雷達測波技術(shù)在錢塘江涌潮觀測中的應用

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。