沿海擋潮閘下港道監測研究的方法和設備

周儉華?楊春?季浩偉

【摘要】感潮河口建閘后，閘下港道的水力條件發生改變，因下泄徑流量減少而導致河床發生淤積，淤積后又引發潮波變形并減少進潮量，使閘下河床不斷萎縮，排水能力不斷下降。如何穩定河勢，嚴密監測整體河勢及動態過程中的水、沙動態和河床的局部變化規律等，必須開展監測研究。建立閘下港道泥沙淤積規律實驗室，開展定量研究，進行全年、全天候的閘下港道在潮流漲、退時泥沙運動規律觀測，為水閘的優化運行方式和清淤保港措施及港道綜合治理提供科學依據，同時填補沿海閘下泥沙沖淤規律定量研究上的空白。

【關鍵詞】沿海；閘下港道；監測研究；方法和設備

江蘇省海岸線長954km，除灌河外，100多條感潮河道均已建閘控制，其中大中型涵閘61座。有近半數的閘下港道嚴重淤積，已有7座閘下港道淤死，其余均有不同程度的淤積。里下河地區的四條入海通道射陽河、新洋港、黃沙港、斗龍港（簡稱“四港”），排水量占里下河地區排水總量的70%～90%。1956年至1972年陸續在河口建閘后，閘下港道不斷淤積，排水能力下降50%左右。為了減輕擋潮閘下港道淤積，恢復擋潮閘的排水能力，從1967年采用攪動式疏浚的方法進行閘下港道清淤，1977年起又成立了港道監測管理所，承擔四港閘下港道的防淤清淤，并初步開展閘下港道淤積規律研究和應用試驗。

一、港道監測研究的必要性

感潮河口建閘后，閘下港道的水力條件發生改變，因下泄徑流量減少而導致河床發生淤積，淤積后又引發潮波變形并減少進潮量，使閘下河床不斷萎縮，排水能力不斷下降。1991年里下河地區特大雨澇和今年的汛期大水，內河高水位居高不下，經濟損失慘重，其關鍵即在于閘下港道排水不暢，因而對閘下港道進行整治和防淤清淤一直是十分必要而又未能較好解決的課題。

閘下港道的淤積是一個動態的復雜的變化過程，除了水力條件改變外，還與上游河道斷面的大小及來水狀況、灘面植被、風向和風浪、水閘控制運用等密切相關。港道在下泄水流和上漲海潮的雙重作用下，河勢也在不斷變化，邊灘產生、彎道發育，以新洋港、斗龍港閘下港道為例，出海口左右擺動幅度很大，最大擺幅達到6.9km。如何穩定河勢，嚴密監測整體河勢及動態過程中的水、沙動態和河床的局部變化規律等，必須開展監測研究。

為減少閘下港道的淤積，必須對其進行合理和科學的疏浚。如能正確了解港道中淤積層的密度、厚度及其分布，一則可以正確掌握疏浚的時機，減少不必要的疏浚土方量，二則可以合理選擇有限的疏浚機械和合理的疏浚地段。通過對閘下港道的監測研究，能了解到泥沙的時空分布和運動規律，科學指導清淤，優化疏浚作業，及時清除關鍵淤積段，適時地對施工方案、作業程序進行調整，合理地分段、分節、分層疏浚，提高疏浚效率，滿足閘下港道清淤要求，解決高效排澇的實際問題。

二、港道監測研究現狀

從建閘以來，每年汛前（4月份左右）和汛后（10月份左右）各進行一次全港道斷面測量，根據測量成果，可以較為準確地反映出該時段內整個河床容積的沖淤變化。另外，有一些單位，如科研、灘涂圍墾等，也曾開展過幾次泥沙、流速、流量等觀測，但資料散失，甚至無從查找。2005年四港港道監測管理所引進GPS測量系統，監測能力有了一定提高，2007年初開始加大頻率，對“四大港”進行逐月測量，并有條件對“四大港”地形進行兩年一次的修測，對河勢變化有了監測手段，但對于閘下港道淤積研究而言，尚要開展泥沙、鹽度、流量、流速、風向等項目監測。科技在飛躍發展，要解決閘下港道的淤積的現實問題，必須開展定量研究，進行全年、全天候的閘下港道在潮流漲、退時泥沙運動規律觀測，為水閘的優化運行方式和清淤保港措施及港道綜合治理提供科學依據，同時填補沿海閘下泥沙沖淤規律定量研究上的空白。

三、港道監測研究方法

1） 監測項目

建立閘下港道泥沙淤積規律實驗室（擬將該實驗室建在新洋港閘，兼作GPS基站），近期對淤積相對嚴重并有代表性的新洋港閘下至海口約15km長的港道進行全天候施測。

主要監測項目有：①水下地形（河床地貌及淤積層厚度）；②流速、流向（港道內水流的流速、流向分布）；③垂線平均含沙量分布；④內河水沖刷量；⑤泥沙顆粒級配；⑥水域含鹽量分布；⑦潮位；⑧擋潮閘啟閉工況。

根據原型測量資料建立數據庫，并具有統計分析、分類、查詢、圖形顯示和泥沙淤積趨勢仿真動態演示功能。通過分析和預測，指導清淤工作。

2） 監測手段

采用GPS定位技術與動船法結合，完成以上監測項目。

動船法具有簡單、快速和一定精度等特點，不受天然條件的影響，不需固定測站，便于巡測。可由水流動力學經驗及預測量后確定行船線路，根據港道的寬窄，沿河岸垂直方向測量或順水流方向測量。要求每次測量的經緯度盡可能一致。

為了繪制河床地貌圖、淤積分布圖以及其它被測參數的地理坐標，必須為測量數據定位。GPS定位的制式多種多樣，綜合精度及測量速度的要求，采用兩點差分動態測量方法（屬載波相位測量體系）。該方法可提供厘米級測量精度和快速測量性能。

3） 監測的頻度與周期

可采用疏密結合的方法。前期采用較高頻度，當得到參數基本變化規律后可減低測量頻度，并在特殊水情（大潮、泄洪等）時增加監測次數。

對新洋港閘下港道諸參數跟蹤兩年監測，積累經驗，摸索規律后對其余擋潮閘下港道進行監測。

四、港道監測研究的主要設備及技術

1） 主要設備及技術

針對閘下港道高效清淤排澇的迫切要求，需要引進先進的動測關鍵設備與水下動測關鍵技術。動測關鍵設備與動測關鍵技術為：

①MD DSS動態淺剖泥沙分析系統（含換能器及組件）一套，MD DSS測量軟件（包括淺層數據采集、實時顯示、成圖等），泥沙趨勢動態仿真軟件。

②泥沙分析儀（振動式懸移質測沙儀）一套，根據振動力學方程研制的密度傳感器，是利用特殊材料制成的振動管，隨著流經振動管的液體密度發生變化其振動頻率也在變化。振動式懸移質測沙儀就是采用這種高精密的密度傳感器將采集到的周期（頻率）數字信號，通過標準串行口（RS232）進入到計算機，密度傳感器每3-7秒鐘采集一組數據，利用計算機上所建立的數學模型進行分析計算可直接在屏幕上顯示出含沙量。

③實時動態測量（RTK）GPS定位儀一套。在岸邊固定點設立基準站，該點作為各項測試的坐標原點，其GPS接收天線在一次架設后，在整個觀測期內，不得移動。

閘位潮位測站。a）閘位測站：用于監測閘門的啟閉運行工況，提供計算過閘流量數據。閘位測站每孔閘門配置一個；b）潮位測站：用于對港道內潮位變化量的連續、全天候測量，共四個，閘門上下游各一個（已有），擋潮閘至海口處，沿途再設兩處測站。

2） 預期目標

①閘下港道漲潮時泥沙淤積量及其部位；②閘下港道退潮時泥沙沖刷量及其部位；③水閘運行方式對港道沖淤變化的影響；④閘下港道機械清淤時機及效果；⑤閘下港道河床過水斷面恢復的綜合工程措施。

通過對得到成果的分析，得到示范區港水下淤積層的三維可視化分布圖，可以識別閘下港道水沙運動變化過程與其影響因子之間的關系，揭示沿海閘下港道泥沙運動平衡的物理機制及泥沙淤積的時空變化規律，預測并優化港道疏浚施工，提高有限清淤機械的工作效率，確保疏浚質量，為港道水沙模擬、淤積預報、和科學疏浚提供一條新的路徑。達到高效清淤排澇的目的，同時為管理部門提供港道綜合治理的決策依據。

3） 目前已取得的成果

引進實時動態測量GPS定位儀和MD DSS 動態淺剖泥沙分析系統后，四港港道監測管理所積極行動，以新洋港閘下11km港道為示范區進行初步港道監測，取得了閘下港道淺層泥沙分析成果，如圖（圖1、圖2）：

五、小結

感潮河口建閘后，無論是長港道還是短港道，無論是港口處于淤長型海岸還是侵蝕性海岸，閘下港道的淤積是不可避免的，要解決淤積問題，確保水閘工程排澇效益的發揮，必須對閘下港道進行監測和泥沙運用規律的研究。

采用新一代水下動態定位淺剖泥沙分析系統，綜合監測各相關因素，將解決閘下港道空間跨度大的測量困難，保證水下淤積層動測和科學疏浚的綜合效率。

開展港道監測研究工作，將填補我國定量研究閘下港道泥沙運動和淤積規律領域的空白，為開展閘下港道泥沙運動和淤積規律研究奠定基礎，為科學清淤提供更為精確的資料。