董玉磊，曲 萌

（天津海事測(cè)繪中心 天津市 300222）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，壓力式驗(yàn)潮儀的生產(chǎn)技術(shù)已日趨成熟，很多海洋測(cè)繪單位也越來(lái)越重視壓力驗(yàn)潮儀的應(yīng)用。壓力式驗(yàn)潮儀因其安裝簡(jiǎn)便使得原來(lái)人工驗(yàn)潮比較困難或有些荒遠(yuǎn)地區(qū)不具備安裝其它水位計(jì)條件的地方實(shí)現(xiàn)了不間斷驗(yàn)潮，既降低了勞動(dòng)強(qiáng)度又提高了觀測(cè)精度，尤其對(duì)于短期驗(yàn)潮站和臨時(shí)驗(yàn)潮站以及海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站，壓力驗(yàn)潮儀的使用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。壓力式驗(yàn)潮儀工作的基本原理是它的半導(dǎo)體硅片受到水的壓力影響，利用材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)水壓力轉(zhuǎn)換成可測(cè)信號(hào)并輸出，數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用固態(tài)存貯技術(shù)定期讀取處理，并可利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸[1]。壓力式驗(yàn)潮儀通常記錄壓力數(shù)據(jù)，也有一些廠家根據(jù)氣壓、水體密度等參數(shù)將壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成水深，當(dāng)然用戶通常也可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在處理壓力式驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)時(shí)，尤其將壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成潮位數(shù)據(jù)時(shí)，有幾個(gè)容易忽視的問(wèn)題，這些問(wèn)題將影響到潮位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及可靠性，下面將分別闡述。

1 單位換算

壓力的單位有很多，法定的國(guó)際壓力單位是帕（Pa）[2]。常用的壓力單位有兆帕（MPa）、千帕（kPa），慣用的非法定單位還有巴（bar）、分巴（dbar）、毫巴（mbar）、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）、工程大氣壓（at）、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）、磅每平方英寸（psi）、托（Torr）等。他們的換算關(guān)系如表1 所示：

表1 常用壓力單位的換算關(guān)系

另外，1 pa=0.001 kPa=1*10-6MPa；1 bar=10 dbar=1 000 mbar。

從表1 可以看出，巴（bar）與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）及工程大氣壓（at）三者之間的換算數(shù)值接近于1，單從觀測(cè)結(jié)果的數(shù)值上很難斷定出具體采用的是哪種單位，比較容易混淆，使用時(shí)應(yīng)注意。通常潮位數(shù)據(jù)采用米（m）或厘米（cm）為單位，用戶一般可以根據(jù)自己的需要對(duì)壓力式驗(yàn)潮儀的測(cè)量單位進(jìn)行設(shè)置，為避免錯(cuò)用可直接設(shè)置為米（m）或厘米（cm），若不能設(shè)置在潮位處理時(shí)也可根據(jù)表1 的換算關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2 氣壓改正

壓力式驗(yàn)潮儀主要分為氣密引壓式壓力驗(yàn)潮儀和補(bǔ)氣引壓式壓力驗(yàn)潮儀兩種，在氣密引壓式壓力驗(yàn)潮儀中，海水的壓力通過(guò)引壓鐘內(nèi)密封氣體傳輸至敏感元件進(jìn)行測(cè)量和記錄。補(bǔ)氣引壓式壓力驗(yàn)潮儀通過(guò)供氣裝置使水下感壓系統(tǒng)不斷放出氣泡，保證該系統(tǒng)中的氣體壓強(qiáng)與它所處深度的水頭壓強(qiáng)相等，測(cè)量氣壓即可換算成潮位。因此對(duì)于氣密引壓式壓力驗(yàn)潮儀來(lái)說(shuō)，需要在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行氣壓改正。有些使用單位將氣壓改正這一問(wèn)題忽略或簡(jiǎn)單化，直接用1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓代替驗(yàn)潮期間的整個(gè)氣壓，或僅測(cè)定期間的某幾個(gè)氣壓，其實(shí)這些做法都將降低驗(yàn)潮數(shù)據(jù)的精度，甚至影響到最終的驗(yàn)潮結(jié)果。大氣壓力的變化跟天氣有密切的關(guān)系，表現(xiàn)在時(shí)間上是一條連續(xù)變化的曲線，在空間上有一定的相關(guān)性（如圖1 所示）。為提高觀測(cè)精度在驗(yàn)潮期間應(yīng)實(shí)時(shí)測(cè)量驗(yàn)潮點(diǎn)附近的氣壓變化，在數(shù)據(jù)處理時(shí)用壓力驗(yàn)潮儀獲取的壓力數(shù)值減去相應(yīng)時(shí)間的大氣壓力即為完全由水體產(chǎn)生的壓力，通過(guò)進(jìn)一步處理獲得潮位數(shù)據(jù)。

3 密度改正

圖1 煙臺(tái)與大連同期5 天氣壓數(shù)據(jù)變化圖

海水密度是海水的溫度、鹽度和壓力的函數(shù)，海水表層的海水密度更多地取決于海水的表層溫度值[3]。同一海域的海水密度也會(huì)隨季節(jié)等因素有小量變化，不同海區(qū)的海水密度更存在不同的變化。海水的密度可以根據(jù)實(shí)際觀測(cè)海水的溫度、鹽度和壓力等參數(shù)按照海水密度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，也可以查閱采用海區(qū)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。4 ℃純水的密度是1.0×103kg/m3，海水的密度通常要大于1.0×103kg/m3，在將壓力式驗(yàn)潮儀獲取的壓力轉(zhuǎn)換成水柱高度的時(shí)候，得到的是基于密度為1.0×103kg/m3的水柱高，對(duì)于海水在數(shù)據(jù)處理時(shí)必須進(jìn)行海水密度改正。最精確的做法是實(shí)測(cè)驗(yàn)潮點(diǎn)附近的海水密度，無(wú)法實(shí)測(cè)的也可以采用該海區(qū)的參考值，比如在黃渤海地區(qū)通常認(rèn)為海水的密度是1.02×103kg/m3。密度改正對(duì)潮位的影響跟驗(yàn)潮儀測(cè)得的壓力大小有關(guān)，也可以說(shuō)與深度成正比。以黃渤海為例密度改正前后數(shù)值如表2 所示：

表2 不同深度下密度改正前后潮位差值表

按照海濱觀測(cè)規(guī)范GB/T 14914-2006 的要求，潮位觀測(cè)的準(zhǔn)確度分為三級(jí)：一級(jí)為±1 cm；二級(jí)為±5 cm；三級(jí)為±10 cm[4]。根據(jù)上表的差值可以看出，在黃渤海地區(qū)深度大于等于5 m 水深的地方，僅密度改正造成的誤差已經(jīng)超過(guò)了規(guī)范的最低要求，因此密度改正對(duì)潮位觀測(cè)的精確度和可靠性有很大的影響，不容忽視。

4 零點(diǎn)漂移

壓力式驗(yàn)潮儀的壓力感應(yīng)片長(zhǎng)時(shí)間受到水壓作用，會(huì)發(fā)生一定程度的變形，這種變形通常是一段長(zhǎng)時(shí)間的漸變過(guò)程，直接造成了潮位數(shù)據(jù)的觀測(cè)誤差，這種變化有線性的，也有非線性的；另外驗(yàn)潮儀的零點(diǎn)也由于安裝不牢固、站基沉降等原因造成驗(yàn)潮儀的零點(diǎn)高程發(fā)生變化，大多數(shù)情況下上述兩種情況夾雜在一起，難以從潮位曲線中直接憑主觀經(jīng)驗(yàn)判斷發(fā)現(xiàn)，容易帶入到潮位數(shù)據(jù)處理中（如圖2 所示）。對(duì)于岸上驗(yàn)潮站，可以通過(guò)定期與人工水尺比對(duì)的方式確定驗(yàn)潮儀的零點(diǎn)有無(wú)漂移；對(duì)于海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站，首先要保證觀測(cè)同期有一個(gè)零點(diǎn)穩(wěn)固的岸上驗(yàn)潮站，通過(guò)岸上驗(yàn)潮站與海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站日平均海面的相關(guān)性進(jìn)行判斷并修正（如圖3 所示）[5]。

圖2 存在零點(diǎn)漂移的潮位數(shù)據(jù)曲線（10 分鐘間隔記錄）

圖3 某海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站的零點(diǎn)漂移曲線（10 分鐘間隔記錄）

5 結(jié) 語(yǔ)

從上述論述中可以看出，在壓力式驗(yàn)潮儀潮位數(shù)據(jù)處理時(shí)每一步的疏漏都會(huì)降低潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，對(duì)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響到水深測(cè)量或同步驗(yàn)潮的結(jié)果。尤其是海洋測(cè)繪單位對(duì)其測(cè)量結(jié)果要求較高，任何一個(gè)環(huán)節(jié)處理不好都無(wú)法得到真實(shí)結(jié)果。為防止壓力式驗(yàn)潮儀潮位數(shù)據(jù)處理過(guò)程中出現(xiàn)某一過(guò)程的遺漏，使用單位可以結(jié)合購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的特點(diǎn)，編制一個(gè)詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理流程指導(dǎo)書(shū)，建議在對(duì)壓力式驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，先統(tǒng)一氣壓數(shù)據(jù)和水壓數(shù)據(jù)的單位，進(jìn)行氣壓改正后轉(zhuǎn)換成以米或厘米表示的深度數(shù)值，再進(jìn)行密度改正。上述工作完成后再對(duì)壓力式驗(yàn)潮儀是否存在零點(diǎn)漂移進(jìn)行檢測(cè)，從而保證潮位數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和可靠性。

[1] 范新云.水尺與壓力式水位計(jì)多次數(shù)據(jù)比對(duì)的綜合計(jì)算[J].浙江水利科技，2007（1）：54-56.

[2] 仲躋良.國(guó)際壓力單位—帕斯卡[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1979（4）：6-9.

[3] 張鐵軍，張曉明.壓力式觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法研究[J].海洋測(cè)繪，2007（5）：22-25.

[4] GB/T 14914-2006.海濱觀測(cè)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006 3-4.

[5] 劉雷，繆錦根，李寶森.壓力式驗(yàn)潮儀零點(diǎn)漂移檢測(cè)及修正方法研究[J].海洋測(cè)繪，2010（4）：73-75.