壓力式驗(yàn)潮儀在航道水深測(cè)量中的運(yùn)用

曹清明

（安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011）

現(xiàn)階段潮汐測(cè)量方法已經(jīng)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，常用于航道水深測(cè)量的驗(yàn)潮儀有浮子式驗(yàn)潮儀、聲學(xué)式驗(yàn)潮儀以及壓力式驗(yàn)潮儀3 種，前兩種在應(yīng)用時(shí)對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，適合用于離岸較遠(yuǎn)的潮汐測(cè)量，一旦海面結(jié)冰，驗(yàn)潮儀將無(wú)法正常工作。而壓力式驗(yàn)潮儀可以觀測(cè)海水的壓力變化情況，由此推斷潮位實(shí)際變化，不僅成本小且無(wú)須打井，可完成近岸、遠(yuǎn)岸和深海驗(yàn)潮，使用性能更穩(wěn)定可靠。

1 壓力式驗(yàn)潮儀的測(cè)量原理

1.1 測(cè)量原理

基于水位和壓力的變化之間呈比例的關(guān)系原理，使用壓力式驗(yàn)潮儀測(cè)量水下某一位置壓力值，計(jì)算海面起伏而引發(fā)的水深變化，以達(dá)到設(shè)備的驗(yàn)潮功能。將設(shè)備放置在海上某個(gè)驗(yàn)潮處的水下固定位置，根據(jù)提前設(shè)定的時(shí)間間隔觀察測(cè)量驗(yàn)潮點(diǎn)區(qū)域的壓力值，然后再減去同一時(shí)刻大氣壓值，得到水壓值，驗(yàn)潮儀的測(cè)量工作原理如圖1所示[1]。

圖1 壓力驗(yàn)潮儀工作原理

基于水壓值、海水密度值以及該處區(qū)域的重力加速度值的參數(shù)變化，得出壓力式驗(yàn)潮儀水深值，其計(jì)算如公式（1）所示。

式中：h（t）為壓力式驗(yàn)潮儀測(cè)量水深值；P1為測(cè)量到的壓力值；P0為海面大氣壓值；ρ為當(dāng)前海水密度，結(jié)合工程實(shí)際情況計(jì)算重力加速度，其計(jì)算如公式（2）所示。

式中：?為壓力式驗(yàn)潮儀在應(yīng)用時(shí)所處位置的地理緯度。

TGR-2050 型壓力式驗(yàn)潮儀設(shè)備可以用來(lái)觀測(cè)與記錄潮水變化，掌握海水溫度變化，海面波浪不會(huì)給設(shè)備帶來(lái)過(guò)于強(qiáng)烈的干擾影響，所以驗(yàn)潮儀具有較高的測(cè)量精度。2050 驗(yàn)潮儀根據(jù)壓力傳感器的測(cè)量方法，在測(cè)量某一時(shí)段平均壓力后，計(jì)算設(shè)備零點(diǎn)處的水深，如公式（3）所示。

式中：P為水深壓力 ；Pm為壓力傳感器測(cè)量壓力 ；Patm為壓力傳感器產(chǎn)生壓力。

壓力P計(jì)算海面與驗(yàn)潮儀零點(diǎn)之間的深度，按照測(cè)區(qū)海水密度計(jì)算[2]，如公式（4）所示。

式中：D為測(cè)量的深度，m；P為計(jì)算得到的壓力，N；ρ為海水密度。

使用GPS 測(cè)定某個(gè)測(cè)量點(diǎn)的空間位置，再使用單波束與多波束回聲探測(cè)儀測(cè)定水深，根據(jù)驗(yàn)潮儀測(cè)量記錄的潮汛情況，得出潮位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)修正后獲得85 高程。使用三角分帶解釋法對(duì)潮位數(shù)據(jù)加以推算，一般會(huì)臨時(shí)設(shè)置驗(yàn)潮站，觀測(cè)7 天以上的驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，計(jì)算平均海面和85 高程的關(guān)聯(lián)，采集驗(yàn)潮站多年來(lái)平均海面和理論最低海面的關(guān)系，應(yīng)用潮高差比法計(jì)算海面和深度基準(zhǔn)面的差值，從而獲得水下水深圖。

1.2 測(cè)量過(guò)程

首先，分析測(cè)量區(qū)域，先在區(qū)域內(nèi)選擇3 個(gè)可以自動(dòng)驗(yàn)潮的位置與水尺安置位置，保證驗(yàn)潮點(diǎn)可以代表該區(qū)域，并且反映海域內(nèi)潮汐特征，要求將水尺安裝在驗(yàn)潮點(diǎn)周圍的近海岸區(qū)域，保證水尺所在位置和驗(yàn)潮儀位置的潮位一致。

其次，根據(jù)海域旁邊的水準(zhǔn)點(diǎn)資料進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)分析，使驗(yàn)潮點(diǎn)周圍能夠至少有1 個(gè)工作水準(zhǔn)點(diǎn)。安裝驗(yàn)潮儀與水尺，每隔10min 記錄潮位數(shù)據(jù)，啟動(dòng)驗(yàn)潮儀。一般情況下將壓力式驗(yàn)潮儀安裝在海面下15m 的位置，避免出現(xiàn)任何零點(diǎn)漂移的情況。

再次，測(cè)量水深后以及測(cè)量結(jié)束前，須同時(shí)利用水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量水深，可每隔10min 觀測(cè)水尺讀數(shù)，一般需要觀測(cè)5～6 次，同時(shí)需要記錄觀測(cè)時(shí)間，計(jì)算各個(gè)時(shí)刻海面85 高程情況。水深測(cè)量結(jié)束后，導(dǎo)出驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)，根據(jù)同時(shí)刻水面85 高程與相應(yīng)的驗(yàn)潮儀假設(shè)水面高程，計(jì)算12 各水面85 高程修正值，取均值后進(jìn)行潮位改正。通過(guò)測(cè)量海水壓力，將測(cè)量值換算后得到水深值，也就是水位值，計(jì)算如公式（5）所示。

式中：p為所測(cè)的絕對(duì)壓力值和當(dāng)前大氣壓的差值，Pa；g為測(cè)量點(diǎn)的重力加速度，m/s2；r為測(cè)量位置的水密度情況，kg/m3。

除此之外，波浪或暗涌起伏會(huì)對(duì)最終測(cè)量到的壓力值產(chǎn)生影響，所以須對(duì)壓力值進(jìn)行濾波處理，采用數(shù)字濾波方法計(jì)算測(cè)量值的平均值。

最后，使用三角分帶解釋法計(jì)算海域中各個(gè)點(diǎn)的海水面85 高程數(shù)據(jù)，計(jì)算海底85 高程。水深測(cè)量期間，海域不同時(shí)波浪會(huì)對(duì)測(cè)量工作產(chǎn)生影響，應(yīng)按照測(cè)區(qū)不同海域的波浪特點(diǎn)，使用消浪軟件處理。采集到的測(cè)點(diǎn)平面位置與水深文件，需要將其編制為潮位改正計(jì)算格式文件[3]。

2 壓力式驗(yàn)潮儀在航道水深測(cè)量中的誤差問(wèn)題

2.1 氣壓變化引發(fā)測(cè)量誤差

以實(shí)際情況為例，在北緯30°，重力加速度值為9.8m/s2的情況下，海水密度計(jì)算值為1.02×103kg/m3，大氣壓變化為-50hPa～50hPa，按照上述公式進(jìn)行計(jì)算，得知大氣壓變化對(duì)壓力式驗(yàn)潮儀的觀測(cè)產(chǎn)生的影響。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，隨著大氣壓升高，水深值將會(huì)變小；大氣壓下降，水深值會(huì)增加，可見大氣壓的變化對(duì)水深的影響呈現(xiàn)線性變化的趨勢(shì)。

2.2 海水密度變化引發(fā)測(cè)量誤差

經(jīng)過(guò)研究得知，當(dāng)水位觀測(cè)誤差處于±2cm 時(shí)，驗(yàn)潮儀在海面下的投放深度越淺，海水密度的變化對(duì)觀測(cè)潮位的影響也就越小。使用底層海水密度計(jì)來(lái)計(jì)算潮位可有效降低海水密度帶來(lái)的影響。

2.3 潮流對(duì)潮汐測(cè)量造成誤差

由于該處位置潮差比較大且潮流存在一定的規(guī)律性，漲潮時(shí)，潮流方向通常是從下游到上游，退潮時(shí)潮流方向是從上游到下游，因此潮流的存在要求驗(yàn)潮儀必須有不同的安裝方式，所造成的測(cè)量誤差一般會(huì)有以下2 種情況：1）驗(yàn)潮儀安裝在錨鏈中，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移誤差出現(xiàn)。零點(diǎn)漂移具體指放大電路在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，用靈敏的直流表測(cè)量輸出端，也會(huì)產(chǎn)生變化緩慢的輸出電壓。2）驗(yàn)潮儀垂直安裝于固定樁柱中。使用3 臺(tái)壓力式驗(yàn)潮儀進(jìn)行試驗(yàn)，先將2 臺(tái)設(shè)備固定于水尺底部，再將1 臺(tái)壓力感應(yīng)孔區(qū)同樣固定于水尺底部，要求采用水平固定的方式。第三臺(tái)驗(yàn)潮儀須放置在空氣內(nèi)，用來(lái)測(cè)量大氣壓擾動(dòng)情況，3 臺(tái)設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)是相同的，基于大氣壓下形成的壓力常數(shù)為101.325kPa，將取樣周期設(shè)置成10min，設(shè)備啟用的間隔為40s，測(cè)定潮位時(shí)，將密度設(shè)置為1.011g/mm3，大潮時(shí)需要連續(xù)4 天測(cè)定數(shù)據(jù)，同時(shí)安排工作人員從每天上午08：00—18：00，每隔30min 觀測(cè)一次數(shù)據(jù)。

2.4 驗(yàn)潮儀壓力感應(yīng)零點(diǎn)漂移引發(fā)測(cè)量誤差

驗(yàn)潮儀壓力感應(yīng)零點(diǎn)漂移會(huì)導(dǎo)致壓力誤差，從而影響潮位測(cè)量精度。如果零點(diǎn)漂移過(guò)大，那么潮位測(cè)量數(shù)據(jù)將難以達(dá)到精度要求。為解決這一難題，采用簡(jiǎn)化后的測(cè)量方式，將密度設(shè)置成1.0g/mm3，使驗(yàn)潮儀以水平的方式固定于水中，持續(xù)觀測(cè)24h，經(jīng)過(guò)大氣擾動(dòng)改正后，分析其曲線是否處于同一直線，判斷儀器運(yùn)行的穩(wěn)定性，最后取潮位觀測(cè)平均值即可，再利用驗(yàn)潮儀壓力感應(yīng)孔道水面的水質(zhì)，判斷當(dāng)前是否出現(xiàn)了零點(diǎn)漂移的情況[5]。

3 解決壓力式驗(yàn)潮儀在航道水深測(cè)量中誤差問(wèn)題

3.1 解決氣壓變化測(cè)量誤差問(wèn)題

因?yàn)閴毫κ津?yàn)潮儀無(wú)法確定水深是否與大氣壓變化或潮汐變化有關(guān)，為測(cè)量得到水深值，須根據(jù)大氣壓變化情況進(jìn)行修正，盡可能地降低這方面對(duì)驗(yàn)潮儀的影響。該項(xiàng)目中分別在驗(yàn)潮點(diǎn)周圍200m 的海面上安裝驗(yàn)潮儀，觀測(cè)該處大氣壓的變化情況，減少大氣壓變化給驗(yàn)潮儀工作帶來(lái)的不良影響，其中的一部分驗(yàn)潮數(shù)據(jù)見表1。

表1 項(xiàng)目中部分驗(yàn)潮數(shù)據(jù)

根據(jù)表1 中的驗(yàn)潮數(shù)據(jù)可知，大氣壓變化1hPa 都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備觀測(cè)值出現(xiàn)約1cm 的變化[4]。

整個(gè)裝置長(zhǎng)度檢定與壓力檢定2 個(gè)部分，在0～8m 在水塔內(nèi)完成長(zhǎng)度檢定，超過(guò)8m 后，裝置會(huì)以數(shù)字精密壓力表，聯(lián)合壓力容器與壓力源一同進(jìn)行壓力檢定，防止壓力變化測(cè)量出現(xiàn)誤差問(wèn)題，保證驗(yàn)潮數(shù)據(jù)完整。

3.2 解決海水密度變化測(cè)量誤差問(wèn)題

為修正誤差創(chuàng)造有利條件。在該項(xiàng)目中，不同的驗(yàn)潮儀拋投深度會(huì)使用不一樣的密度計(jì)，所計(jì)算的水位數(shù)據(jù)如下：當(dāng)拋投深度為4.3m 時(shí)，海水密度為1.030t·m-3；當(dāng)拋投深度為4.0m 時(shí)，海水密度為1.030t·m-3；當(dāng)拋投深度為23.5m 時(shí)，海水密度為1.025t·m-3。為保障游輪能夠進(jìn)出港航行安全，在通航水域試投產(chǎn)前進(jìn)行復(fù)測(cè)掃海，保障通海安全，為后續(xù)航道水域清淤維護(hù)奠定基礎(chǔ)。整個(gè)項(xiàng)目航道設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度38km，底高程-22.8m，包括3 個(gè)部分，外航道長(zhǎng)度26.2km，寬度320m，方位角為104°～284°。項(xiàng)目?jī)?nèi)一共建立3 個(gè)驗(yàn)潮站，以便對(duì)潮位進(jìn)行分段研究。壓力式驗(yàn)潮儀能夠以高分辨率觀測(cè)水下壓力值變化情況，但是設(shè)置的采樣參數(shù)固定，不會(huì)因?yàn)橥饨绲沫h(huán)境改變而產(chǎn)生變化。因此，壓力式驗(yàn)潮儀無(wú)法確定壓力值變化帶來(lái)的影響，須進(jìn)一步分析誤差值的來(lái)源。

3.3 解決潮流對(duì)潮汐測(cè)量誤差問(wèn)題

將驗(yàn)潮儀固定在錨鏈上，同時(shí)與水底的距離為3m，無(wú)論是漲潮還是落潮，驗(yàn)潮儀的零點(diǎn)距離水底的距離都是d，當(dāng)和垂直方向的偏移角度逐漸變大且偏移角為5°時(shí)，零點(diǎn)變化是1cm；當(dāng)偏移角為15°時(shí)，零點(diǎn)變化是10.2cm，所以壓力式驗(yàn)潮儀是無(wú)法固定在特殊狀態(tài)下的錨鏈上的，例如受到潮流嚴(yán)重影響的錨鏈。

大氣擾動(dòng)改正后，提取人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，將驗(yàn)潮儀和人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水平安裝的設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)比垂直安裝的數(shù)據(jù)更接近于人工觀測(cè)結(jié)果，差值可以保持在0～2cm。采用壓力式驗(yàn)潮儀可減少動(dòng)壓強(qiáng)與渦流對(duì)潮位測(cè)量的影響，所以需要將設(shè)備安置在水下且壓力感應(yīng)面需要與水面之間保持平行。

3.4 解決驗(yàn)潮儀壓力感應(yīng)零點(diǎn)漂移問(wèn)題

3.4.1 數(shù)據(jù)記錄

在航道水深測(cè)量過(guò)程中，零點(diǎn)漂移屬于一種不可控影響因素，一般會(huì)根據(jù)驗(yàn)潮儀移動(dòng)、沉降以及飄動(dòng)等一系列變化來(lái)記錄零點(diǎn)的大致突變情況。在整個(gè)校核過(guò)程中，需要提前對(duì)潮位資料進(jìn)行整理。首先，需要提前換算潮位基準(zhǔn)面。在水深測(cè)量過(guò)程中的觀測(cè)潮位根據(jù)考證之后的基面關(guān)系，使其被轉(zhuǎn)為85 高程下的基準(zhǔn)潮位，再檢查繪制的同步潮位過(guò)程線圖，修正因風(fēng)浪導(dǎo)致的跳點(diǎn)，最大程度地保證觀測(cè)點(diǎn)的潮位計(jì)算正確。其次，科學(xué)編制潮位觀測(cè)表，獲取深度探測(cè)中的潮位情況，再將國(guó)家規(guī)定的高程基準(zhǔn)潮位編制為相應(yīng)的格式文件，得到深度數(shù)據(jù)[6]。

受自身原因與外部環(huán)境等因素的影響，驗(yàn)潮儀在工作期間難免會(huì)遇到零點(diǎn)漂移的情況，投放驗(yàn)潮儀之前需要將幾個(gè)驗(yàn)潮儀放在室內(nèi)同等高度懸掛，以相同的參數(shù)設(shè)置方式，要求數(shù)據(jù)采集頻率保持在1 次/min，觀測(cè)時(shí)間應(yīng)超過(guò)24h，采集數(shù)據(jù)之后再導(dǎo)出每個(gè)驗(yàn)潮儀記錄的數(shù)據(jù)，提出測(cè)量之前和之后半小時(shí)的數(shù)據(jù)，計(jì)算在統(tǒng)一時(shí)間段中各個(gè)設(shè)備的大氣壓均值。

3.4.2 同步驗(yàn)潮法

采用同步驗(yàn)潮法高程傳遞需要滿足一定的前提，即假定同一時(shí)間段內(nèi)的相應(yīng)范圍內(nèi)的海域海水面相同。項(xiàng)目所處的海域?yàn)榘肴粘?，根?jù)相應(yīng)規(guī)范要求得知，要求半日潮的潮汐高程傳遞的同步驗(yàn)潮時(shí)間達(dá)到3 天，高差最大差值2cm，在滿足以上條件后才能達(dá)到規(guī)范要求。為確定驗(yàn)潮站的實(shí)際潮位，對(duì)2 個(gè)不同的驗(yàn)潮站進(jìn)行3 天的同步驗(yàn)潮分析，按照上述公式計(jì)算驗(yàn)潮儀的水深值，再將得到的結(jié)果與人工水尺讀數(shù)相比，為保證設(shè)備驗(yàn)證的數(shù)據(jù)可靠，人工水尺讀數(shù)和驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)的校驗(yàn)時(shí)間不能小于2h，同時(shí)采樣間隔時(shí)間應(yīng)保持約10min?；谄骄Ｋ嫦嗤脑瓌t，計(jì)算2 個(gè)驗(yàn)潮站的水深值、平均值和差值，完成數(shù)據(jù)修正，使其達(dá)到理論最低潮面，得出潮位情況[7]。

經(jīng)過(guò)研究可知，使用壓力式驗(yàn)潮儀能夠最大程度地降低人為操作壓力，節(jié)約人力與物力成本，提高工作效率。如果需要更精準(zhǔn)的驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，就需要提高對(duì)環(huán)境變化的關(guān)注度，特別是大氣壓與海水密度對(duì)驗(yàn)潮數(shù)據(jù)的影響，與此同時(shí)，應(yīng)重視驗(yàn)潮儀的零點(diǎn)漂移問(wèn)題。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大氣壓變化對(duì)驗(yàn)潮數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響主要呈現(xiàn)線性變化特征，當(dāng)大氣壓變化1hPa 時(shí)，驗(yàn)潮數(shù)據(jù)就會(huì)變化約1cm，此時(shí)應(yīng)采用同步觀測(cè)大氣壓的方式，減少影響。隨著驗(yàn)潮儀拋擲的深度增加，海水密度變化造成的誤差使設(shè)備誤差變大，所以要盡可能地減少驗(yàn)潮儀拋設(shè)深度，驗(yàn)潮前在空氣內(nèi)對(duì)同一個(gè)地點(diǎn)的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行同步觀測(cè)，以大氣壓均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，科學(xué)計(jì)算其他壓力式驗(yàn)潮儀的實(shí)際零點(diǎn)漂移校正值。對(duì)沿岸水位站不能控制水位的測(cè)量情況，在同一時(shí)間段的相應(yīng)范圍海域內(nèi)，使用壓力式驗(yàn)潮儀可以根據(jù)相同的原理有效傳遞高程信息[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以壓力式驗(yàn)潮儀的航道內(nèi)水深測(cè)量作為研究重點(diǎn)，針對(duì)壓力式驗(yàn)潮儀的測(cè)量原理與測(cè)量過(guò)程，基于工程實(shí)際情況掌握壓力式驗(yàn)潮儀觀測(cè)值的誤差來(lái)源。分析大氣壓、海水密度等影響因素帶來(lái)的觀測(cè)值誤差變化，提出有效的誤差修正方法，從而提高驗(yàn)潮儀在航道水深測(cè)量的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。