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        沿海擋潮閘下港道監(jiān)測研究的方法和設(shè)備

        2016-10-19 20:11:15周儉華楊春季浩偉
        水能經(jīng)濟(jì) 2016年9期

        周儉華?楊春?季浩偉

        【摘要】感潮河口建閘后,閘下港道的水力條件發(fā)生改變,因下泄徑流量減少而導(dǎo)致河床發(fā)生淤積,淤積后又引發(fā)潮波變形并減少進(jìn)潮量,使閘下河床不斷萎縮,排水能力不斷下降。如何穩(wěn)定河勢,嚴(yán)密監(jiān)測整體河勢及動(dòng)態(tài)過程中的水、沙動(dòng)態(tài)和河床的局部變化規(guī)律等,必須開展監(jiān)測研究。建立閘下港道泥沙淤積規(guī)律實(shí)驗(yàn)室,開展定量研究,進(jìn)行全年、全天候的閘下港道在潮流漲、退時(shí)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律觀測,為水閘的優(yōu)化運(yùn)行方式和清淤保港措施及港道綜合治理提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)填補(bǔ)沿海閘下泥沙沖淤規(guī)律定量研究上的空白。

        【關(guān)鍵詞】沿海;閘下港道;監(jiān)測研究;方法和設(shè)備

        江蘇省海岸線長954km,除灌河外,100多條感潮河道均已建閘控制,其中大中型涵閘61座。有近半數(shù)的閘下港道嚴(yán)重淤積,已有7座閘下港道淤死,其余均有不同程度的淤積。里下河地區(qū)的四條入海通道射陽河、新洋港、黃沙港、斗龍港(簡稱“四港”),排水量占里下河地區(qū)排水總量的70%~90%。1956年至1972年陸續(xù)在河口建閘后,閘下港道不斷淤積,排水能力下降50%左右。為了減輕擋潮閘下港道淤積,恢復(fù)擋潮閘的排水能力,從1967年采用攪動(dòng)式疏浚的方法進(jìn)行閘下港道清淤,1977年起又成立了港道監(jiān)測管理所,承擔(dān)四港閘下港道的防淤清淤,并初步開展閘下港道淤積規(guī)律研究和應(yīng)用試驗(yàn)。

        一、港道監(jiān)測研究的必要性

        感潮河口建閘后,閘下港道的水力條件發(fā)生改變,因下泄徑流量減少而導(dǎo)致河床發(fā)生淤積,淤積后又引發(fā)潮波變形并減少進(jìn)潮量,使閘下河床不斷萎縮,排水能力不斷下降。1991年里下河地區(qū)特大雨澇和今年的汛期大水,內(nèi)河高水位居高不下,經(jīng)濟(jì)損失慘重,其關(guān)鍵即在于閘下港道排水不暢,因而對(duì)閘下港道進(jìn)行整治和防淤清淤一直是十分必要而又未能較好解決的課題。

        閘下港道的淤積是一個(gè)動(dòng)態(tài)的復(fù)雜的變化過程,除了水力條件改變外,還與上游河道斷面的大小及來水狀況、灘面植被、風(fēng)向和風(fēng)浪、水閘控制運(yùn)用等密切相關(guān)。港道在下泄水流和上漲海潮的雙重作用下,河勢也在不斷變化,邊灘產(chǎn)生、彎道發(fā)育,以新洋港、斗龍港閘下港道為例,出??谧笥覕[動(dòng)幅度很大,最大擺幅達(dá)到6.9km。如何穩(wěn)定河勢,嚴(yán)密監(jiān)測整體河勢及動(dòng)態(tài)過程中的水、沙動(dòng)態(tài)和河床的局部變化規(guī)律等,必須開展監(jiān)測研究。

        為減少閘下港道的淤積,必須對(duì)其進(jìn)行合理和科學(xué)的疏浚。如能正確了解港道中淤積層的密度、厚度及其分布,一則可以正確掌握疏浚的時(shí)機(jī),減少不必要的疏浚土方量,二則可以合理選擇有限的疏浚機(jī)械和合理的疏浚地段。通過對(duì)閘下港道的監(jiān)測研究,能了解到泥沙的時(shí)空分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,科學(xué)指導(dǎo)清淤,優(yōu)化疏浚作業(yè),及時(shí)清除關(guān)鍵淤積段,適時(shí)地對(duì)施工方案、作業(yè)程序進(jìn)行調(diào)整,合理地分段、分節(jié)、分層疏浚,提高疏浚效率,滿足閘下港道清淤要求,解決高效排澇的實(shí)際問題。

        二、港道監(jiān)測研究現(xiàn)狀

        從建閘以來,每年汛前(4月份左右)和汛后(10月份左右)各進(jìn)行一次全港道斷面測量,根據(jù)測量成果,可以較為準(zhǔn)確地反映出該時(shí)段內(nèi)整個(gè)河床容積的沖淤變化。另外,有一些單位,如科研、灘涂圍墾等,也曾開展過幾次泥沙、流速、流量等觀測,但資料散失,甚至無從查找。2005年四港港道監(jiān)測管理所引進(jìn)GPS測量系統(tǒng),監(jiān)測能力有了一定提高,2007年初開始加大頻率,對(duì)“四大港”進(jìn)行逐月測量,并有條件對(duì)“四大港”地形進(jìn)行兩年一次的修測,對(duì)河勢變化有了監(jiān)測手段,但對(duì)于閘下港道淤積研究而言,尚要開展泥沙、鹽度、流量、流速、風(fēng)向等項(xiàng)目監(jiān)測??萍荚陲w躍發(fā)展,要解決閘下港道的淤積的現(xiàn)實(shí)問題,必須開展定量研究,進(jìn)行全年、全天候的閘下港道在潮流漲、退時(shí)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律觀測,為水閘的優(yōu)化運(yùn)行方式和清淤保港措施及港道綜合治理提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)填補(bǔ)沿海閘下泥沙沖淤規(guī)律定量研究上的空白。

        三、港道監(jiān)測研究方法

        1) 監(jiān)測項(xiàng)目

        建立閘下港道泥沙淤積規(guī)律實(shí)驗(yàn)室(擬將該實(shí)驗(yàn)室建在新洋港閘,兼作GPS基站),近期對(duì)淤積相對(duì)嚴(yán)重并有代表性的新洋港閘下至??诩s15km長的港道進(jìn)行全天候施測。

        主要監(jiān)測項(xiàng)目有:①水下地形(河床地貌及淤積層厚度);②流速、流向(港道內(nèi)水流的流速、流向分布);③垂線平均含沙量分布;④內(nèi)河水沖刷量;⑤泥沙顆粒級(jí)配;⑥水域含鹽量分布;⑦潮位;⑧擋潮閘啟閉工況。

        根據(jù)原型測量資料建立數(shù)據(jù)庫,并具有統(tǒng)計(jì)分析、分類、查詢、圖形顯示和泥沙淤積趨勢仿真動(dòng)態(tài)演示功能。通過分析和預(yù)測,指導(dǎo)清淤工作。

        2) 監(jiān)測手段

        采用GPS定位技術(shù)與動(dòng)船法結(jié)合,完成以上監(jiān)測項(xiàng)目。

        動(dòng)船法具有簡單、快速和一定精度等特點(diǎn),不受天然條件的影響,不需固定測站,便于巡測??捎伤鲃?dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)及預(yù)測量后確定行船線路,根據(jù)港道的寬窄,沿河岸垂直方向測量或順?biāo)鞣较驕y量。要求每次測量的經(jīng)緯度盡可能一致。

        為了繪制河床地貌圖、淤積分布圖以及其它被測參數(shù)的地理坐標(biāo),必須為測量數(shù)據(jù)定位。GPS定位的制式多種多樣,綜合精度及測量速度的要求,采用兩點(diǎn)差分動(dòng)態(tài)測量方法(屬載波相位測量體系)。該方法可提供厘米級(jí)測量精度和快速測量性能。

        3) 監(jiān)測的頻度與周期

        可采用疏密結(jié)合的方法。前期采用較高頻度,當(dāng)?shù)玫絽?shù)基本變化規(guī)律后可減低測量頻度,并在特殊水情(大潮、泄洪等)時(shí)增加監(jiān)測次數(shù)。

        對(duì)新洋港閘下港道諸參數(shù)跟蹤兩年監(jiān)測,積累經(jīng)驗(yàn),摸索規(guī)律后對(duì)其余擋潮閘下港道進(jìn)行監(jiān)測。

        四、港道監(jiān)測研究的主要設(shè)備及技術(shù)

        1) 主要設(shè)備及技術(shù)

        針對(duì)閘下港道高效清淤排澇的迫切要求,需要引進(jìn)先進(jìn)的動(dòng)測關(guān)鍵設(shè)備與水下動(dòng)測關(guān)鍵技術(shù)。動(dòng)測關(guān)鍵設(shè)備與動(dòng)測關(guān)鍵技術(shù)為:

        ①M(fèi)D DSS動(dòng)態(tài)淺剖泥沙分析系統(tǒng)(含換能器及組件)一套,MD DSS測量軟件(包括淺層數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、成圖等),泥沙趨勢動(dòng)態(tài)仿真軟件。

        ②泥沙分析儀(振動(dòng)式懸移質(zhì)測沙儀)一套,根據(jù)振動(dòng)力學(xué)方程研制的密度傳感器,是利用特殊材料制成的振動(dòng)管,隨著流經(jīng)振動(dòng)管的液體密度發(fā)生變化其振動(dòng)頻率也在變化。振動(dòng)式懸移質(zhì)測沙儀就是采用這種高精密的密度傳感器將采集到的周期(頻率)數(shù)字信號(hào),通過標(biāo)準(zhǔn)串行口(RS232)進(jìn)入到計(jì)算機(jī),密度傳感器每3-7秒鐘采集一組數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)上所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算可直接在屏幕上顯示出含沙量。

        ③實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量(RTK)GPS定位儀一套。在岸邊固定點(diǎn)設(shè)立基準(zhǔn)站,該點(diǎn)作為各項(xiàng)測試的坐標(biāo)原點(diǎn),其GPS接收天線在一次架設(shè)后,在整個(gè)觀測期內(nèi),不得移動(dòng)。

        閘位潮位測站。a)閘位測站:用于監(jiān)測閘門的啟閉運(yùn)行工況,提供計(jì)算過閘流量數(shù)據(jù)。閘位測站每孔閘門配置一個(gè);b)潮位測站:用于對(duì)港道內(nèi)潮位變化量的連續(xù)、全天候測量,共四個(gè),閘門上下游各一個(gè)(已有),擋潮閘至??谔帲赝驹僭O(shè)兩處測站。

        2) 預(yù)期目標(biāo)

        ①閘下港道漲潮時(shí)泥沙淤積量及其部位;②閘下港道退潮時(shí)泥沙沖刷量及其部位;③水閘運(yùn)行方式對(duì)港道沖淤變化的影響;④閘下港道機(jī)械清淤時(shí)機(jī)及效果;⑤閘下港道河床過水?dāng)嗝婊謴?fù)的綜合工程措施。

        通過對(duì)得到成果的分析,得到示范區(qū)港水下淤積層的三維可視化分布圖,可以識(shí)別閘下港道水沙運(yùn)動(dòng)變化過程與其影響因子之間的關(guān)系,揭示沿海閘下港道泥沙運(yùn)動(dòng)平衡的物理機(jī)制及泥沙淤積的時(shí)空變化規(guī)律,預(yù)測并優(yōu)化港道疏浚施工,提高有限清淤機(jī)械的工作效率,確保疏浚質(zhì)量,為港道水沙模擬、淤積預(yù)報(bào)、和科學(xué)疏浚提供一條新的路徑。達(dá)到高效清淤排澇的目的,同時(shí)為管理部門提供港道綜合治理的決策依據(jù)。

        3) 目前已取得的成果

        引進(jìn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量GPS定位儀和MD DSS 動(dòng)態(tài)淺剖泥沙分析系統(tǒng)后,四港港道監(jiān)測管理所積極行動(dòng),以新洋港閘下11km港道為示范區(qū)進(jìn)行初步港道監(jiān)測,取得了閘下港道淺層泥沙分析成果,如圖(圖1、圖2):

        五、小結(jié)

        感潮河口建閘后,無論是長港道還是短港道,無論是港口處于淤長型海岸還是侵蝕性海岸,閘下港道的淤積是不可避免的,要解決淤積問題,確保水閘工程排澇效益的發(fā)揮,必須對(duì)閘下港道進(jìn)行監(jiān)測和泥沙運(yùn)用規(guī)律的研究。

        采用新一代水下動(dòng)態(tài)定位淺剖泥沙分析系統(tǒng),綜合監(jiān)測各相關(guān)因素,將解決閘下港道空間跨度大的測量困難,保證水下淤積層動(dòng)測和科學(xué)疏浚的綜合效率。

        開展港道監(jiān)測研究工作,將填補(bǔ)我國定量研究閘下港道泥沙運(yùn)動(dòng)和淤積規(guī)律領(lǐng)域的空白,為開展閘下港道泥沙運(yùn)動(dòng)和淤積規(guī)律研究奠定基礎(chǔ),為科學(xué)清淤提供更為精確的資料。

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