王健，劉家順，宋利杰

（1.河北理工大學(xué)交通與測(cè)繪學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北 唐山 063009）

1 曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤特征分析

1.1 曹妃甸港區(qū)水域的水沙運(yùn)動(dòng)特征

曹妃甸地處渤海灣灣口北側(cè)，是呈NE-SE向的帶狀沙島，總面積約16 km2，距離大陸岸線(xiàn)約18 km。曹妃甸前沿深槽屬典型的海灣型潮汐通道，最大水深達(dá)42 m，是渤海沿岸唯一不需開(kāi)挖航道和港池即可建設(shè)30萬(wàn)噸級(jí)大型泊位的天然港址。但由于口門(mén)較開(kāi)敝，除了塑造與維持通道深槽水道的主要潮流動(dòng)力外，波浪對(duì)灣內(nèi)和通道本身的影響不可忽略，水沙動(dòng)力過(guò)程復(fù)雜，泥沙輸運(yùn)具有波流共同作用下運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。曹妃甸港區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè)必將對(duì)當(dāng)?shù)厮畡?dòng)力環(huán)境及水沙運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生一定的影響，造成港池航道內(nèi)的回淤和風(fēng)暴潮作用下的驟淤等問(wèn)題，對(duì)港口的安全形成極大的威脅，因此必須根據(jù)港區(qū)水域泥沙沖淤特征設(shè)置合理的泥沙沖淤監(jiān)測(cè)機(jī)制。

1.1.1 潮汐與潮流特征

曹妃甸海域主要受南渤海潮波系統(tǒng)控制，潮汐屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差由東向西逐漸增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，甸頭平均高潮位為0.81 m，平均低潮位為-0.73 m，平均潮差為1.54 m。

曹妃甸海域?yàn)楹承统毕ǖ?，甸頭以南深槽基本為東西向的往復(fù)流，雖潮差較小，但獨(dú)特的甸頭岬角效應(yīng)使甸頭附近、岬角深槽和邊灘潮溝水流最強(qiáng)，岸灘附近流速稍弱。近岸淺海區(qū)受地形變化影響，主流流向有順岸或沿等深線(xiàn)方向流動(dòng)的趨勢(shì)。甸頭北側(cè)淺灘區(qū)以漫灘水流為主，此水流的匯集與分散是維持各潮溝的主要?jiǎng)恿1]。

1.1.2 波浪及風(fēng)暴潮特征

曹妃甸海域常浪向?yàn)镾，出現(xiàn)頻率為8.6%；次常浪向?yàn)镾E，出現(xiàn)頻率為5.8%；強(qiáng)浪向?yàn)镋NE，該方向波能占16.5%；次強(qiáng)浪向?yàn)镹W和NE，兩方向波能分別占9.9%和9.1%。波浪分析表明，HP10>1.8 m的中浪和大浪，波能占34.0%，說(shuō)明波浪對(duì)岸灘演變起到重要作用。該海區(qū)波浪對(duì)泥沙的作用主要反映在橫向輸沙的沙壩塑造作用和對(duì)潮灘灘面的掀沙侵蝕作用，沿岸輸沙量相對(duì)較弱。

渤海灣沿岸是我國(guó)風(fēng)暴潮最嚴(yán)重地區(qū)之一，據(jù)塘沽海洋站1950—1981年資料統(tǒng)計(jì)，32 a中發(fā)生增水1 m以上的風(fēng)暴潮253次，平均每年7.9次；2 m以上7次，平均4.6年1次；最大增水值為2.52 m。風(fēng)暴潮主要發(fā)生在秋冬季，占全年的76.2%，由E和ES向持續(xù)大風(fēng)引起。曹妃甸海域發(fā)生風(fēng)暴潮的氣象背景與塘沽基本一致，但由于位于渤海灣口北部突出部位，缺乏水體集聚的地理?xiàng)l件，相關(guān)資料分析認(rèn)為其增減水幅度約為塘沽的60%～70%[2]。

1.1.3 泥沙輸移特征

在小浪或無(wú)浪氣象條件下，曹妃甸海域含沙量并不大。近年水文測(cè)驗(yàn)表明，整體上近岸水域的水體含沙量普遍大于外海深水域。外海深水區(qū)約為0.05～0.10 kg/m3，近岸約為0.07～0.15 kg/m3。近岸水域又以甸頭為界，西部水域平均含沙量明顯大于東部。無(wú)論漲潮、落潮，整個(gè)海域普遍表現(xiàn)為大潮含沙量大于小潮含沙量。風(fēng)浪的掀沙作用是影響本海區(qū)含沙量變化的重要因素，潮流影響較弱。近年來(lái)由于人為活動(dòng)的影響，例如灤河上游修建水庫(kù)、河道取水、沿海岸線(xiàn)興建人工島堤等使該海域的沙源供給逐步減少，平均含沙量呈總體減少趨勢(shì)[1]。

曹妃甸海區(qū)沉積物的分布由陸向海呈細(xì)—粗—細(xì)的規(guī)律變化，中值粒徑也沿水深的分布呈現(xiàn)岸灘粗、深槽細(xì)的特點(diǎn)。以甸頭分界，沉積物中值粒徑分布由西向東呈由小到大的變化趨勢(shì)，甸頭以西海域沉積物分選程度一般，東部海域由岸到海分選程度呈分選一般—分選好—分選一般分布，甸東離岸沙壩海域分選程度最好，說(shuō)明其受波浪動(dòng)力作用較強(qiáng)。

1.1.4 波浪潮流作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律

海岸的演變特征和綜合治理受制于泥沙問(wèn)題，波浪與潮流是引起泥沙輸移的主要?jiǎng)恿σ蛩?，“波浪掀沙，潮流輸沙”是其主要運(yùn)動(dòng)形式。曹妃甸海域漲潮時(shí)水體基本呈自東向西運(yùn)動(dòng)，隨著潮位的升高漲潮水體首先充填曹妃甸淺灘東側(cè)的眾多潮溝，隨后淺灘北側(cè)部分淹沒(méi)，與此同時(shí)潮流繞過(guò)甸頭進(jìn)入西側(cè)潮溝；落潮時(shí)水體基本呈自西向東運(yùn)動(dòng)，隨著潮位的降低，淺灘高處出露，灘面上的水體逐漸歸槽，潮溝內(nèi)的水體也逐漸匯入深槽水域，其中甸頭西側(cè)灘面的落潮歸槽水流與外海深槽的落潮水流匯合，并繞過(guò)甸頭與東側(cè)潮溝的落潮水流匯合。甸頭具有較明顯的岬角效應(yīng)，漲落潮水流呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流性質(zhì)，且流向集中，流速較大。曹妃甸海域潮流輸沙的一般規(guī)律是：水體含沙量與流速、潮差成正相關(guān)，漲急、落急含沙量大于漲憩和落憩含沙量，大潮含沙量大于小潮含沙量[1]。

1.2 曹妃甸港區(qū)開(kāi)發(fā)前后水動(dòng)力條件及回淤變化

1.2.1 港區(qū)開(kāi)發(fā)前的海床穩(wěn)定性和沖淤演變

為了解曹妃甸海域長(zhǎng)期以來(lái)的水深地形變化，交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所采用了1934—1983海圖進(jìn)行了斷面水深對(duì)比，并對(duì)曹妃甸海域等深線(xiàn)沖淤的平面變化進(jìn)行了分析。分析認(rèn)為曹妃甸海域長(zhǎng)期以來(lái)海床基本穩(wěn)定，水深地形多年來(lái)呈現(xiàn)基本平衡、略有沖刷的狀況，沙壩位置長(zhǎng)期以來(lái)基本穩(wěn)定，局部邊坡略有淤積[1]。南京水利科學(xué)研究院對(duì)2004年4月和2006年4月的水深地形資料進(jìn)行的研究表明，甸頭前沿500 m范圍內(nèi)沖深0.5～0.8 m，500～1 000 m范圍沖深0.2～0.4 m；甸西近岸800 m范圍淤積了0.1～0.6 m；甸東近岸一側(cè)也有一局部淤積區(qū)，淤厚最大達(dá)0.7 m，可能與施工有關(guān)。

1.2.2 港區(qū)開(kāi)發(fā)引起水動(dòng)力條件變化

曹妃甸港區(qū)的開(kāi)發(fā)形成以曹妃甸—蛤坨為軸心的大型人工島式布置格局，并以老龍溝、納潮河為分界，形成前島后陸的總體布局，見(jiàn)圖1。

圖1 渤海灣曹妃甸港區(qū)規(guī)劃示意圖

經(jīng)模擬計(jì)算，港區(qū)開(kāi)發(fā)后甸頭深槽區(qū)域流速有所增加，漲潮平均流速增加0.9%，落潮平均流速增加5.7%，甸頭前1.5 km處漲潮平均流速增加2.4%，落潮平均流速增加1.1%。流速略有增加有利于維護(hù)甸頭深槽水深。南堡深槽區(qū)域?qū)嵤╅_(kāi)發(fā)后流速略有加大，漲潮平均流速增加2.2%，落潮平均流速增加4.1%，水流更加歸順，往復(fù)流特征更加明顯，有利于維護(hù)深槽水深。甸頭東側(cè)淺灘，港區(qū)東翼圍填后阻斷了漲落潮時(shí)的漫灘水流，使圍填區(qū)以南淺灘區(qū)域漲潮平均流速減少了22.0%，落潮平均流速減少了18.0%，流速的減小會(huì)使淺灘上略有淤積。由于淺灘區(qū)納潮量的減少，老龍溝潮汐通道流速有所減小，漲潮平均流速減少11.9%，落潮平均流速減少18.4%，有利于通航安全但不利于水深維護(hù)[2]。

圍填前灘面水深不足1 m，平均流速小于0.1 m/s，港區(qū)圍填面積約為310 km2，圍填所占的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e僅為0.3%～1.7%，減小的潮棱體與工程前相比很小，故港區(qū)開(kāi)發(fā)對(duì)周邊水動(dòng)力環(huán)境影響的范圍及程度較小[2]。

1.2.3 港區(qū)開(kāi)發(fā)實(shí)施后港池與航道的回淤分析

與港區(qū)圍填前相比，由于港區(qū)大面積圍填阻擋了波浪向淺灘的傳播，使得其含沙量大幅減小，外海含沙量則變化不大。南京水利科學(xué)研究院采用多年平均波浪和大、中潮組合進(jìn)行了正常情況下的泥沙沖淤?gòu)?qiáng)度計(jì)算。計(jì)算表明，港區(qū)實(shí)施圍填1年后，甸頭前沿深槽年沖深0.15～0.48 m，西側(cè)前沿沖深0.09～0.27 m，東側(cè)前沿沖深0.00～0.20 m，甸頭前1.5～3.0 km處沖深0.10～0.21 m，老龍溝航槽年回淤0.06～0.83 m，其中靠近三港池處回淤?gòu)?qiáng)度較大；一港池年回淤0.35～1.31 m，淤積部位主要位于靠近口門(mén)的回流區(qū)域；二港池年回淤0.02～0.99 m，口門(mén)附近淤積較大；納潮河基本沒(méi)有沖淤變化；三港池年回淤0.03～0.64 m，主要淤積部位為靠近老龍溝的一側(cè)區(qū)域[2]。

南京水利科學(xué)研究院采用常浪向?yàn)镾E向偏東6°，10年一遇波浪和大、中潮組合進(jìn)行了大風(fēng)浪天氣引起的泥沙驟淤?gòu)?qiáng)度計(jì)算，波浪作用時(shí)間為48 h。計(jì)算表明，一港池淤積了0.01～0.21 m，淤積部位主要位于靠近口門(mén)區(qū)域；二港池淤積了0.00～0.20 m，口門(mén)附近淤積較大；三港池淤積了0.00～0.07 m，主要淤積部位為靠近老龍溝的一側(cè)區(qū)域；老龍溝航槽淤積較多，達(dá)0.06～0.55 m，靠近口外一側(cè)航道驟淤?gòu)?qiáng)度相對(duì)較大[2]。

1.3 構(gòu)建曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的意義

曹妃甸港區(qū)自然狀態(tài)下灘槽基本穩(wěn)定，處于微沖微淤、外圍沙島緩慢侵蝕的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。港口的開(kāi)發(fā)建設(shè)會(huì)引起水動(dòng)力條件的變化，從而造成泥沙沖淤變化。施工建設(shè)期間由于吹填造陸的影響，使工程水域的邊界條件、水動(dòng)力以及泥沙環(huán)境均有了一定的改變，海床地形已發(fā)生了不同程度的沖淤變化，深水環(huán)境已經(jīng)受到威脅。

曹妃甸港口建設(shè)是我國(guó)一項(xiàng)重大的百年基業(yè)工程，受到黨和國(guó)家及省政府的高度重視和支持，其長(zhǎng)期的穩(wěn)定與安全是一個(gè)重大課題。該水域優(yōu)良的水深條件是建設(shè)大港和深水碼頭的前提，甸前深度達(dá)30 m的深槽是整個(gè)港區(qū)的命脈，其穩(wěn)定性直接關(guān)系著整個(gè)港區(qū)的未來(lái)發(fā)展。盡管在建港前期對(duì)水深的穩(wěn)定性已經(jīng)進(jìn)行了充分的論證，但為確保港口的持續(xù)發(fā)展和安全運(yùn)營(yíng)，全面準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)和掌握水下地形沖淤變化，必須構(gòu)建曹妃甸港區(qū)水下地形沖淤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)長(zhǎng)期、全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析研究，準(zhǔn)確掌握沖淤規(guī)律，提前采取有效措施，防患于未然，確保港口的長(zhǎng)期、高效、安全的使用。另外長(zhǎng)期積累的觀測(cè)資料還將成為掌握變化規(guī)律和開(kāi)展科學(xué)研究不可缺少的寶貴資料。

2 曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)的范圍與要求

曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤監(jiān)測(cè)的目的是準(zhǔn)確掌握泥沙沖淤狀態(tài)和規(guī)律，確保安全長(zhǎng)期航運(yùn)，因此監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)應(yīng)為港池、航道、錨地等區(qū)域，而泥沙沖淤狀況受整體環(huán)境的影響，不是孤立因素，所以監(jiān)測(cè)范圍應(yīng)包括港區(qū)整個(gè)水域，具體范圍：東至老龍溝東側(cè)；南至主航道、大型危險(xiǎn)品船舶專(zhuān)用錨地、綜合性港區(qū)專(zhuān)用錨地南側(cè)；西至南堡；內(nèi)側(cè)至港區(qū)岸線(xiàn)。

曹妃甸港區(qū)監(jiān)測(cè)水域范圍很大，不同的局部區(qū)域沖淤程度不同，對(duì)航運(yùn)來(lái)說(shuō)不同局部的重要程度也不同，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行精密監(jiān)測(cè)是非常不合理的。所以從經(jīng)濟(jì)與效益相結(jié)合的角度出發(fā)，對(duì)整個(gè)港區(qū)海域監(jiān)測(cè)的測(cè)量比例尺和監(jiān)測(cè)周期采用一般地區(qū)與重點(diǎn)地區(qū)相結(jié)合、大比例尺與小比例尺測(cè)量相結(jié)合、長(zhǎng)周期與短周期相結(jié)合的方法，重點(diǎn)區(qū)域、嚴(yán)重沖淤區(qū)域采用短周期、大比例尺、測(cè)量方法采用GPS RTK結(jié)合測(cè)深儀或多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量，一般地區(qū)采用長(zhǎng)周期、小比例尺、測(cè)量方法采用差分GPS結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量或斷面測(cè)量。具體為：

1）曹妃甸港區(qū)一、二、三3個(gè)港池是港口內(nèi)供船舶停泊、作業(yè)、駛離和轉(zhuǎn)頭操作的水域，承擔(dān)著包括碼頭前沿水域、船舶轉(zhuǎn)頭水域、港內(nèi)錨地等作用。前面分析得出港池水域?qū)⒂休^嚴(yán)重回淤，口門(mén)附近淤積較大，三港池主要淤積部位為靠近老龍溝的一側(cè)區(qū)域，所以港池內(nèi)進(jìn)行1∶2 000的水深地形測(cè)量，施測(cè)周期為每季1次；淤積嚴(yán)重的部位、防波堤處進(jìn)行1∶1 000水下地形測(cè)量，施測(cè)周期為每?jī)稍禄蛎考?次。

2）老龍溝是港區(qū)東側(cè)淺灘附近的一條深溝，為設(shè)計(jì)航槽。前面的分析認(rèn)為老龍溝航槽回淤較嚴(yán)重，尤其是靠近三港池處，所以該區(qū)域應(yīng)進(jìn)行1∶1 000比例尺的水下地形測(cè)量，施測(cè)周期為每?jī)稍禄蛎考?次。

3）碼頭前沿、甸頭前深槽是容易產(chǎn)生沖刷或淤積的位置。無(wú)論沖刷還是淤積都會(huì)給安全生產(chǎn)帶來(lái)影響，該區(qū)域應(yīng)進(jìn)行1∶2 000比例尺的水下地形測(cè)量，施測(cè)周期為每季1次。

4）對(duì)于遠(yuǎn)離岸線(xiàn)的其他水域，雖然泥沙沖淤對(duì)船舶的安全航行、停泊有一定影響，但因遠(yuǎn)離海岸，港口建設(shè)對(duì)該區(qū)域水動(dòng)力條件的影響很小，其水深變化小。所以該區(qū)域的水下地形測(cè)量的比例尺可以選擇1∶5 000～1∶10 000之間，測(cè)量周期應(yīng)該較大（可以每1～2 a施測(cè)1次）。

上述是以曹妃甸港區(qū)開(kāi)發(fā)后回淤變化分析為基礎(chǔ)的初步監(jiān)測(cè)方案，待通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)掌握較為準(zhǔn)確的沖淤規(guī)律后，應(yīng)對(duì)水下地形測(cè)量比例尺和測(cè)量周期進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整使方案更符合實(shí)際情況。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，當(dāng)發(fā)生臺(tái)風(fēng)、海嘯、風(fēng)暴潮等特殊情況后應(yīng)加測(cè)1次，以防止沖淤形式在短時(shí)間內(nèi)有較大變化。

2.2 監(jiān)測(cè)方法

曹妃甸港區(qū)水下泥沙沖淤監(jiān)測(cè)就是運(yùn)用精密水下地形測(cè)量技術(shù)，通過(guò)對(duì)同一區(qū)域周期性的測(cè)量，對(duì)比前后兩期測(cè)量結(jié)果，獲得沖淤數(shù)據(jù)。目前水下地形測(cè)量技術(shù)最精確的方法是采用GPS獲取平面坐標(biāo)，測(cè)深儀獲取深度數(shù)據(jù)的基本模式。

2.2.1 港池及近岸海域精密水下地形測(cè)量的方法

傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法是，在測(cè)深點(diǎn)上進(jìn)行水深和平面坐標(biāo)測(cè)量的同時(shí)，同步進(jìn)行水位觀測(cè)，水位面高程與水深值之差即為該點(diǎn)水底高程。由于測(cè)深點(diǎn)處的水位高程是采用距離和時(shí)間內(nèi)插得到的，水位的波動(dòng)以及內(nèi)插值的誤差直接導(dǎo)致水底高程的誤差增大，極大地降低了測(cè)量的精度。GPS RTK技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)提供其天線(xiàn)相位中心的厘米級(jí)精度的坐標(biāo)和高程，利用該技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量，設(shè)某測(cè)深點(diǎn)處GPS天線(xiàn)相位中心的高程為HGPS，量取GPS天線(xiàn)相位中心到測(cè)深儀換能器之間的垂距hG-T，h為該測(cè)深點(diǎn)處測(cè)得的水深，進(jìn)而水底點(diǎn)的高程Hb可表達(dá)為：

利用GPS RTK技術(shù)可以省去傳統(tǒng)測(cè)量煩瑣的過(guò)程，提高作業(yè)效率，而且得到的是水下地形點(diǎn)厘米級(jí)精度的坐標(biāo)和高程，提高了精度[3]。對(duì)于港池內(nèi)部水域的測(cè)量，該方法非常適用；對(duì)于其他近岸水域，由于風(fēng)浪等情況造成船體的運(yùn)動(dòng)和傾斜，水深測(cè)量數(shù)據(jù)h不是換能器到水底的鉛垂距離，所以實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行測(cè)船姿態(tài)改正；對(duì)于遠(yuǎn)離岸線(xiàn)的水域，由于GPS RTK的差分信號(hào)傳播距離有限，所以該方法不適用。

1）岸上控制測(cè)量的方法和要求。采用GPS RTK技術(shù)需要在岸上精度較高的控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，所以首先要在海岸上進(jìn)行控制測(cè)量。岸上控制點(diǎn)必須布設(shè)在穩(wěn)定且便于利用GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)的位置，控制點(diǎn)的密度應(yīng)根據(jù)GPS基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間數(shù)據(jù)鏈的傳播能力來(lái)設(shè)計(jì)。曹妃甸港區(qū)海岸線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)50～60 km以上，平面控制網(wǎng)應(yīng)采用靜態(tài)GPS定位技術(shù)按《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》四等GPS觀測(cè)技術(shù)要求進(jìn)行測(cè)量。平面坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)選擇1954年北京坐標(biāo)系，投影帶中央子午線(xiàn)應(yīng)選擇118°30′，這樣的坐標(biāo)系統(tǒng)既有利于減小投影變形，又有利于保持與前期測(cè)量資料坐標(biāo)系的統(tǒng)一性。高程控制網(wǎng)應(yīng)以港區(qū)已有高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)為基礎(chǔ)按三等或三等以上水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求施測(cè)。岸上控制網(wǎng)要與已建立的地面控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)，從而保持統(tǒng)一的坐標(biāo)和高程系統(tǒng)。

2）GPS RTK結(jié)合測(cè)深儀進(jìn)行精密水下地形測(cè)量的要求。在測(cè)量前需要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行測(cè)線(xiàn)設(shè)計(jì)，《海道測(cè)量規(guī)范》對(duì)不同需求測(cè)線(xiàn)做了定量而詳細(xì)的要求。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)線(xiàn)方向應(yīng)垂直于等深線(xiàn)方向或水流方向，圖上主測(cè)深線(xiàn)的間隔為1 cm，對(duì)一些復(fù)雜海區(qū)和使用者有特殊要求的，有時(shí)還要布設(shè)0.25～0.5 cm的更小間隔的測(cè)線(xiàn)，稱(chēng)為加密線(xiàn)。在測(cè)線(xiàn)布設(shè)時(shí)，還應(yīng)該考慮水下地形的變化情況，對(duì)變化相對(duì)平坦的地區(qū)，測(cè)線(xiàn)間距可以適當(dāng)放寬，否則，需加密測(cè)線(xiàn)，使水下地形變化復(fù)雜地區(qū)的測(cè)量成果能更好地反映水下地形的真實(shí)面貌。

利用測(cè)深儀沿測(cè)深線(xiàn)測(cè)量水下地形點(diǎn)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)的密度應(yīng)能顯示水下地形特征，并符合表1規(guī)定。

表1 水下地形測(cè)量的測(cè)深點(diǎn)間距及等高距

3）利用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行精密水下地形測(cè)量的要求。多波束測(cè)深方法是精密水下地形測(cè)量的一種基本手段，其能夠在進(jìn)行測(cè)深和定位的同時(shí)進(jìn)行姿態(tài)（即測(cè)船的橫搖、縱搖、起伏）測(cè)量，具有高分辨率、全覆蓋、效率高的特點(diǎn)，其測(cè)量數(shù)據(jù)精度高、密度大，適用于對(duì)海底地形地貌的監(jiān)測(cè)和研究工作[4]。利用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行精密水下地形測(cè)量，需要經(jīng)過(guò)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安裝與校準(zhǔn)、實(shí)地測(cè)量和內(nèi)業(yè)處理幾個(gè)步驟。方案設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)合理船速、掃測(cè)帶寬度、測(cè)線(xiàn)重疊帶寬度、測(cè)線(xiàn)位置布設(shè)等，多波束的測(cè)深線(xiàn)方向應(yīng)大致平行于等深線(xiàn)的方向，同時(shí)為了保證測(cè)量質(zhì)量和全覆蓋的測(cè)量要求，相鄰掃測(cè)帶之間應(yīng)有10%～15%的重疊。安裝與校準(zhǔn)工作包括系統(tǒng)各傳感器的安裝與校準(zhǔn)，船艏向的校準(zhǔn)與測(cè)船坐標(biāo)系的建立，橫搖、縱搖、時(shí)延、起伏4個(gè)方面安裝偏差的校準(zhǔn)。實(shí)地測(cè)量過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行換能器的實(shí)際吃水和聲速剖面測(cè)量，以便進(jìn)行吃水變化改正和聲速改正，測(cè)船偏離設(shè)計(jì)航線(xiàn)應(yīng)小于測(cè)線(xiàn)間距的20%。對(duì)曹妃甸港區(qū)的水下泥沙沖淤監(jiān)測(cè)是通過(guò)周期性的精密水下地形測(cè)量實(shí)現(xiàn)的，在進(jìn)行各次測(cè)量作業(yè)時(shí)測(cè)量路線(xiàn)要相同，系統(tǒng)安裝和校準(zhǔn)工作也應(yīng)保持一致，這樣有利于比較各次測(cè)量數(shù)據(jù)，消除系統(tǒng)性誤差的影響。

2.2.2 遠(yuǎn)離海岸水域的水下地形測(cè)量的方法和要求

曹妃甸港區(qū)監(jiān)測(cè)海域遠(yuǎn)離海岸的區(qū)域，其水下地形測(cè)量也需經(jīng)過(guò)方案設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝校準(zhǔn)、實(shí)地測(cè)量和內(nèi)業(yè)處理幾個(gè)步驟，測(cè)量過(guò)程中應(yīng)根據(jù)設(shè)備的參數(shù)和性能以及水下地形測(cè)量比例尺的技術(shù)要求來(lái)進(jìn)行。由于GPS RTK的信號(hào)傳播范圍有限，所以其定位方式應(yīng)采用其他GPS差分方式，目前利用StarFire網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)提供的GPS差分信號(hào)能夠獲得分米級(jí)精度的定位，是一種比較合適的方式。遠(yuǎn)離海岸水域風(fēng)浪和潮汐顯著，為了獲得水下地形點(diǎn)的高程，必須進(jìn)行水位觀測(cè)，并對(duì)水深測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行水位改正。水深測(cè)量的精度受風(fēng)浪和潮汐的影響較大，實(shí)際作業(yè)中應(yīng)認(rèn)真觀測(cè)聲速剖面。利用多波束測(cè)深時(shí)，除中央波束外，其他波束均與垂向有一定的夾角，聲速剖面的準(zhǔn)確與否直接影響波束歸位計(jì)算，尤其是邊緣波束，不準(zhǔn)確的聲速剖面會(huì)導(dǎo)致相鄰條帶在公共覆蓋區(qū)所測(cè)地形與實(shí)際地形不匹配。

2.3 觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理與沖淤量的計(jì)算

觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理是將外業(yè)觀測(cè)的大量坐標(biāo)、高程、水位、水深數(shù)據(jù)按點(diǎn)進(jìn)行配付和計(jì)算，從而得到水下地形點(diǎn)各期觀測(cè)的坐標(biāo)和高程。

水下泥沙沖淤量依據(jù)精密測(cè)量的結(jié)果來(lái)計(jì)算。設(shè)某監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積為S，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)水下最低高程為h0，計(jì)算淤積量的參考高程可設(shè)為H（H≤h0，考慮到由于海底泥沙沖淤變化，各期地形測(cè)量的h0不同，H要比最小的h0值還要?。?，某3個(gè)相鄰地形點(diǎn)構(gòu)成的面積為ΔS（ΔS的值可以利用3個(gè)地形點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算出來(lái)），某期觀測(cè)時(shí)ΔS范圍內(nèi)自然水下地形面與參考高程H面之間的泥沙體積ΔV為：

式中：h1，h2，h3分別為水下地形點(diǎn)1，2，3點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程H1，H2，H3與參考高程 H 之差[5]，見(jiàn)圖2。

設(shè)某監(jiān)測(cè)區(qū)域S范圍內(nèi)三角形個(gè)數(shù)為n，則該區(qū)的水下自然地形面到參考高程面之間的泥沙量為：

利用式（3）可以算出各觀測(cè)時(shí)期的泥沙量：V1，V2，V3，V4，……，進(jìn)而求出相應(yīng)時(shí)期的淤積量：ΔV1，ΔV2，ΔV3，……。ΔV1=V1-V2，ΔV2=V2-V3，ΔV3=V3-V4，……。

圖2 相鄰3個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的三角柱示意圖

利用多次周期性的水下精密地形測(cè)量結(jié)果計(jì)算泥沙淤積量，進(jìn)而計(jì)算淤積速度和分析淤積變化規(guī)律。計(jì)算同一區(qū)域各期淤積量時(shí)要注意每次選擇的參考高程面H和淤積區(qū)域S要相同。

3 結(jié)語(yǔ)

曹妃甸港口的建設(shè)是我國(guó)一項(xiàng)重大的百年工程，甸前深槽的穩(wěn)定性關(guān)系著港區(qū)發(fā)展的命脈，而航道、港池、泊位、錨地等的泥沙沖淤問(wèn)題也對(duì)港口發(fā)展與穩(wěn)定具有重要影響。因此，應(yīng)根據(jù)各個(gè)區(qū)域的泥沙沖淤狀況及其對(duì)港口生產(chǎn)影響的重要程度，設(shè)置出相應(yīng)合理的泥沙沖淤監(jiān)測(cè)方案，從而建立起整個(gè)港區(qū)水域的泥沙沖淤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在準(zhǔn)確掌握泥沙沖淤規(guī)律的基礎(chǔ)上適時(shí)采取有效處理措施，是確保港口長(zhǎng)期安全穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的有效手段。

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[2]陸永軍，季榮耀，左利欽，等.海灣型潮汐通道中大型深水港開(kāi)發(fā)的水沙問(wèn)題研究[J].水利學(xué)報(bào)，2007，38（12）：1 426-1 436.

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[4]周興華，陳永奇，陳義蘭，等.長(zhǎng)江口航道疏浚的多波束監(jiān)測(cè)[J].海洋測(cè)繪，2002，22（6）：30-34.

[5]張紅梅，趙建虎.水庫(kù)庫(kù)容和淤積量精密測(cè)量及計(jì)算方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，36（5）：26-29.

[6]GB12327-1998，海道測(cè)量規(guī)范[S].