论文专区▏强潮河口水下地形测量潮位控制研究

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一、引言

水下地形测量按照是否设置潮位站分为有验潮和无验潮两种方式，无验潮采用RTK-GPS模式直接实现厘米级的高程定位精度，对GPS数据传输的稳定性要求很高。钱塘江河口部分开阔水域处于ZJCORS信号不稳定区域，因此只能采用有验潮模式实现水下地形测量。

潮位控制是有验潮模式水下地形测量的关键部分，直接影响水下地形测量的高程精度。强潮河口具有潮差大、潮流急、地形复杂和局地潮汐变化大等特点，对潮位控制设计与实施造成较大困难。钱塘江河口属于典型的强潮河口，在径流与潮流共同作用下导致河床冲淤剧烈、主槽摆动频繁，其水下地形测量精度受环境影响较大。

目前，针对强潮河口水下地形测量潮位控制的相关研究比较少，本文通过对强潮河口现有水下地形数据和潮汐特征进行分析的基础上，提出了该区域潮位控制的潮位站布设方案与作业时间要求。通过合理布设潮位站、选择合适作业时间，经过潮位改正的水下地形能够满足所需精度要求。

二、钱塘江河口地理水文特性

⒈ 地理情况

根据各段水动力条件和河床演变特性的差异，将钱塘江河口分为3段：富春江电站至闻家堰为近口段，长75km，以径流作用为主，河床基本稳定；闻家堰至澉浦为河口段，长122km，受径流与潮流共同作用，河床冲淤剧烈；澉浦以下至外海滨段（习惯称杭州湾），长85km，以潮流作用为主，河床相对稳定^[1-3]。

钱塘江河口总体上分为南、北两条深槽。北岸乍浦深潭的涨潮流向上游分为4支：一支贴北岸上溯，即北岸深槽；一支涨潮流从白塔山山体两侧穿过，称之为“白塔山冲刷槽”；另有一支涨潮流连接乍浦深潭和秦山深潭，称为“乍浦－秦山潮汐通道”，最南侧的一支与王盘山深槽贴庵东边滩上溯的涨潮槽合流，形成南支主槽^[4,7]。

钱塘江河口是一个典型的喇叭状河口湾，口内有纵向隆起的庞大沙坎，导致潮能聚集，潮波急剧变形，产生破坏力极大的涌潮^[4]；江宽水浅，潮大流急，涌潮汹涌；含沙量高，泥沙易冲易积，河床冲淤剧烈，主槽摆动频繁，是世界上最复杂的河口之一。

⒉ 潮汐性质

根据潮汐涨落的周期和潮差的情况，可以把潮汐大体分为如下的4种类型^[5]：半日潮、不正规半日潮、全日潮、不正规全日潮。常用全日分潮振幅（H_K1+H_O1)与主要半日分潮振幅（H_M2）比值R_H作为分类依据，当0＜R_H≤0.5时为半日潮，当0.5＜R_H≤2.0时为不规则半日潮。为确定钱塘江河口的潮汐性质，选择上海石化、王盘山、乍浦、澉浦、嘉绍大桥、上虞盖北等6站潮位站进行调和常数计算。各站潮汐性质比值(H_K1+H_O1)/H_M2在0.15～0.29之间，远小于0.50，因此各站的潮汐性质均属正规半日潮^[5]。

钱塘江河口水深较小，潮波进入钱塘江河口后高频率的浅水分潮振幅增大，一般把浅水分潮振幅大到一定程度后的潮汐称为 “浅海半日潮”，其判别标准^[5]有2个:一是主要浅水分潮M₄与主要半日分潮M₂的振幅之比H_M4/H_M2值大于0.04；二是浅水分潮M₄、M_S4和M₆的振幅之和(H_M4+H_MS4+H_M6)大于20cm。由表1可见， H_M4/H_M2均大于0.04，介于0.05～0.20之间； H_M4+H_MS4+H_M6均大于20cm，浅海分潮的作用明显较大，因此，钱塘江河口属于浅海半日潮。浅海分潮从湾口向上游增大过程，充分反映了地形对于潮汐的显著影响与作用。

表1 钱塘江河口区域南北两岸高、

低及潮差变化表          单位：m

湾中 部位	岸 别	站名	平均 高潮位	平均 低潮位	平均潮差
湾口	北 岸	芦潮港	3.73	0.46	3.19
南 岸	镇  海	2.95	1.18	1.77
湾中	北 岸	海黄山 正北对岸	4.00	0.04	3.96
南 岸	海黄山	3.29	0.76	2.53
湾顶	北 岸	澉  浦	4.90	-0.72	5.62
南 岸	陶家路	4.76	-0.76	5.52

⒊ 潮位特征分布

钱塘江河口在纵向存在南、北两岸平均高潮位由湾口向湾顶沿程增高的特征，见表1，北岸由湾口3.73m至湾顶增高至4.90m，南岸由湾口2.95m至湾顶增高至4.76m；南北两岸平均低由湾口向湾顶沿程降低，北岸自湾口0.46m至湾顶降低至-0.72m，南岸自湾口1.18m至湾顶增高至-0.76m；南北两岸潮差均向湾顶增大，北岸由湾口3.19m至湾顶增大到5.62m，南岸由湾口1.77m至湾顶增大到5.52m^[4]。

杭州湾潮位除纵向有显著变化外，其横向也有明显差异。一般北岸高潮位比南岸高，低潮位比南岸低，潮差比南岸大。这种差异程度向内逐步减少，至湾顶基本上无差异。

图1 一日同步潮位过程曲线

⒋ 潮位涨落速特点

钱塘江河口各潮位站均有“涨急落缓”的特点，即落潮非常缓慢，而涨潮则非常迅猛，落潮历时远远长于涨潮历时，2015年11月14日4站潮位站同步潮位变化曲线见图1。在下游的澉浦潮位站，涨潮初期显得比较“温和”，而越往上游依次经过上虞盖北、嘉绍大桥南、三鑫码头，则变化越来越迅猛快捷，水位瞬间抬升，如三鑫码头11:50水位为-1.45m，11:55水位为1.57m，12:10水位达到2.0m，在20min内水位抬升了3.45m，之后潮位仍保持快速而稳步抬升，至14:25到达高潮位5.66m。

三、潮位控制方案设计与应用

《海道测量规范》规定，水下地形测量潮位站布设的密度能控制全测区的潮汐变化，相邻潮位站之间的距离满足最大潮高差不大于1m，最大潮时差不大于2h，潮汐性质基本相同。对于潮时差和潮高差变化较大的海区，除布设长期站或短期站外，也可在湾顶、河口外、水道口和无潮点处增设临时水位站，水位站布置的控制范围能涵盖整个测区范围^[6]。

⒈ 潮位站设计

钱塘江河口布设潮位站，既要考虑规范对潮位站密度、距离、潮高差、潮时差以及潮汐性质的要求，又需要充分考虑该区域特殊的地形条件以及潮位特征和潮位分布特征进行合理布设潮位站，尤其在平面分布上要考虑此区域潮差大、潮差变化大以及地域分布规律等。

根据钱塘江河口区域纵向和横向潮汐变化、潮高差由湾口至湾顶逐步变密等特点，在湾顶部位潮位站布设需加密；且考虑北岸与南岸高潮位、低潮位、潮差不等现象，在南、北岸均匀布设水位站；同时在杭州湾跨海大桥下游水域中间增加跨海大桥观光平台、王盘山、测风塔等潮位站，以减少南北岸不等现象对潮位的影响^[8-12]。

⒉ 作业时间段设计

由于钱塘江河口区域尤其是澉浦以上属强涌潮河流，涌潮来的时候水流速度快，水位变化复杂，涨潮时水位瞬时抬升，而退潮时流速同样很快。因此，在施测水下地形时，避开了涨、落急时间段，选择流速相对较慢、水位相对平稳的高平潮附近时段进行作业，既可以保证水下地形测量的安全，又可以保证潮位控制的准确性。

⒊ 应用实例

在2015年11月钱塘江水下地形测量项目中，采用上述设计方案进行水下地形测量潮位控制。通过潮位数据计算，得到各相邻潮位站间的潮时差及潮高差关系，见表2。

表2   实测各相邻潮位站间潮汐性能特征表

起始站	终点站	最大潮时差 (min)	最大潮高差 (m)	作业时间段内最大潮高差(m)
MAX	MAX	MAX
跨海大桥观光平台	秦山	45	1.55	0.37
海盐	25	1.31	0.08
跨海大桥北	5	0.48	0.23
乍浦	15	0.74	0.11
王盘山	55	1.41	0.64
小曹娥	30	1.87	0.53
澉浦	嘉绍大桥北	55	2.28	0.72
上虞盖北	55	2.96	0.72
临海浦新闸	15	2.37	0.54
小曹娥	25	1.04	0.09
王盘山	乍浦	20	1.18	0.59
上海石化	45	0.47	0.15
测风塔	20	0.86	0.18
乍浦	上海石化	45	1.3	0.58
嘉绍大桥北	三鑫码头	45	1.7	0.2
嘉绍大桥南	10	1.45	0.09
上虞盖北	15	1.89	0.03
嘉绍大桥南	三鑫码头	30	2.8	0.18
上虞盖北	20	3.09	0.06
临海浦新闸	上虞盖北	15	2.89	0.24
小曹娥	5	0.91	0.28
秦山	海盐	35	1.7	0.31
秦山	30	1.09	0.3

由表2可知，在潮位观测时间内，各相邻潮位站间最大潮时差均小于2h，最大为55min。最大潮高差极值为3.09m，杭州湾跨海大桥附近及上游方向，最大潮高差普遍为1m以上，呈现时间以低平潮转涨水开始，快涨水增大，至高平潮附近趋缓。但经过合理选择作业时段，在作业时间段内最大潮高差均小于1m,最大为为0.72m，满足“相邻潮位站之间的距离满足最大潮高差不大于1m，最大潮时差不大于2h，潮汐性质基本相同”的规范^[6]要求。

为了探究合适的水下地形测量作业时段，以涌潮影响比较显著的澉浦潮位站与上虞盖北潮位站、嘉绍大桥南潮位站与上虞盖北潮位站为例，绘制了2015年11月14日两站同步期潮位过程曲线图及潮高差曲线图，见图2、图3。

图2 澉浦与上虞盖北同步期潮位过程曲线及潮高差图

图3  嘉绍大桥南与上虞盖北同步期潮位

过程曲线及潮高差图

由图2、图3可以验证，只要避开涌潮初潮时期的快流速，选择潮流比较平稳的高平潮附近时间段进行作业，是可以满足规范要求的。

四、结语

本文针对钱塘江河口这一强潮河口如何实施水下地形测量中水位控制这一关键问题，详细分析了该区域潮汐特征，计算比对了多个验潮站之间的潮时差、潮高差，并指出，只要作适当的作业时段选择，即使在这种特殊区域，也可按照规范要求实施相应作业，本文研究表明：

⑴在钱塘江强潮河口区作业，要保证水下地形测量精度，应充分了解该区域水下地形状况和水文特征，在潮位站布设时要充分考虑钱塘江河口区域的水文潮汐特征，既要考虑钱塘江纵向的变化情况，也要考虑横向变化，在澉浦以上河段间距不宜太长，且应南北对称布设。

⑵在强潮区域进行水下地形测量时，安排在高平潮附近作业，既保证了作业安全，同时也确保了测量成果得正确性。

参考文献:

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【作者简介】第一作者王灵锋，1971出生，男，浙江缙云人，浙江省河海测绘院，高级工程师，主要从事海洋测绘及其数据处理；本文来自《海洋测绘》（2017年第4期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。

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