曹清明

（安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011）

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

1 壓力式驗潮儀的測量原理

1.1 測量原理

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

圖1 壓力驗潮儀工作原理

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，得出壓力式驗潮儀水深值，其計算如公式（1）所示。

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

式中：?為壓力式驗潮儀在應(yīng)用時所處位置的地理緯度。

TGR-2050 型壓力式驗潮儀設(shè)備可以用來觀測與記錄潮水變化，掌握海水溫度變化，海面波浪不會給設(shè)備帶來過于強烈的干擾影響，所以驗潮儀具有較高的測量精度。2050 驗潮儀根據(jù)壓力傳感器的測量方法，在測量某一時段平均壓力后，計算設(shè)備零點處的水深，如公式（3）所示。

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

壓力P計算海面與驗潮儀零點之間的深度，按照測區(qū)海水密度計算[2]，如公式（4）所示。

式中：D為測量的深度，m；P為計算得到的壓力，N；ρ為海水密度。

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

1.2 測量過程

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

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

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

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

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

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

2 壓力式驗潮儀在航道水深測量中的誤差問題

2.1 氣壓變化引發(fā)測量誤差

以實際情況為例，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)行計算，得知大氣壓變化對壓力式驗潮儀的觀測產(chǎn)生的影響。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，隨著大氣壓升高，水深值將會變小；大氣壓下降，水深值會增加，可見大氣壓的變化對水深的影響呈現(xiàn)線性變化的趨勢。

2.2 海水密度變化引發(fā)測量誤差

經(jīng)過研究得知，當(dāng)水位觀測誤差處于±2cm 時，驗潮儀在海面下的投放深度越淺，海水密度的變化對觀測潮位的影響也就越小。使用底層海水密度計來計算潮位可有效降低海水密度帶來的影響。

2.3 潮流對潮汐測量造成誤差

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，潮流方向通常是從下游到上游，退潮時潮流方向是從上游到下游，因此潮流的存在要求驗潮儀必須有不同的安裝方式，所造成的測量誤差一般會有以下2 種情況：1）驗潮儀安裝在錨鏈中，導(dǎo)致零點漂移誤差出現(xiàn)。零點漂移具體指放大電路在沒有輸入信號時，用靈敏的直流表測量輸出端，也會產(chǎn)生變化緩慢的輸出電壓。2）驗潮儀垂直安裝于固定樁柱中。使用3 臺壓力式驗潮儀進(jìn)行試驗，先將2 臺設(shè)備固定于水尺底部，再將1 臺壓力感應(yīng)孔區(qū)同樣固定于水尺底部，要求采用水平固定的方式。第三臺驗潮儀須放置在空氣內(nèi)，用來測量大氣壓擾動情況，3 臺設(shè)備的設(shè)計參數(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，測定潮位時，將密度設(shè)置為1.011g/mm3，大潮時需要連續(xù)4 天測定數(shù)據(jù)，同時安排工作人員從每天上午08：00—18：00，每隔30min 觀測一次數(shù)據(jù)。

2.4 驗潮儀壓力感應(yīng)零點漂移引發(fā)測量誤差

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

3 解決壓力式驗潮儀在航道水深測量中誤差問題

3.1 解決氣壓變化測量誤差問題

因為壓力式驗潮儀無法確定水深是否與大氣壓變化或潮汐變化有關(guān)，為測量得到水深值，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驗潮儀的影響。該項目中分別在驗潮點周圍200m 的海面上安裝驗潮儀，觀測該處大氣壓的變化情況，減少大氣壓變化給驗潮儀工作帶來的不良影響，其中的一部分驗潮數(shù)據(jù)見表1。

表1 項目中部分驗潮數(shù)據(jù)

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

整個裝置長度檢定與壓力檢定2 個部分，在0～8m 在水塔內(nèi)完成長度檢定，超過8m 后，裝置會以數(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，防止壓力變化測量出現(xiàn)誤差問題，保證驗潮數(shù)據(jù)完整。

3.2 解決海水密度變化測量誤差問題

為修正誤差創(chuàng)造有利條件。在該項目中，不同的驗潮儀拋投深度會使用不一樣的密度計，所計算的水位數(shù)據(jù)如下：當(dāng)拋投深度為4.3m 時，海水密度為1.030t·m-3；當(dāng)拋投深度為4.0m 時，海水密度為1.030t·m-3；當(dāng)拋投深度為23.5m 時，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)。整個項目航道設(shè)計總長度38km，底高程-22.8m，包括3 個部分，外航道長度26.2km，寬度320m，方位角為104°～284°。項目內(nèi)一共建立3 個驗潮站，以便對潮位進(jìn)行分段研究。壓力式驗潮儀能夠以高分辨率觀測水下壓力值變化情況，但是設(shè)置的采樣參數(shù)固定，不會因為外界的環(huán)境改變而產(chǎn)生變化。因此，壓力式驗潮儀無法確定壓力值變化帶來的影響，須進(jìn)一步分析誤差值的來源。

3.3 解決潮流對潮汐測量誤差問題

將驗潮儀固定在錨鏈上，同時與水底的距離為3m，無論是漲潮還是落潮，驗潮儀的零點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，零點變化是1cm；當(dāng)偏移角為15°時，零點變化是10.2cm，所以壓力式驗潮儀是無法固定在特殊狀態(tài)下的錨鏈上的，例如受到潮流嚴(yán)重影響的錨鏈。

大氣擾動改正后，提取人工觀測數(shù)據(jù)，將驗潮儀和人工觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，水平安裝的設(shè)備觀測數(shù)據(jù)比垂直安裝的數(shù)據(jù)更接近于人工觀測結(jié)果，差值可以保持在0～2cm。采用壓力式驗潮儀可減少動壓強與渦流對潮位測量的影響，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 解決驗潮儀壓力感應(yīng)零點漂移問題

3.4.1 數(shù)據(jù)記錄

在航道水深測量過程中，零點漂移屬于一種不可控影響因素，一般會根據(jù)驗潮儀移動、沉降以及飄動等一系列變化來記錄零點的大致突變情況。在整個校核過程中，需要提前對潮位資料進(jìn)行整理。首先，需要提前換算潮位基準(zhǔn)面。在水深測量過程中的觀測潮位根據(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程線圖，修正因風(fēng)浪導(dǎo)致的跳點，最大程度地保證觀測點的潮位計算正確。其次，科學(xué)編制潮位觀測表，獲取深度探測中的潮位情況，再將國家規(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，驗潮儀在工作期間難免會遇到零點漂移的情況，投放驗潮儀之前需要將幾個驗潮儀放在室內(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，觀測時間應(yīng)超過24h，采集數(shù)據(jù)之后再導(dǎo)出每個驗潮儀記錄的數(shù)據(jù)，提出測量之前和之后半小時的數(shù)據(jù)，計算在統(tǒng)一時間段中各個設(shè)備的大氣壓均值。

3.4.2 同步驗潮法

采用同步驗潮法高程傳遞需要滿足一定的前提，即假定同一時間段內(nèi)的相應(yīng)范圍內(nèi)的海域海水面相同。項目所處的海域為半日潮，根據(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潮時間達(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。為確定驗潮站的實際潮位，對2 個不同的驗潮站進(jìn)行3 天的同步驗潮分析，按照上述公式計算驗潮儀的水深值，再將得到的結(jié)果與人工水尺讀數(shù)相比，為保證設(shè)備驗證的數(shù)據(jù)可靠，人工水尺讀數(shù)和驗潮儀數(shù)據(jù)的校驗時間不能小于2h，同時采樣間隔時間應(yīng)保持約10min?；谄骄Ｋ嫦嗤脑瓌t，計算2 個驗潮站的水深值、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)過研究可知，使用壓力式驗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)的驗潮數(shù)據(jù)，就需要提高對環(huán)境變化的關(guān)注度，特別是大氣壓與海水密度對驗潮數(shù)據(jù)的影響，與此同時，應(yīng)重視驗潮儀的零點漂移問題。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大氣壓變化對驗潮數(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，驗潮數(shù)據(jù)就會變化約1cm，此時應(yīng)采用同步觀測大氣壓的方式，減少影響。隨著驗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潮儀拋設(shè)深度，驗潮前在空氣內(nèi)對同一個地點的多個設(shè)備進(jìn)行同步觀測，以大氣壓均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，科學(xué)計算其他壓力式驗潮儀的實際零點漂移校正值。對沿岸水位站不能控制水位的測量情況，在同一時間段的相應(yīng)范圍海域內(nèi)，使用壓力式驗潮儀可以根據(jù)相同的原理有效傳遞高程信息[8]。

4 結(jié)語

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