溫志堅(jiān)　何志敏

摘 要：本文以在廣東沿海投放新型網(wǎng)箱為工程背景，探討了基于點(diǎn)式多普勒流速儀對(duì)近海海域流速進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)流程和方法，論文詳細(xì)闡述了設(shè)備的安裝方式和實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出了實(shí)際業(yè)務(wù)中應(yīng)當(dāng)注意的四個(gè)方面的問(wèn)題，包括溫度問(wèn)題、防水問(wèn)題、儀器問(wèn)題和生物附著的影響等。

關(guān)鍵詞：沿海 溫度 防水 儀器

中圖分類(lèi)號(hào)：P332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（c）-0179-02

為了了解新型網(wǎng)箱擬投放南海海域的流速情況，2017年4～5月，項(xiàng)目組使用點(diǎn)式多普勒流速儀對(duì)新型網(wǎng)箱擬投放廣東沿海深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域流速進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

流速采用挪威NortekSA公司推出的Vectiron小威龍三維點(diǎn)式多普勒流速儀（Nortek VectrinoVelcimeter）進(jìn)行測(cè)量。它采用聲學(xué)多普勒測(cè)量原理，是憑借聲波在流動(dòng)液體中的多普勒頻移來(lái)測(cè)量流速，探頭尺寸較小，大大減少了探頭自身造成的阻流擾。儀器無(wú)活動(dòng)部件，無(wú)摩擦和滯后現(xiàn)象，測(cè)量感應(yīng)時(shí)間快，測(cè)量數(shù)據(jù)精度高，與計(jì)算機(jī)連接可連續(xù)記錄流速數(shù)據(jù)。Vectirno由兩個(gè)基本組件構(gòu)成：傳感器和探頭內(nèi)部的處理卡，40cm長(zhǎng)的桿式4臂平視傳感器（平視固定測(cè)桿探頭）配12針插入式水密接頭和10m長(zhǎng)的電纜通過(guò)USB至RS232轉(zhuǎn)接器與電腦流速儀自帶軟件Vectirno V2.0相連，用于參數(shù)儀器設(shè)定、文件命名、監(jiān)控和記錄流速隨時(shí)間的變化。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

1.2 設(shè)備安裝

流速儀測(cè)量需要兩方面的準(zhǔn)備：一方面是海上實(shí)驗(yàn)用的電源，另一方面是配套用可拆卸式固定支架。

1.2.1 海上實(shí)驗(yàn)用電源

電源方面由于流速儀本身功率僅為2.5W，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的筆記本通過(guò)設(shè)置顯示器在記錄時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，運(yùn)行功率估計(jì)為50～80W。實(shí)驗(yàn)要求一次充電后整個(gè)系統(tǒng)能夠工作時(shí)間不少于24h，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源需求是小功率長(zhǎng)時(shí)間不間斷供電，根據(jù)不同品牌蓄電池的放電電流和放電時(shí)間，結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求最終選定MT1000S不間斷電源和4塊山特100AH蓄電池搭配使用，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電源的工作時(shí)間可以超過(guò)48h，在海況較差，不能及時(shí)取回蓄電池充電的情況下很好的保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

1.2.2 海上實(shí)驗(yàn)配套用可拆卻式固定支架

實(shí)驗(yàn)是在網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)（網(wǎng)箱網(wǎng)衣未放下，不會(huì)對(duì)流速有很大影響）進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量水下4m的流速情況，需要固定支架一方面固定在現(xiàn)有網(wǎng)箱框架上，另一方面穩(wěn)定地固定流速儀探頭，所以固定支架設(shè)計(jì)為角尺狀，固定在網(wǎng)箱框架上的長(zhǎng)度為3m，考慮到運(yùn)輸方便把整個(gè)框架設(shè)計(jì)為2部分，2部分長(zhǎng)均為1.5m。第二部分附帶角尺拐角部分，垂直向下0.3m。由于網(wǎng)箱框架高1.lm，流速儀測(cè)桿長(zhǎng)出固定支架0.4m，垂直部分高4.7m，設(shè)計(jì)為3部分，長(zhǎng)分別為1.5m、1.5m、1.4m。

在材料選擇上最初計(jì)劃使用316L角鋼，由于成本較高、安裝不便，另一方面實(shí)驗(yàn)并非常年進(jìn)行，最后選擇鍍鋅鋼板（寬，厚）進(jìn)行加工。連接處考慮到保持固定支架的強(qiáng)度、防銹以及安裝的方便，采用了矩齒形咬合，鍍鋅鐵絲固定的方法。為了防止由于豎臂抖動(dòng)造成的流速測(cè)量的不穩(wěn)，在固定支架的豎臂上加了一根長(zhǎng)約4m、直徑5cm的鍍鋅鋼管進(jìn)行了加固。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在到達(dá)新型網(wǎng)箱擬投放目標(biāo)海域后，安裝固定支架，并牢固固定加固鋼管，通過(guò)指南針（Coleman，814C630T）測(cè)量固定支架的指向。在固定流速儀的時(shí)候注意使得流速儀的X軸指向，在安裝完畢后可以確定流速儀測(cè)量流速數(shù)據(jù)的X軸指向?yàn)楸逼?0°。布置好蓄電池、USP以及記錄電腦，并將USP與記錄電腦放置在物流箱中，并且注意使用防震泡沫包裝布仔細(xì)裹住連接線(xiàn)在物流箱外沿部位，盡量減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中連接線(xiàn)的磨損。

采樣率方面本次測(cè)量采用的是儀器的最佳采樣率（200Hz）。這雖然給后期的處理造成了一定的困難，但也最大程度上保證了數(shù)據(jù)采樣的質(zhì)量，為今后對(duì)波浪動(dòng)力學(xué)、邊界層的水流研究、紊流研究、波浪和水流聯(lián)合監(jiān)測(cè)研究等方面保存了更好的研究樣本。

現(xiàn)有流速儀測(cè)量潮流和常流，要準(zhǔn)確的測(cè)量，就必須抑制干擾這兩種運(yùn)動(dòng)的“噪聲”即海水湍流與海浪的影響，選擇好觀測(cè)時(shí)間的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，實(shí)際上就是用“時(shí)間濾波器”將“噪聲”濾掉。

海洋中的水體運(yùn)動(dòng)可以分為三類(lèi)：規(guī)律性的大尺度運(yùn)動(dòng)，可以獨(dú)立描述；極其無(wú)規(guī)則的小尺度渦旋運(yùn)動(dòng)，必須予以統(tǒng)計(jì)描述；各類(lèi)運(yùn)動(dòng)（波浪、潮流），他們都具有某些周期性。

海流的觀測(cè)結(jié)果要求其脈動(dòng)“累加”平均值等于零，這就要求對(duì)一定時(shí)間間隔求平均值（函數(shù)時(shí)間平滑），由于海洋科表征為各種尺度運(yùn)動(dòng)都包括的寬頻譜，所以很難說(shuō)什么樣的平滑尺度都滿(mǎn)足，但是如果平均周期取得不夠大，則平均值是不穩(wěn)定的，每次測(cè)量的平均值都會(huì)顯著不同。一般來(lái)說(shuō)從噪聲的產(chǎn)生來(lái)看，近海區(qū)短頻噪聲主要是來(lái)自熱噪聲和波浪噪聲，熱噪聲時(shí)間尺度一般在10s左右，波浪噪聲周期在大洋中不超過(guò)30s，在淺海中很少超過(guò)10s。本次試驗(yàn)中采用的平均周期長(zhǎng)為10min，針對(duì)流速較大的時(shí)間段，進(jìn)行30s的再次分析從理論上講，30s的積分時(shí)間是完全可以消除這些噪聲的。

2 結(jié)果與分析

從測(cè)量的結(jié)果來(lái)看，流速呈顯著的周期性變化。測(cè)量海域?yàn)檎?guī)半日潮汐。在出現(xiàn)高潮的前后3～4h內(nèi)流速最大，一般在1.2～1.6m/s左右，而后流速迅速減小到0.2m/s左右，在低潮到來(lái)的時(shí)候，流速會(huì)有一個(gè)小幅度的上升到0.5m/s左右，在低潮過(guò)后又略下降，直到新的高潮到來(lái)。

關(guān)于流速的方向，高潮和退潮時(shí)流向一般是南向，有時(shí)略偏西，唯一的例外是在漲潮接近高潮時(shí)，流向?yàn)闁|北方向。

在試驗(yàn)中還對(duì)不同深度的流速變化進(jìn)行初步測(cè)量，結(jié)果顯示表層水流較低l～2m水深水流較表層水流大0.05m/s，2.5～4m水深水流較l～2m處的流速又大0.05m/s。不過(guò)由于本次測(cè)量采用的是多普勒點(diǎn)式流速儀進(jìn)行，所以對(duì)不同水深的流速情況只能通過(guò)上下移動(dòng)流速儀的方法進(jìn)行。由于不是對(duì)所有水層進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，所以不能得到很好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3 發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

3.1 溫度問(wèn)題

在本次調(diào)查中使用的是蓄電池與UPS結(jié)合為整個(gè)系統(tǒng)供電，但是在密封的環(huán)境中容易造成整個(gè)系統(tǒng)過(guò)熱而停止工作，所以在以后的調(diào)查中必須結(jié)合天氣與當(dāng)時(shí)的環(huán)境做好透氣和降溫的準(zhǔn)備。

另一方面海上條件惡劣，最初嘗試在記錄系統(tǒng)上覆蓋帆布，但是這種做法沒(méi)有有效地消除下雨和海浪的影響，導(dǎo)致記錄電腦出現(xiàn)故障。后期采用在記錄系統(tǒng)上覆蓋較大的物流箱，較好的解決了防水的問(wèn)題，但是這樣做的缺點(diǎn)是導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的通風(fēng)不良，UPS和記錄電腦在運(yùn)行時(shí)又會(huì)不停地散發(fā)出熱量，在日照比較強(qiáng)烈的中午由于過(guò)熱而導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)，不過(guò)由于測(cè)量時(shí)間在氣溫較為適宜的四、五月份，所以這個(gè)問(wèn)題并不十分突出。

3.2 防水問(wèn)題

在本次調(diào)查中最初采取的是在儲(chǔ)物箱上覆蓋帆布進(jìn)行防水，實(shí)踐證明效果非常差，滲入儲(chǔ)物箱的水使得電腦停機(jī)并產(chǎn)生了一定的損害，在維修后才繼續(xù)工作。后期使用兩個(gè)儲(chǔ)物箱進(jìn)行密封解決了這個(gè)問(wèn)題，但是一方面散熱的問(wèn)題還是有所影響，另一方面讀取數(shù)據(jù)與蓄電池更換時(shí)還是無(wú)法確保完全不受影響，所以應(yīng)當(dāng)使用尺寸合適的防水散熱箱。

3.3 儀器問(wèn)題

Vectrion小威龍點(diǎn)式流速儀只能測(cè)量一點(diǎn)的流速，而且沒(méi)有內(nèi)置羅經(jīng)、傾斜儀，可以考慮在以后的調(diào)查中使用功能更強(qiáng)大的流速測(cè)量?jī)x器。信號(hào)采樣方面由于本次測(cè)量采用的是多普勒點(diǎn)式流速儀進(jìn)行，所以只能對(duì)水下4m的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)。測(cè)量中需要每天乘浮筏或者小艇到測(cè)量平臺(tái)上讀取記錄數(shù)據(jù)、更換蓄電池，從安全方面考慮，只能選擇白天乘坐。另一方面浮筏或者小艇的存放碼頭只有在高潮左右時(shí)間段才能安全出行，而且大風(fēng)天氣特別是南風(fēng)天氣也不能出行，在一定程度上對(duì)測(cè)量的連續(xù)性造成了影響。

3.4 生物附著的影響

在一個(gè)月測(cè)量結(jié)束取回桿式平視傳感器時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)桿體表面已經(jīng)有一定的生物附著，如果測(cè)量時(shí)間更長(zhǎng)，傳感器表面被生物附著之后會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的影響，所以在今后的測(cè)量中必須定期取出傳感器進(jìn)行清理，以本次實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，每周清理一次較為合理。

參考文獻(xiàn)

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