驗潮儀，不會使其位置發(fā)生變化;減弱過急海流對驗潮儀附近壓力的影響;阻擋泥沙及海洋生物滋生對壓力感應(yīng)器的堵塞[3-5]。

1 自容式驗潮儀的工作原理

工作時，自容式驗潮儀往往被固定在水下的某一固定深度，通過直接測出驗潮儀壓力傳感器附近的壓力值與大氣壓力值，然后作差，得出當前水深的壓力P。水深D和水壓P成正比，與重力加速度g和水的密度ρ成反比，人們可以據(jù)此推算出水深，再通過驗潮儀位置與基準面的關(guān)系獲得測量點的潮位。水深計算公式為：

[D=Pρ×g] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

2 攜帶自容式驗潮儀的投放裝置設(shè)計

自容式驗潮儀的投放位置應(yīng)選在海底地質(zhì)較為堅固、水況穩(wěn)定、潮流不湍急、生產(chǎn)活動較少、安全的地方，并使用重件裝置固定住驗潮儀。本文所設(shè)計的投放裝置呈圓錐流線型，下寬上窄，海底穩(wěn)定性極佳。驗潮儀則固定在裝置內(nèi)部頂端。

2.1 便于工作結(jié)束后尋找收回

海洋是動態(tài)的，海上投放驗潮儀后，由于海面上沒有明顯的參照物，加上海水較深，人們難以用肉眼發(fā)現(xiàn)驗潮儀，所以工作之后很難尋找并收回儀器。為了便于定位驗潮儀，設(shè)計的投放裝置上方布有四個對稱圓環(huán)，可栓鋼絲繩等堅固繩索，繩索另一端系大小適中的浮球。浮球涂有醒目顏色飄浮在靠近水面的某一位置，便于發(fā)現(xiàn)，為尋找和打撈工作節(jié)省了時間，避免儀器丟失所造成的經(jīng)濟損失和關(guān)鍵數(shù)據(jù)資料的丟失。

2.2 穩(wěn)定的圓錐流線型設(shè)計

當潮流過大時，一般的裝置會受到過大的沖擊而發(fā)生翻倒移位，這便會使驗潮儀在海中的位置發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)壓力零點漂移，對潮位數(shù)據(jù)精度造成影響。驗潮儀隨海流飄蕩所造成的潮位數(shù)據(jù)變化如圖1所示。而采用圓錐型結(jié)構(gòu)的裝置可以固定在海底。流線型的外形有效地減弱了潮流的沖擊力，如圖2所示，潮流向右運動，對裝置表面產(chǎn)生壓強，流動方向如箭頭所示。當潮流從a點流過物體時，由于受到物體前緣部分的阻攔，流速減慢，根據(jù)伯努利定理（流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大），可以得如下方程：

[12ρv2+ρgh+Ρ=C] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[ρ]為流體密度;[v]為流體流速;[g]為地心加速度;[h]為流體高度;[Ρ]為流體壓強;[C]為某一常數(shù)。

前端壓強升高;當流體流到物體最高點b時，速度不斷增大，因而壓強不斷減小。相比于普通平面，海流可以平滑地流過，投放裝置表面壓強不會急劇升高，壓差阻力可降為普通平面的1/5。

2.3 減弱潮流對驗潮儀附近壓力的影響

由于潮流的影響，當驗潮儀的壓力感應(yīng)面正對著潮流方向時，即當流體流速矢量方向與壓力感應(yīng)面正交時，因受到阻滯，其動能逐漸轉(zhuǎn)化成壓能，使得驗潮儀所測的壓力大于正常情況下的壓力;而在儀器的背后產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，也會導致驗潮儀測量的壓力與真實壓力產(chǎn)生一定誤差。尤其是在高潮或低潮潮流方向發(fā)生變化時，潮位數(shù)據(jù)受水流的影響產(chǎn)生不規(guī)則跳變，如圖3所示。儀器固定在投放裝置內(nèi)部（見圖4），可有效阻擋潮流對驗潮儀附近壓力的影響，而投放裝置上的空洞可以連通外界使內(nèi)外水壓相等。

2.4 減小外界干擾

若潮位儀裸露在海底，就會被泥沙覆蓋，滋生藻類、貝類等海洋生物，導致驗潮儀壓力感應(yīng)器堵塞，影響采集數(shù)據(jù)的精度。通過投放裝置外殼把潮位儀與外界隔絕，有效地防止了外界因素對潮位數(shù)據(jù)觀測的影響，便于采集準確、穩(wěn)定的水位數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

自容式驗潮儀拋放之前要調(diào)查好當?shù)氐乃罴俺蔽毁Y料，避免測點水深較淺而導致儀器在最低潮時干出，丟失低潮數(shù)據(jù)。驗潮儀計時要依據(jù)北京時間進行校準，控制好日記允許走時誤差、周記允許走時誤差、雙周記允許走時誤差和月記允許走時誤差，并設(shè)置好數(shù)據(jù)采集時間間隔。若測區(qū)環(huán)境復(fù)雜，可同時拋放兩個驗潮儀，避免數(shù)據(jù)丟失，并相互比對，提高數(shù)據(jù)可信度。

參考文獻：

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