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user: 3. 水文监测技术应用 长江口深水航道治理工程位于长江口潮流界内，受潮汐、径流、风浪等多因素影响，水流流态、水流结构 时空分布复杂，整个工程作业面大，远离陆地的工区占2/3，给水文监测测船导航、定位、ADCP测流及流速流向测验提出了新的要求。 3.1. 测船的导航定位 由于工程建设区域由近岸向长江口入海口距离不断增大，因此水文测船导航定位的技术也是很重要的一个因素，为了保证水文测船能精确到达计划位置，定位技术先后采用了MOTOLA GPS定位技术，2000年沿海及长江口区域建设了GPS差分基站，此后采用了GPS信标定位技术，使得测船定位精度有了较大提高 [ 2 ] 。定位仪的型号及技术指标见表3。 由于GPS信标导航定位技术的应用，实现了整个监测区域的每条测船都能有一台GPS信标机用于测船导航 Table 1 Coordinate of ADCP gauging section (central meridian: 123˚ 序号 断面名称 断面编号及位置 点号 X坐标 Y坐标 北纬(度–分) 东经(度–分) 1 北港上 B-1# (北) 起 3485629.4 381114.5 31˚29.18' 121˚44.93' 终 3482217.5 379026.7 31˚27.32' 121˚43.64' B-2# (南) 起 3482217.5 379026.7 31˚27.32' 121˚43.64' 终 3479487.0 377355.8 31˚25.83' 121˚42.60' 2 南港 N-1# (北) 起 3475507.0 372586.0 31˚23.65' 121˚39.63' 终 3473116.2 371128.5 31˚22.34' 121˚38.72' N-2# (南) 起 3473116.2 371128.5 31˚22.34' 121˚38.72' 终 3470271.0 369394.0 31˚20.79' 121˚37.65' 3 北港下 BX-1# (北) 起 3477567.2 397500.8 31˚24.91' 121˚55.33' 终 3473797.8 396162.4 31˚22.86' 121˚54.51' BX-2# (南) 起 3473797.8 396162.4 31˚22.86' 121˚54.51' 终 3470683.1 395056.4 31˚21.17' 121˚53.83' 4 北港北汊 BGC#-1 (北) 起 3481854.4 397380.8 31˚27.23' 121˚55.22' 终 3479794.0 397786.7 31˚26.12' 121˚55.49' BGC#-2 (南) 起 3479794.0 397786.7 31˚26.12' 121˚55.49' 终 3477483.5 398241.8 31˚24.87' 121˚55.79' 5 横沙通道 2# 起 3467406.0 386887.0 31˚19.35' 121˚48.70' 终 3467370.0 384278.0 31˚19.32' 121˚47.06' 6 北槽下 3# 起 3463948.0 396112.0 31˚17.53' 121˚54.54' 终 3458834.0 395455.0 31˚14.76' 121˚54.15' 7 南槽副槽 S2-1# 起 3455821.0 395077.0 31˚13.13' 121˚53.93' 终 3452843.7 390936.2 31˚11.50' 121˚51.35' 南槽主槽 S2-2# (测流) 起 3452843.7 390936.2 31˚11.50' 121˚51.35' 终 3450084.0 387098.0 31˚09.98' 121˚48.95' S2-3# (取沙) 起 3452143.2 389961.9 31˚11.11' 121˚50.74' 终 3451442.7 388987.6 31˚10.73' 121˚50.13' 表1. ADCP测验断面位置坐标(中央子午线123度) Table 2 Coordinate of fixed vertical lines (central meridian: 123˚ 序号 点名 X坐标 Y坐标 北纬(度–分) 东经(度–分) 位置 1 HS0 3468671.0 385461.0 31˚20.03' 121˚47.79' 横沙通道 2 CS0S 3462448.4 387966.5 31˚16.68' 121˚49.41' 横沙岛南侧 3 CS9S 3459549.0 398287.0 31˚15.16' 121˚55.93' 北槽上段 4 CS6S 3457767.0 407090.0 31˚14.24' 122˚1.49' 北槽中段航槽南 5 CS6N 3458698.2 407278.7 31˚14.75' 122˚1.60' 北槽中段航槽北 6 CS6Z 3458232.6 407184.2 31˚14.50' 122˚1.54' 北槽中段航槽中 7 CSWS 3456612.6 412444.5 31˚13.64' 122˚4.86' 北槽W3转弯段航槽南 8 CSWN 3457611.8 412646.7 31˚14.19' 122˚4.99' 北槽W3转弯段航槽北 9 CSWZ 3457146.2 412552.4 31˚13.93' 122˚4.93' 北槽W3转弯段航槽中 10 CS3S 3452977.0 418233.0 31˚11.70' 122˚8.53' 北槽中下段航槽南 11 CS3N 3453744.1 418793.5 31˚12.12' 122˚8.88' 北槽中下段航槽北 12 CS3Z 3453348.8 418529.4 31˚11.90' 122˚8.71' 北槽中下段航槽中 13 CS7S 3449099.1 423533.1 31˚9.63' 122˚11.88' 北槽中下段 14 CS4S 3445388.9 428823.0 31˚7.64' 122˚15.23' 北槽下段 15 CS10S 3441343.8 435145.8 31˚5.47' 122˚19.22' 北槽口外 16 NGN4S 3469339.0 373526.0 31˚20.32' 121˚40.26' 南港河段航道南侧 17 NG3′ 3466939.2 380366.9 31˚19.06' 121˚44.59' 瑞丰沙尾 18 BG0′ 3479677.8 382740.6 31˚25.97' 121˚46.00' 北港 19 BG1′ 3471863.0 395741.0 31˚21.81' 121˚54.25' 北港下 20 NG0 3472177.0 370555.9 31˚21.83' 121˚38.37' 南港 21 CB2 3459525.5 395727.8 31˚15.14' 121˚54.32' 北槽下 22 NC2 3452597.0 390562.0 31˚11.36' 121˚51.11' 南槽下 表2. 固定垂线位置坐标(中央子午线123度) Table 3 Successively used locators and corresponding main technical specification 序号 GOPS型号 技术指标 使用时段 1 MOTOLA GPS 米级 1998~1999 2 Astech BR2G信标GPS接收机 亚米级 2000~2010 3 Trimbls 信标GPS接收机 亚米级 2007~2010 表3. 先后使用的定位仪及主要技术指标 和定位，每次测验测区都能有两台备用GPS信标机，从而满足了整个测验对定位仪器的需求。每年对每台DGPS信标机送到省级测绘质检部门进行检查和率定；新购买的GPS信标机使用前均通过连续采集10 min平面位置坐标与已知坐标点(一般使用国家三等平面控制点)进行比较，当两者误差在亚米级时就可以投入使用，从而保证了定位精度。 3.2. 固定垂线的水流、泥沙测验 在深水航道治理工程中，采用固定垂线方法施测典型位置大潮、中潮、小潮三个代表潮的全潮的流速、流 图3. 长江口水文监测布置图 向、含沙量、悬移质和底质颗分资料，为数模和物模提供率定及验证资料。 3.2.1. 流速、流向测验 由于工程区域风浪大，过往大型船舶航行形成的波浪大，流速流向测验使用的仪器先后采用了LS25型流速仪和ZSX-3型流向仪；在工程实施过程中为了验证水工构筑物的实施对水流流速和流向调整效果，需要精确测定流速、流向，水文监测部门与国内仪器研制生产单位联合开发应用了ZSX-4型数字式流速流向仪。ZSX-4型流速、流向仪，流向精度达到0.5˚，同时该仪器实现了对采集数据的自记，从而大大减轻了劳动强度，提高了工作效率。 为了满足研究单位对水温沿水深的分布资料的需求，水文监测部门2009年8月起，通过与仪器研制单位共同制定流速、流向和水温的技术指标和采集数据的自记数据格式，并组织仪器的研制，实现了流速、流向、水温同步施测和自记，取得了测验期间完整的水温沿水深分布的资料，为研究泥沙絮凝、沉降和运动提供了基础资料。 使用的各型号的测流仪器均按照《河流流量测验规范》的要求与标准仪器进行比测或送水文仪器监测单位进行率定，具体的率定和比测频次可根据流速仪的性能、使用历时的长短及使用期间流速和含沙量的大小等情况而定。比测在水流平稳的时期和流速脉动较小、流向一致的地点进行；每次比测包括大、中、小流速且分布均匀的30个以上的测点，当比测结果偏差不超过3%，比测条件差的不超过5%，且系统误差能控制在±1%范围内时，流速仪可以继续使用，超过上述偏差就停止使用，并查明原因，分析其对已测资料的影响，随后送水文仪器检验单位进行维修和率定 [ 3 ] 。 3.2.2. 悬沙取样 悬沙采样采用横式采样器，采样容积和装样容积均为1000 ml，悬沙采样每个小时采样一次，每次按六点法取样，1998年~2002年在悬沙取样期间，因测验水域含盐度高造成铁质采样器锈蚀现象，每个全潮测验完毕，采样器的主体结构锈蚀严重，为了解决这个问题监测单位与采样器生产厂家共同对横式采样器的材料进行了分析研究，2003年采用不锈钢材质的采样器，从而提高了采样器的使用时间和采样效率 [ 4 ] 。 为了降低潮汐河段因水流涨落变化对含沙量分层取样的影响，在悬沙六点法取样时，为缩短采样时间，监测单位将取样绞车从手摇方式改为电动方式，大大缩短了取样历时，提高了泥沙的采样效率和资料的利用效果。 3.2.3. 悬沙称重实现自动化 含沙量分析采用焙干法，限于当时的技术条件，沙样称重都采用1/10，000机械天平人工称重，由于长江口航道建设工程泥沙监测周期长、监测范围大，通常多船组全潮测验每次采集的水样近10，000余点，常规称重方法难以满足设计、施工、科研对泥沙资料时间进度的要求，同时人工称重计算极易引起计算差错，需要进行一称双校的工序，手工称重流程大大影响提供含沙量资料的进度，为了缩短含沙量分析时间，水文监测单位将机械天平称重更新为电子天平称重，同时采用数据库技术开发了电子天平与计算机连接的自动称重分析系统，实现了从称重到含沙量数据合理性检查分析、数据入库全过程自动化，人工只需将烘好的烧杯放入电子天平中即可，大大缩短了分析时间，提高了资料的精度，减轻了劳动强度。 3.2.4. 底质取样 底质采样器先后使用过拖斗式底质采样器、抓斗式采样器。拖斗式采样器制作简单易操作，但在使用过程中易发生水流梳洗，仅在1998年~2000年期间使用，后改为抓斗式采样器进行底质取样。 3.2.5. 颗分粒径分析 悬沙和底质颗粒级配分析采用移液管与消光仪结合法，这两种方法分析时间长，2001年开始使用马尔文激光粒度分析仪。该仪器的特点是分析范围大，对工程区域的细颗粒泥沙具有很好的适应性 [ 5 ] 。 3.3. ADCP的应用 常规的固定垂线虽然能收集到典型位置、代表潮的水流、泥沙资料，但与设计、施工、科研等对水文资料的大范围全过程需求相比仍难以满足要求；水文监测部门将ADCP开发性的应用于工程区域内主要汊道的分流分沙比和流场监测 [ 6 ] 。 3.3.1. ADCP在分流比分沙比监测应用 长江口三级分汊四口入海，各汊道的分流分沙比的大小及变化是评价汊道发育程度和发展的一个重要指标。应充分掌握河口自然演变及河口涉水工程实施对各汊道分流分沙的影响。在ADCP未引进之前分流沙比的测验采用一船多线法、多船多线法，用流速流向仪施测固定垂线全潮逐时流速流向过程，根据潮位和大断面资料推求逐时断面流量和输沙率，进而计算一个潮周期的潮量和沙量。对于长江口南北港、南北槽这样大型船通航密度大、风浪大、江面宽的断面，采用多船多线法，从安全、技术、经济等方面均难以满足要求，而ADCP动船流量测验则能较好地克服这些缺点，因此在长江口深水航道治理工程中，从1998年施工开始每年洪、枯季均利用ADCP动船测流和垂线取沙相结合的方法施测分流分沙比，南北港和南北槽分流分沙比逐年变化过程见图4和图5。 在ADCP动船测验中，利用ADCP和GPS联合应用技术，安排专业测船和专职驾驶人员，确保ADCP能沿断面线±1m的偏航距航行。根据断面通航环境及测区的风浪大小选择合理代表潮测验时机，取得了较好的水流、泥沙资料。 为了克服ADCP在高含沙量和河床易冲刷(动底)等水文环境对流速、流量测验精度的影响，监测部门先后采用高精度的GPS施测船速，提高测验精度；2010年起用GPS罗经测量测船航行方向，消除铁船体磁场对ADCP内罗经的影响，从而消除其影响，提高了潮流量测验精度。 每次测验前对断面几何形状、水流沿断面特性进行分析研究，为合理配置和优化测验参数提供依据，校对ADCP和GPS的时间，保证时间的一致性，提高流速、流量的测验精度。 图4. 南北港分流分沙比变化过程图 图5. 南北槽分流分沙比变化过程图 3.3.2. ADCP在流场测验中的应用 在工程护底排铺设前，为了了解拟铺排位置流速流向及流场分布，为安全施工提供基础资料，采用ADCP沿断面中轴线及护底排边缘线进行流场监测，测验过程中根据设计单位提供位置坐标布置测验航行线，根据水深和底质组成合理设置和优化测验参数。 在北槽导提建设的不同施工阶段，为验证工程实施后对工程影响段的流速、流向产生调整效果，在北槽的上、中、下段布设ADCP监测断面进行全潮断面流场监测验证工程措施的对水流流态的调整，为合理安排工程进度和强度提供流场资料。 3.3.3. ADCP数据处理软件的开发和应用 由于每次进行水文测验的规模大，涉及到ADCP测验断面十三个断面和22条垂线，每个全潮要施测30个测次(历时30个小时)，为了整理ADCP水文测验收集到的大量资料，水文监测部门开发了ADCP数据处理软件，实现了ADCP监测数据自动采集及数据处理分析的自动化，提高了资料处理效率，缩短了资料处理的时间，增加了资料的时效性。