沿海挡潮闸下港道监测研究的方法和设备

周俭华?杨春?季浩伟

【摘要】感潮河口建闸后，闸下港道的水力条件发生改变，因下泄径流量减少而导致河床发生淤积，淤积后又引发潮波变形并减少进潮量，使闸下河床不断萎缩，排水能力不断下降。如何稳定河势，严密监测整体河势及动态过程中的水、沙動态和河床的局部变化规律等，必须开展监测研究。建立闸下港道泥沙淤积规律实验室，开展定量研究，进行全年、全天候的闸下港道在潮流涨、退时泥沙运动规律观测，为水闸的优化运行方式和清淤保港措施及港道综合治理提供科学依据，同时填补沿海闸下泥沙冲淤规律定量研究上的空白。

【关键词】沿海；闸下港道；监测研究；方法和设备

江苏省海岸线长954km，除灌河外，100多条感潮河道均已建闸控制，其中大中型涵闸61座。有近半数的闸下港道严重淤积，已有7座闸下港道淤死，其余均有不同程度的淤积。里下河地区的四条入海通道射阳河、新洋港、黄沙港、斗龙港（简称“四港”），排水量占里下河地区排水总量的70%～90%。1956年至1972年陆续在河口建闸后，闸下港道不断淤积，排水能力下降50%左右。为了减轻挡潮闸下港道淤积，恢复挡潮闸的排水能力，从1967年采用搅动式疏浚的方法进行闸下港道清淤，1977年起又成立了港道监测管理所，承担四港闸下港道的防淤清淤，并初步开展闸下港道淤积规律研究和应用试验。

一、港道监测研究的必要性

感潮河口建闸后，闸下港道的水力条件发生改变，因下泄径流量减少而导致河床发生淤积，淤积后又引发潮波变形并减少进潮量，使闸下河床不断萎缩，排水能力不断下降。1991年里下河地区特大雨涝和今年的汛期大水，内河高水位居高不下，经济损失惨重，其关键即在于闸下港道排水不畅，因而对闸下港道进行整治和防淤清淤一直是十分必要而又未能较好解决的课题。

闸下港道的淤积是一个动态的复杂的变化过程，除了水力条件改变外，还与上游河道断面的大小及来水状况、滩面植被、风向和风浪、水闸控制运用等密切相关。港道在下泄水流和上涨海潮的双重作用下，河势也在不断变化，边滩产生、弯道发育，以新洋港、斗龙港闸下港道为例，出海口左右摆动幅度很大，最大摆幅达到6.9km。如何稳定河势，严密监测整体河势及动态过程中的水、沙动态和河床的局部变化规律等，必须开展监测研究。

为减少闸下港道的淤积，必须对其进行合理和科学的疏浚。如能正确了解港道中淤积层的密度、厚度及其分布，一则可以正确掌握疏浚的时机，减少不必要的疏浚土方量，二则可以合理选择有限的疏浚机械和合理的疏浚地段。通过对闸下港道的监测研究，能了解到泥沙的时空分布和运动规律，科学指导清淤，优化疏浚作业，及时清除关键淤积段，适时地对施工方案、作业程序进行调整，合理地分段、分节、分层疏浚，提高疏浚效率，满足闸下港道清淤要求，解决高效排涝的实际问题。

二、港道监测研究现状

从建闸以来，每年汛前（4月份左右）和汛后（10月份左右）各进行一次全港道断面测量，根据测量成果，可以较为准确地反映出该时段内整个河床容积的冲淤变化。另外，有一些单位，如科研、滩涂围垦等，也曾开展过几次泥沙、流速、流量等观测，但资料散失，甚至无从查找。2005年四港港道监测管理所引进GPS测量系统，监测能力有了一定提高，2007年初开始加大频率，对“四大港”进行逐月测量，并有条件对“四大港”地形进行两年一次的修测，对河势变化有了监测手段，但对于闸下港道淤积研究而言，尚要开展泥沙、盐度、流量、流速、风向等项目监测。科技在飞跃发展，要解决闸下港道的淤积的现实问题，必须开展定量研究，进行全年、全天候的闸下港道在潮流涨、退时泥沙运动规律观测，为水闸的优化运行方式和清淤保港措施及港道综合治理提供科学依据，同时填补沿海闸下泥沙冲淤规律定量研究上的空白。

三、港道监测研究方法

1） 监测项目

建立闸下港道泥沙淤积规律实验室（拟将该实验室建在新洋港闸，兼作GPS基站），近期对淤积相对严重并有代表性的新洋港闸下至海口约15km长的港道进行全天候施测。

主要监测项目有：①水下地形（河床地貌及淤积层厚度）；②流速、流向（港道内水流的流速、流向分布）；③垂线平均含沙量分布；④内河水冲刷量；⑤泥沙颗粒级配；⑥水域含盐量分布；⑦潮位；⑧挡潮闸启闭工况。

根据原型测量资料建立数据库，并具有统计分析、分类、查询、图形显示和泥沙淤积趋势仿真动态演示功能。通过分析和预测，指导清淤工作。

2） 监测手段

采用GPS定位技术与动船法结合，完成以上监测项目。

动船法具有简单、快速和一定精度等特点，不受天然条件的影响，不需固定测站，便于巡测。可由水流动力学经验及预测量后确定行船线路，根据港道的宽窄，沿河岸垂直方向测量或顺水流方向测量。要求每次测量的经纬度尽可能一致。

为了绘制河床地貌图、淤积分布图以及其它被测参数的地理坐标，必须为测量数据定位。GPS定位的制式多种多样，综合精度及测量速度的要求，采用两点差分动态测量方法（属载波相位测量体系）。该方法可提供厘米级测量精度和快速测量性能。

3） 监测的频度与周期

可采用疏密结合的方法。前期采用较高频度，当得到参数基本变化规律后可减低测量频度，并在特殊水情（大潮、泄洪等）时增加监测次数。

对新洋港闸下港道诸参数跟踪两年监测，积累经验，摸索规律后对其余挡潮闸下港道进行监测。

四、港道监测研究的主要设备及技术

1） 主要设备及技术

针对闸下港道高效清淤排涝的迫切要求，需要引进先进的动测关键设备与水下动测关键技术。动测关键设备与动测关键技术为：

①MD DSS动态浅剖泥沙分析系统（含换能器及组件）一套，MD DSS测量软件（包括浅层数据采集、实时显示、成图等），泥沙趋势动态仿真软件。

②泥沙分析仪（振动式悬移质测沙仪）一套，根据振动力学方程研制的密度传感器，是利用特殊材料制成的振動管，随着流经振动管的液体密度发生变化其振动频率也在变化。振动式悬移质测沙仪就是采用这种高精密的密度传感器将采集到的周期（频率）数字信号，通过标准串行口（RS232）进入到计算机，密度传感器每3-7秒钟采集一组数据，利用计算机上所建立的数学模型进行分析计算可直接在屏幕上显示出含沙量。

③实时动态测量（RTK）GPS定位仪一套。在岸边固定点设立基准站，该点作为各项测试的坐标原点，其GPS接收天线在一次架设后，在整个观测期内，不得移动。

闸位潮位测站。a）闸位测站：用于监测闸门的启闭运行工况，提供计算过闸流量数据。闸位测站每孔闸门配置一个；b）潮位测站：用于对港道内潮位变化量的连续、全天候测量，共四个，闸门上下游各一个（已有），挡潮闸至海口处，沿途再设两处测站。

2） 预期目标

①闸下港道涨潮时泥沙淤积量及其部位；②闸下港道退潮时泥沙冲刷量及其部位；③水闸运行方式对港道冲淤变化的影响；④闸下港道机械清淤时机及效果；⑤闸下港道河床过水断面恢复的综合工程措施。

通过对得到成果的分析，得到示范区港水下淤积层的三维可视化分布图，可以识别闸下港道水沙运动变化过程与其影响因子之间的关系，揭示沿海闸下港道泥沙运动平衡的物理机制及泥沙淤积的时空变化规律，预测并优化港道疏浚施工，提高有限清淤机械的工作效率，确保疏浚质量，为港道水沙模拟、淤积预报、和科学疏浚提供一条新的路径。达到高效清淤排涝的目的，同时为管理部门提供港道综合治理的决策依据。

3） 目前已取得的成果

引进实时动态测量GPS定位仪和MD DSS 动态浅剖泥沙分析系统后，四港港道监测管理所积极行动，以新洋港闸下11km港道为示范区进行初步港道监测，取得了闸下港道浅层泥沙分析成果，如图（图1、图2）：

五、小结

感潮河口建闸后，无论是长港道还是短港道，无论是港口处于淤长型海岸还是侵蚀性海岸，闸下港道的淤积是不可避免的，要解决淤积问题，确保水闸工程排涝效益的发挥，必须对闸下港道进行监测和泥沙运用规律的研究。

采用新一代水下动态定位浅剖泥沙分析系统，综合监测各相关因素，将解决闸下港道空间跨度大的测量困难，保证水下淤积层动测和科学疏浚的综合效率。

开展港道监测研究工作，将填补我国定量研究闸下港道泥沙运动和淤积规律领域的空白，为开展闸下港道泥沙运动和淤积规律研究奠定基础，为科学清淤提供更为精确的资料。