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    雷達測波技術(shù)在錢塘江涌潮觀測中的應用

    2023-10-07 02:28:56胡智超葉建軍王建華潘冬子
    浙江水利科技 2023年5期
    關鍵詞:潮位錢塘江雷達

    胡智超,葉建軍,王建華,陳 剛,潘冬子

    (1.浙江省錢塘江流域中心,浙江 杭州 310016;2.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設計研究院),浙江 杭州 310017)

    0 引 言

    錢塘江涌潮是天下奇觀,其獨特的自然和人文景觀和諧結(jié)合,是浙江民眾奮發(fā)精神的象征,是文人騷客華麗篇章的源泉。涌潮是入海河流河口段的一種潮水暴漲現(xiàn)象[1]。地球上大約有450個河口受到涌潮的影響[2]。涌潮可以分為波狀涌潮和漩滾涌潮,波狀涌潮是一系列平行向前傳播的涌波構(gòu)成的波列,漩滾涌潮則是前鋒陡立向前推進的水滾[3]。由于錢塘江河口江道擺動頻繁,河岸平面邊界曲折多變,涌潮在傳播過程中形成變化多端的涌潮潮景。錢塘江涌潮的典型潮景包括一線潮、交叉潮和回頭潮等,見圖1。交叉潮主要發(fā)生在主流分汊水域,如尖山至新倉一帶;一線潮主要發(fā)生在順直河段,如八堡至鹽官一帶;回頭潮主要發(fā)生在岸線轉(zhuǎn)折之處,如老鹽倉大壩彎曲河段等。

    圖1 錢塘江涌潮典型潮景圖

    錢塘江涌潮最早的科學觀測記錄始于1888年,Moore中校率英國軍艦“漫步者(Rambler)”號考察錢塘江,系統(tǒng)觀測涌潮,并撰寫實測報告,包括水文和地形資料[4]。1906年9月,美國傳教士Edmunds博士在鹽官鎮(zhèn)海塔近距離觀察涌潮,并從專業(yè)的角度進行科學測量與記錄[5]。1920年,浚浦局[6]在鹽官附近布置6個測點,每1 min記錄1次涌潮前后潮位,系統(tǒng)研究涌潮的發(fā)展過程。1946年10月,錢塘江海塘工程局成立伊始,便組織為期1個月的沿江潮位系統(tǒng)觀測,對錢塘江涌潮和潮汐開始有較全面的了解[7]。新中國成立后,原浙江省河口海岸研究所測驗隊進行過多次涌潮觀測,浙江省錢塘江管理局于1974年開始較為系統(tǒng)的涌潮長期觀測,一直堅持至今。涌潮觀測一般在大潮汛期間進行,長期固定的觀測點位包括新倉、西龍頭、鹽官、東西塘等多個位置(見圖2),觀測內(nèi)容包括潮頭到達時間、潮頭形態(tài)、涌潮高度、潮前低水位等,同時摘錄水文和氣象資料。2010年以后采用了Mega Eyes網(wǎng)絡視頻處理技術(shù),進一步提高了觀測數(shù)據(jù)精度。浙江省錢塘江管理局于2014年開始錢塘江河口涌潮觀測站(點)工程建設,已建成2個涌潮觀測站和8個觀測點[8],為研究涌潮高度、形態(tài)、行進速度、潮位過程、壓力、流速、含沙量、河床沖淤過程等提供基礎數(shù)據(jù)。但由于技術(shù)設備條件限制、涌潮強勁觀測困難等原因,目前對涌潮觀測的系統(tǒng)性與準確性仍然不足,對錢塘江涌潮特性及其演變規(guī)律缺乏深入的研究。

    圖2 涌潮固定觀測點位圖

    調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulation Continuous Wave,F(xiàn)MCW)雷達是一種通過對連續(xù)波進行頻率調(diào)制來獲得距離與速度信息的雷達體制。本文基于調(diào)頻連續(xù)波雷達測波技術(shù),采用鋸齒波線性調(diào)頻方式,結(jié)合高精度的回波反演算法,建立潮位自動測報系統(tǒng),實現(xiàn)強潮河口涌潮長歷時的定點測量,精準地捕捉涌潮傳播過程中的水位變化,為涌潮要素的特征提取提供了一種自動化檢測手段,具有一定的推廣應用價值。

    1 觀測系統(tǒng)構(gòu)建

    1.1 基本原理

    自動觀測系統(tǒng)主要采用雷達測波技術(shù),選用的雷達水位計是26 GHz高頻雷達式水位測量儀表,具有非接觸(無磨損,干擾少)、設備?。ū阌诎惭b)、功耗低(耗電少)、波速角?。芰考校?、高信噪比(在波動的情況下能獲得更優(yōu)的性能)等特點,天線經(jīng)優(yōu)化處理,新型的快速微處理器可以進行更高速率的信號分析處理,可用于非常復雜的測量條件。雷達水位計是以時域反射原理(Time Domain Reflectometry,TDR)為基礎,利用電磁波探測目標的電子設備。雷達工作時,發(fā)射機發(fā)射出頻率在時間上按鋸齒波律變化的高頻信號,電磁脈沖以光速傳播,當遇到被測介質(zhì)表面時,雷達水位計的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置,回波信號和發(fā)射信號進行耦合,進入混頻器。由于信號是線性變化,在信號從天線到液面再返回天線后,發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比,回波信號攜帶了液面的距離信息,混頻器的輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓,再對差頻信號進行處理計算得出水面高度。

    1.2 數(shù)據(jù)的收集、傳輸和接收

    本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和接收應用的是GPRS(General Packet Radio Service)模塊點對點數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),見圖3。該系統(tǒng)由監(jiān)測裝置、主站服務器、GPRS通訊模塊和數(shù)據(jù)服務中心組成。監(jiān)測裝置主要是利用風電、蓄電池供電,對現(xiàn)場潮位數(shù)據(jù)進行監(jiān)測并通過GPRS通信模塊發(fā)送到主站服務器。主站服務器運行數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)庫軟件等,接收并處理監(jiān)測裝置發(fā)送的數(shù)據(jù),能夠?qū)崟r了解監(jiān)測裝置所在現(xiàn)場設備狀態(tài)及潮位數(shù)據(jù),對現(xiàn)場設備進行遠程操作。GPRS通信模塊是本系統(tǒng)的重要硬件組成部分,用來實現(xiàn)監(jiān)測裝置與數(shù)據(jù)服務中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)服務中心使用網(wǎng)絡云平臺服務器,運行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)管理系統(tǒng),進行GPRS通信模塊的管理,實時了解GPRS通信模塊在線狀態(tài),對監(jiān)測裝置及主站服務器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)監(jiān)測裝置及主站服務器之間透明數(shù)據(jù)傳輸。

    圖3 涌潮測量系圖

    1.3 信號采集

    此觀測系統(tǒng)常規(guī)觀測信號采集頻次為每5 min 1次;在大潮汛期間,涌潮前后1 h內(nèi)觀測數(shù)據(jù)頻次為每1 s1次。根據(jù)雷達水位計測量數(shù)據(jù)的原理,結(jié)合日常人工觀測情況和習慣,此觀測系統(tǒng)相關信號采集規(guī)則如下:日潮6:00(含)—18:00(不含),夜潮18:00(含)—6:00(不含);大潮汛期:每月農(nóng)歷初一至初五、農(nóng)歷十六至二十;小潮汛期:每月除大潮汛期之外的日期。涌潮的判定:系統(tǒng)只反映涌潮潮頭第1秒漲潮高度大于10 cm的數(shù)據(jù),10 cm以內(nèi)則認為本次無涌潮,不顯示。

    2 觀測結(jié)果分析

    潮形指涌潮的潮頭線在江面上呈現(xiàn)的平面形態(tài)。澉浦至鹽官涌潮傳播過程見圖4,來自東海的天文潮逼近嘉紹大橋時,潮頭沿分汊主流呈現(xiàn)不同方向的2股,1股由東向西,1股由南向北,進而在舊倉至新倉一帶兩潮相碰形成交叉潮;待到南潮撞上北堤,兩潮合二為一,向上游鹽官演進。目前在錢塘江海寧段涌潮的潮形豐富,主要包括交叉潮、一線潮和回頭潮等。

    圖4 澉浦至鹽官涌潮傳播示意圖

    2.1 新倉典型潮形的觀測

    對新倉點典型交叉潮潮形的觀測,選取了2019年7月18日至21日(農(nóng)歷六月十六至十九)日潮的漲潮過程,見圖5。自動觀測下的潮形均有二次抬升的過程,且2次開始抬升相隔時間為1~4 min。造成二次抬升的原因是在新倉點南潮和東潮的先后到達,有時間差,本項目實施的自動化監(jiān)測均測到了南潮和東潮的到達時間和二次抬升過程,與現(xiàn)場實際情況一致。

    圖5 新倉典型的涌潮水位過程圖

    新倉點南潮在迎面碰撞海塘折返后再次到達觀測點,潮流流向轉(zhuǎn)換造成潮位上漲過程中有一轉(zhuǎn)折點,見圖5 a),折返潮的情況在潮位過程線也能比較清楚的反映。受南潮和東潮2股潮交叉位置、涌潮強弱等影響,南潮形成的折返潮情況不盡相同。見圖5 d),2次潮位激增間隔時間超過3 min,之間潮位出現(xiàn)明顯波動,不符合折返潮情況;該現(xiàn)象可能產(chǎn)生原因解釋如下:南潮是迎面撲向海塘,東潮也幾乎是同時達到,在到達新倉站點后引起潮位的激增。從自動觀測數(shù)據(jù)表明:涌潮局部水動力過程受岸線和江道地形控制;潮位激增的時間均比較短暫,一般不超過8 s;有南潮時,潮位存在一定的滯漲時間,持續(xù)時間十幾秒;南潮潮頭過后,后續(xù)增水能量不強,潮位均呈現(xiàn)震蕩逐步下降的過程;有南潮時,潮流在潮頭過后大約10 min后受東潮控制,漲潮過程呈正常走勢,逐步遞增至高潮位。

    2.2 西龍頭典型潮形的觀測

    對典型一線潮潮形的監(jiān)測,截取了西龍頭點2019年7月18日至21日(農(nóng)歷六月十六至十九)日潮的漲潮過程,見圖6;自動觀測下的潮形突變后均有穩(wěn)步抬升的過程。涌潮是一種多尺度、強間斷、色散性和耗散性并存的復雜流動,但涌潮前后的水流特性滿足質(zhì)量守恒和動量定理[9],根據(jù)質(zhì)量和動量守恒方程可以得到Belanger水躍方程[10]:

    圖6 西龍頭典型的涌潮水位過程圖

    式(1)中:d為水深,m;V為流速,m/s;下標1和2分別表示涌潮鋒面的上游側(cè)和下游側(cè)。

    式(2)中:Fr為Froude數(shù);C為涌潮傳播速度,m/s,以落潮流速度方向為正。

    定義單位時間內(nèi)潮位的變化量為漲率,對于破碎涌潮[圖6 a)~6 c)],涌潮鋒面最大漲率均大于0.1 m/s;對于波狀涌潮,見圖6 d),沒有明顯的漲率突然增大的過程。根據(jù)現(xiàn)場觀測資料,得到破碎涌潮前后共軛水深比d2/d1與Froude數(shù)的關系見圖7;結(jié)果表明觀測值與理論值吻合較好,雷達測波技術(shù)在涌潮觀測中具有可靠的精度。

    圖7 破碎涌潮前后共軛水深比d2 /d1與Fr數(shù)的關系圖

    2.3 典型站點潮位過程線比較

    大缺口位置(見圖4)涌潮觀測點采用壓力式水位計進行觀測,讀數(shù)為2 s一次,2016年已經(jīng)通過驗證并投入使用。本節(jié)將新倉和西龍頭兩處測量數(shù)據(jù)與同一潮下大缺口測量數(shù)據(jù)進行了比對分析。3個測站點位置間隔:新倉至大缺口4.5 km,大缺口至西龍頭4.4 km,全程共計8.9 km。2019年5月5日(農(nóng)歷四月初一)3個測站點涌潮前后1 h潮位過程線對比見圖8。觀測結(jié)果表明:3個測站的潮到時間分別為新倉11:53:34、大缺口12:03:44、西龍頭12:13:35,涌潮行進新倉至大缺口時間間隔為10 min 10 s,平均行進速度為7.38 m/s;大缺口至西龍頭時間間隔為9 min 51 s,平均行進速度為7.43 m/s,兩者基本相當。從圖8可以看出,潮位變化過程與實際情況基本一致,潮前低水位從新倉至西龍頭逐步抬高;受南潮和東潮影響依次出現(xiàn)了2次快速增水,2次抬升的時間間隔6~10 min;西龍頭二次增水時間間隔為6 min 18 s,與該位置岸線縮窄有關。新倉、大缺口和西龍頭處涌潮鋒面的最大漲率分別為0.24 m/s、0.42 m/s和0.39 m/s。測試的數(shù)據(jù)表明,3個站點數(shù)據(jù)反映的規(guī)律相關性基本一致,符合現(xiàn)場實際情況。

    圖8 同一潮下沿線測站潮位過程線對比圖(2019年5月5日)

    3 結(jié) 論

    本文結(jié)合錢塘江典型河段觀測的結(jié)果,對雷達測波技術(shù)在涌潮觀測中的應用進行闡述,并分析了具體潮形的測試結(jié)果,主要結(jié)論如下:

    1)錢塘江涌潮的潮形多變;在海寧段代表性的潮形主要是交叉潮、一線潮和回頭潮;涌潮局部水動力過程受岸線和江道地形控制。

    2)主流分汊是交叉潮形成的基本條件,交叉潮具有復雜的水位響應特征,呈現(xiàn)典型的二次抬升過程,水位的變化與兩股涌潮的強度、傳播方向和間隔時間相關。

    3)雷達測波技術(shù)實現(xiàn)涌潮過程捕捉的自動化,有利于涌潮要素的準確提取,顯著地提高觀測精度,具有一定的推廣應用價值。

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