海洋測(cè)繪中的驗(yàn)潮及潮位改正
2013-07-01 15:20:31 來(lái)源:
潮汐觀測(cè)通常稱為水位觀測(cè)，又稱驗(yàn)潮。其目的是為了了解當(dāng)?shù)氐某毕再|(zhì)，應(yīng)用所獲得的潮汐觀測(cè)資料，來(lái)計(jì)算該地區(qū)的潮汐調(diào)和常數(shù)、平均海平面、深度基準(zhǔn)面、潮汐預(yù)報(bào)以及提供測(cè)量不同時(shí)刻的水位該正數(shù)等，提供給有關(guān)軍事、交通、水產(chǎn)、鹽業(yè)、測(cè)繪等部門使用。潮汐觀測(cè)是海洋工程測(cè)量、航道測(cè)量等工作的重要組成部分。
潮汐測(cè)量，就是測(cè)量某固定點(diǎn)的水位隨時(shí)間的變化,實(shí)際上就是測(cè)量該點(diǎn)的水深變化。海道測(cè)量所采用的驗(yàn)潮站,分為長(zhǎng)期驗(yàn)潮站與短期驗(yàn)潮站、臨時(shí)驗(yàn)潮站和海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站,長(zhǎng)期驗(yàn)潮站是測(cè)區(qū)水位控制的基礎(chǔ),它主要用于計(jì)算平均海面和深度基準(zhǔn)面,計(jì)算平均海面要求有兩年以上連續(xù)觀測(cè)的水位資料。短期驗(yàn)潮站用于補(bǔ)充長(zhǎng)期驗(yàn)潮站的不足,它與長(zhǎng)期驗(yàn)潮站共同推算確定區(qū)域的深度基準(zhǔn)面,一般要求連續(xù)30天的水位觀測(cè)。臨時(shí)驗(yàn)潮站在水深測(cè)量期間設(shè)置,要求最少與長(zhǎng)期驗(yàn)潮站或短期驗(yàn)潮站同步觀測(cè)三天,以便聯(lián)測(cè)平均海面或深度基準(zhǔn)面,測(cè)深期間用于觀測(cè)瞬時(shí)水位,進(jìn)行水位改正。海上定點(diǎn)驗(yàn)潮,最少在大潮期間與長(zhǎng)期或短期站同步觀測(cè)三次24h,用以推算平均海面、深度基準(zhǔn)面和預(yù)報(bào)瞬時(shí)水位。
第一節(jié) 固定驗(yàn)潮儀2.1.1儀器種類與性能
1. 井式自記驗(yàn)潮儀
其主要結(jié)構(gòu)有驗(yàn)潮井、浮筒、記錄裝置組成。
工作原理如下：通過(guò)在水面上隨井內(nèi)水面起伏的浮筒帶動(dòng)上面的記錄滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使得記錄針在裝有記錄紙的記錄滾筒上畫線，來(lái)記錄水面的變化情況，達(dá)到自動(dòng)記錄潮位的目的。目前，這種通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)獲得的潮位的過(guò)程可以通過(guò)數(shù)字記錄儀來(lái)完成。井式驗(yàn)潮結(jié)構(gòu)見圖（9-7），其特點(diǎn)是堅(jiān)固耐用，濾波性能良好，其缺點(diǎn)是聯(lián)通導(dǎo)管易堵塞，成本高，機(jī)動(dòng)性差。
（注：井式驗(yàn)潮結(jié)構(gòu)見《海洋調(diào)查技術(shù)及應(yīng)用》第106頁(yè)圖9-7）
井式自記驗(yàn)潮儀一般包括浮子式與引壓鐘式驗(yàn)潮儀[7]。
浮子式驗(yàn)潮儀是利用一漂浮于海面的浮子，它隨海面而上下浮動(dòng)，其隨動(dòng)機(jī)構(gòu)將浮子的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為記錄紙滾軸的旋轉(zhuǎn)，記錄筆則在記錄紙上留下潮汐變化的曲線。引壓鐘式驗(yàn)潮儀是將引壓鐘放置于水底，將海水壓力通過(guò)管路引到海面以上，由自動(dòng)記錄器進(jìn)行記錄。為了消除波浪的影響，需在水中建立驗(yàn)潮井，即從海底豎一井至海面，其井底留有小孔與井外的海水相通，采用這種“小孔濾波”的方法將濾除海水的波動(dòng)，這樣井外的海水在涌浪的作用下起伏變化，而由于小孔的“阻擋”作用，使井內(nèi)的海面幾乎不受影響，它只隨著潮汐而變。井上一般要建屋以保證設(shè)備的工作環(huán)境。這兩種驗(yàn)潮儀由于安裝復(fù)雜，須打井建站，適用于岸邊的長(zhǎng)期定點(diǎn)驗(yàn)潮。其特點(diǎn)是精度較高，維護(hù)方便，但一次性投入費(fèi)用較高，不機(jī)動(dòng)靈活，對(duì)環(huán)境要求高(如供電、防風(fēng)防雨等)。國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)期驗(yàn)潮站大多采用這兩種設(shè)備。
2. 超聲波潮汐計(jì)驗(yàn)潮[8]
超聲波潮汐計(jì)主要有探頭、聲管、計(jì)算機(jī)等部分組成。（見圖9-8）。其主要特點(diǎn)是利用聲學(xué)測(cè)距原理進(jìn)行非接觸式潮位測(cè)量。基本工作原理是通過(guò)固定在水位計(jì)頂端的聲學(xué)換能器向下發(fā)射聲信號(hào)，信號(hào)遇到聲管的校準(zhǔn)空和水面分別產(chǎn)生回波，同時(shí)記錄發(fā)射接收的時(shí)間差，進(jìn)而求得水面高度。特點(diǎn)是使用方面，工作量小，濾波性能好，適用測(cè)量。
（注：聲學(xué)水位計(jì)見《海洋調(diào)查技術(shù)及應(yīng)用》第107頁(yè)圖9-8）
3. 壓力式驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮[7]
壓力式驗(yàn)潮儀是一種較新型的驗(yàn)潮設(shè)備，目前已逐步成為常用的驗(yàn)潮設(shè)備，它是將驗(yàn)潮儀安置于水下固定位置，通過(guò)檢測(cè)海水的壓力變化而推算出海面的起伏變化。按結(jié)構(gòu)可以分機(jī)械式水壓驗(yàn)潮儀和電子式水壓眼驗(yàn)潮儀。機(jī)械式水壓驗(yàn)潮儀主要有水壓鐘、橡皮管、U型水銀管和自動(dòng)記錄裝置組成。電子式水壓眼驗(yàn)潮儀主要有水下機(jī)、水上機(jī)、電纜、數(shù)據(jù)鏈等部分組成。（注：機(jī)械式水壓驗(yàn)潮儀和電子式水壓眼驗(yàn)潮儀見《海洋調(diào)查技術(shù)及應(yīng)用》第107頁(yè)圖9-9）
它的適用范圍較前幾種驗(yàn)潮儀要廣，它不需要打井建站，無(wú)須海岸作依托，不但適用于沿岸，碼頭，而且對(duì)于遠(yuǎn)離岸邊及較深的海域的驗(yàn)潮，它同樣能勝任。同時(shí)這種驗(yàn)潮儀輕便靈活，對(duì)于海測(cè)部隊(duì)的驗(yàn)潮作業(yè)機(jī)動(dòng)、靈活、且時(shí)間較短(一般為一、兩個(gè)月)的應(yīng)用場(chǎng)合，這種驗(yàn)潮儀較為合適。
壓力式驗(yàn)潮儀所采用的測(cè)壓部件——壓力傳感器又分為表壓型和絕壓型，其工作原理略有不同，但其基本測(cè)量原理是一樣的，即檢測(cè)出海水的靜壓力，將壓力換算成水位。其公式為:
h=p/d
式中 h——水深(cm)；
p——海水靜壓力(g/cm )；
d——海水的密度(g/cm )，它是海水溫度、鹽度的函數(shù)。
驗(yàn)潮儀以一定的時(shí)間間隔定時(shí)啟動(dòng)工作，由此可測(cè)出不同時(shí)刻的水位，這些不同時(shí)刻的水位值就是潮汐數(shù)據(jù)。但對(duì)于不同類型的傳感器，具體計(jì)算方法也有所不同，表壓型傳感器由于直接測(cè)出海水的靜壓力，因此水位可直接按上式計(jì)算，而絕壓型傳感器所測(cè)壓力并非海水靜壓力，而是海水與大氣壓的合成壓力，因此其計(jì)算公式應(yīng)為
h= (p- p )/d
式中
h——水深；
p——檢測(cè)壓力；
p ——檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)的大氣壓；
d——海水的密度。
壓力式驗(yàn)潮儀的第一個(gè)特點(diǎn)是(以海軍海洋測(cè)繪研究所研制的便攜式驗(yàn)潮儀和自動(dòng)驗(yàn)潮儀為例)適應(yīng)性強(qiáng)，測(cè)量水深為0~200m，能適應(yīng)不同深度的海區(qū)。即使海面結(jié)冰也仍能驗(yàn)潮。在較淺水域，一般小于10m時(shí)，可安裝水尺，將驗(yàn)潮儀與水尺安裝在一起，零點(diǎn)歸算到水尺上，通過(guò)聯(lián)測(cè)的方法找到大地基準(zhǔn)面與水尺零點(diǎn)的關(guān)系，從而找到驗(yàn)潮儀零點(diǎn)與大地基準(zhǔn)面的關(guān)系。同時(shí)還可將驗(yàn)潮儀的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射的方式由其天線發(fā)射出去，使10km內(nèi)的用戶均能實(shí)時(shí)收到潮汐數(shù)據(jù)。當(dāng)在較深水域驗(yàn)潮時(shí)，可使驗(yàn)潮儀工作在自容狀態(tài)，按預(yù)置的時(shí)間間隔定時(shí)啟動(dòng)工作，測(cè)得的潮汐數(shù)據(jù)記在儀器內(nèi)部的存貯器中，待測(cè)量任務(wù)結(jié)束后，由潛水員將設(shè)備撈出，再通過(guò)接口讀出所記的潮汐數(shù)據(jù)。水深過(guò)深，潛水員無(wú)法打撈的水域，可在驗(yàn)潮儀上加裝聲學(xué)釋放器，測(cè)量任務(wù)結(jié)束要打撈時(shí)，通過(guò)聲代碼發(fā)射接收機(jī)，向驗(yàn)潮儀發(fā)出聲指令，驗(yàn)潮儀在接到指令后，控制聲學(xué)釋放器釋放，自動(dòng)脫鉤上浮到海面。第二個(gè)特點(diǎn)是精度高，壓力測(cè)量精度可達(dá)0.1%FS。其缺點(diǎn)是設(shè)備工作于自容方式時(shí)，設(shè)備沒有電纜通到水上，因此其供電只能靠電池，由于其有水密要求，因此更換電池不方便，其次是這種驗(yàn)潮儀較聲學(xué)式驗(yàn)潮儀成本高。壓力式驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)在計(jì)算時(shí)如果已進(jìn)行了聯(lián)測(cè)，即找到了驗(yàn)潮儀零點(diǎn)與大地基準(zhǔn)面的關(guān)系，就可直接將潮汐數(shù)據(jù)歸算到任一已知基準(zhǔn)面(如黃海平均海平面)。如果布放點(diǎn)水深較深，無(wú)法進(jìn)行聯(lián)測(cè)，則驗(yàn)潮儀的工作時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)一些，一般為半個(gè)月或一個(gè)月甚至更長(zhǎng)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，算出調(diào)和常數(shù)，找出整個(gè)測(cè)量期間的平均海面。以此面作為基準(zhǔn)面給出潮汐數(shù)據(jù)。
4. 聲學(xué)式驗(yàn)潮儀[7]
聲學(xué)式驗(yàn)潮儀屬無(wú)井驗(yàn)潮儀，根據(jù)其聲探頭(換能器)安裝在空氣中或水中而分為兩類。探頭安置在空氣中的聲學(xué)式驗(yàn)潮儀(如國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所生產(chǎn)的聲學(xué)式驗(yàn)潮儀)是在海面以上固定位置安放一聲學(xué)發(fā)射接收探頭，探頭定時(shí)垂直向下發(fā)射超聲脈沖，聲波通過(guò)空氣到達(dá)海面并經(jīng)海面反射返回到聲學(xué)探頭，通過(guò)檢測(cè)聲波發(fā)射與海面回波返回到聲探頭的歷時(shí)來(lái)計(jì)算出探頭至海面的距離，從而得到海面隨時(shí)間的變化。潮汐數(shù)據(jù)可存放于存貯器內(nèi)。待測(cè)量結(jié)束后提取出來(lái)，其潮高為:
H= h－(c×Δt)／2
式中 H——潮高(m)；
h——聲探頭在深度基準(zhǔn)面以上的高度(m)；
Δt——聲脈沖在聲探頭與瞬時(shí)海面之間的往返時(shí)間(s)；
c——超聲脈沖在空氣中的傳播速度(m/s)，
為已知量，它是大氣壓力，溫度和濕度的函數(shù)。
這種驗(yàn)潮儀的安裝一般需在海底打樁，將驗(yàn)潮儀安裝在樁的頂部，并保證**時(shí)不淹沒。通過(guò)聯(lián)測(cè)的方法找到大地基準(zhǔn)面與驗(yàn)潮儀零點(diǎn)的關(guān)系。這種驗(yàn)潮儀特點(diǎn)在于:由于其安裝位置可距海面較近，聲波在空氣中的行程短，因此精度較高；由于設(shè)備安裝在水上，因此可通過(guò)岸電，即使在無(wú)岸電而采用電池時(shí)，更換電池也較方便。且這種設(shè)備成本較低。但是由于其需打樁的安裝要求，使它需以海岸作為依托，不能離岸較遠(yuǎn)，因此測(cè)量水深一般較淺。探頭安置在水中的聲學(xué)式驗(yàn)潮儀一是將一聲學(xué)探頭安放在海底，定時(shí)垂直向上發(fā)射聲波，并接收海面的回波以測(cè)量安放點(diǎn)的水深，此種方法由于聲探頭需有電纜連接，因此不能離岸較遠(yuǎn)。二是采用類似于測(cè)深儀的原理，選一塊平坦的海區(qū)，將聲探頭放置于海面固定載體上，一般為船或固定漂浮物，定時(shí)向海底發(fā)射聲波，通過(guò)檢測(cè)海底回波以檢測(cè)載體所在位置的水深。這兩種聲學(xué)驗(yàn)潮方法的特點(diǎn)是，精度較低，首先儀器本身存在至少幾厘米的固有誤差，另外測(cè)量精度與由聲探頭的姿態(tài)有關(guān)，同時(shí)一般水聲換能器有一定的盲區(qū)，因此根據(jù)換能器的不同，安放位置需要有一定的水深。而在此深度內(nèi)，海水中的聲速不是恒定的，它隨海水溫度及鹽度的變化而改變，同時(shí)還受到海水中的懸浮物等因素的影響，水深越淺影響越大。因此聲速誤差將影響到測(cè)深精度。聲學(xué)式驗(yàn)潮儀在離岸較遠(yuǎn)的驗(yàn)潮點(diǎn)不便使用，在冬季岸邊海水結(jié)冰后，聲學(xué)式驗(yàn)潮儀一般無(wú)法工作。
5. GPS驗(yàn)潮[7]
GPS驗(yàn)潮是隨著差分GPS(DGPS)技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它是目前GPS技術(shù)發(fā)展的主攻方向之一，目前尚處于試驗(yàn)階段。它是應(yīng)用了GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real Time Kinematic——RTK)測(cè)量技術(shù)，是GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，而構(gòu)成系統(tǒng)。其工作原理是，在基準(zhǔn)站安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站。在用戶機(jī)上。GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)。
DGPS驗(yàn)潮分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)驗(yàn)潮。靜態(tài)驗(yàn)潮是將DGPS驗(yàn)潮站的GPS接收天線安置在靠近岸邊或海上固定處的浮筒或測(cè)量船上，與岸上GPS接收機(jī)實(shí)施動(dòng)態(tài)載波相位差分測(cè)量，求得DGPS驗(yàn)潮站瞬時(shí)海面高度的一種驗(yàn)潮方法。動(dòng)態(tài)驗(yàn)潮是將DGPS驗(yàn)潮站的GPS接收天線安置在船上，與岸上GPS接收機(jī)實(shí)施動(dòng)態(tài)載波相位差分測(cè)量，求得測(cè)量
船所處瞬時(shí)海面高度的一種驗(yàn)潮方法。測(cè)點(diǎn)的GPS測(cè)得的海面高度(位置)計(jì)算公式為:
d=h-N-d
式中
d——海面在某高程系統(tǒng)中的高度；
h——GPS天線的WGS—84橢球高度；
N——WGS—84參考橢球與所采用高程系統(tǒng)大地水準(zhǔn)面的差值；
D ——GPS天線至海面的高度。
值得注意的是，GPS測(cè)出的是其在WGS—84橢球中的位置，與以往所采用的驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮有所不同，驗(yàn)潮儀所測(cè)出的是相對(duì)與海底的水深，顯然GPS驗(yàn)潮不但包含了海水的潮汐變化，還包含了地殼的固體潮。前面已提到在引潮力的作用下，地殼的起伏可達(dá)十幾至幾十厘米，因此在采用GPS驗(yàn)潮時(shí)，要設(shè)法修正和減小固體潮的影響。
6. 潮汐遙感測(cè)量[7]
潮汐遙感測(cè)量是指利用衛(wèi)星的雷達(dá)高度計(jì)來(lái)測(cè)量海面的起伏變化。衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)可提供全球、特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)的潮汐資料，其特點(diǎn)是速度快，經(jīng)濟(jì)。但精度較低。它可檢測(cè)全球的海洋潮汐，為建立全球海洋潮汐模型提供了依據(jù)。其測(cè)高原理是雷達(dá)高度計(jì)向海面發(fā)射極短的雷達(dá)脈沖，測(cè)量該脈沖從高度計(jì)傳輸?shù)胶Ｃ娴耐禃r(shí)間，通過(guò)必要的改正，便可求出衛(wèi)星到海面的距離，如果衛(wèi)星軌道為已知，那么即可得知海面的高度。潮汐遙感測(cè)量象GPS驗(yàn)潮一樣，同樣存在固體潮的影響。
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