长江口深水航道治理工程中现场观测方法及新技术应用

高敏

（交通运输部长江口航道管理局，上海 200003）

0 引言

长江口是典型的潮汐河口，具有丰水、多沙及中等强度潮差（但潮量巨大）的特征。长江口河床演变和水沙运动规律复杂，对长江口河床冲淤变化规律和水沙运动特性的认识必须建立在对长江口现场地形、水文泥沙测验资料等长期积累和分析的基础上。长江口深水航道治理工程实施前即确定了动态管理[1]的指导思想，动态管理的基础是现场监测成果，只有掌握了现场地形和水沙盐的变化情况，才能通过科研试验，来适时优化设计施工方案，确保整治效果的实现。

对地形和水、沙、盐等不同要素的观测需要根据观测和研究的目的采用不同的观测方法，并采用相应的观测技术手段。本文主要根据长江口深水航道治理工程建设和维护期的观测和研究实践，概要介绍本工程现场观测原则、观测方法和新技术的应用等。

1 工程特点

长江口深水航道治理工程是一项施工强度大、施工条件差，在河势条件复杂多变的巨型多沙河口实施的一项重大工程，本工程必须开展大量的现场监测，是由长江口特殊自然条件决定的[2]。

1）局部河势的变化存在不确定性

长江口的自然条件可以概括为“茫茫无边的江面，动荡变化的河势，冲淤不定的砂洲”。工程前40余a的研究成果虽然揭示了长江口水沙运动及河床演变的基本规律，提出了总体治理方案，但整个长江口仍基本处于自然状态，洲滩尚不稳定，南支河段尚未形成稳定的边界条件，南支下段汊道众多，加之水沙条件及变化复杂，滩槽的冲淤变化仍存在相当程度的不确定性。而且，在当前技术水平条件下，作为整治方案基础的数、物模研究成果尚不可能做到定量准确。鉴于上述原因，在基本确定总体治理方案的条件下，在工程实施过程中，有必要跟踪分析现场的水沙盐和地形等要素的变化情况，通过科学的动态管理，适时优化设计和施工方案等。

2）滩面物质易发生冲蚀

工程区域滩面主要由d50≈0.01~0.03 mm的粉细砂组成，极易受水流作用而掀扬和运移。除天然流场的年季变化会导致滩面冲淤外，建筑物的施工也必然引起周边流场的改变，通常会使沿堤流发育而加剧堤侧及堤头前方滩地一定范围内地形发生冲淤调整，造成工程量剧增，甚至危及建筑物的稳定。需要加强对整治建筑物周边地形的监测，根据监测结果适时优化设计并采用一定的工程措施，来保证堤坝的安全和最终整治效果的实现。

3）长江口水动力条件和泥沙运移非常复杂

长江口动力作用以径流和潮流为主，在不同区段各种动力起到的作用不同，而流域来水来沙条件的季节性变化以及潮汐条件的大、中、小潮周期的变化和波浪等的影响，使得长江口动力条件的时空分布极为复杂。而在河口的不同区段，动力条件的差异、地形地貌的不同和含盐度时空分布的变化等对泥沙运移规律也存在巨大的影响。特别是本工程所在的拦门沙河段，水沙盐的运动规律和时空变化等对工程建设以及航道回淤的影响尚难以准确把握，有必要通过大量的现场监测来积累资料，开展研究，以期深入掌握这些因素的变化规律、为工程建设和维护服务。

鉴于现场监测的重要性，在本工程前期研究阶段、工程的建设和维护阶段，都必须重视和建立必要的监测制度，采用必要的监测手段并进行技术创新，来充分掌握流域来水来沙的变化、河口大范围地形及整治建筑物周边局部地形的变化以及河口水沙盐的时空分布及变化等，并根据不同的研究目的安排专项的水文泥沙观测，为工程动态管理和科学研究提供基本资料。

2 观测方法和主要内容

2.1 观测布置原则

根据长江口自然条件的特点和本工程建设的需要，确定如下监测布置原则：

1）应能把握长江口地形的总体变化，据以分析演变趋势

如前所述，长江口总体河势基本稳定，但存在着局部不利变化，通过监测和分析，能够掌握长江口总体河势的自然变化及其与整治工程的相互影响，分析整治工程的治理效果。

2）监测安排应考虑长江口水沙特性的季节性及大中小潮周期的变化

长江流域来水来沙量存在明显的洪枯季变化，受大中小潮过程潮汐变化的影响，河口水沙盐等要素也存在周期性的变化，在监测安排上应考虑这些因素的影响，反映河口的自然要素的变化。

3）应能反映整治建筑物周边局部地形的变化，以保证堤坝安全

整治建筑物工程的实施，必然引起周边流场进而地形的变化，通过监测，能够掌握整治建筑物周边的变化，及时发现局部冲刷发展情况，发现问题后能及时采取措施，保证堤坝的安全。

4）应能反映长江口主要汊道的分流分沙情况

长江口三级分汊四口入海，各汊道的分流分沙比的大小是评价汊道发育程度和发展变化的重要指标，应充分掌握河口自然演变及相关涉水工程（包括本工程）建设对各汊道分流分沙的影响。

5）能基本掌握长江口各主要汊道特别是整治段的水沙运动情况

长江口各汊道动力泥沙条件不同，而且随着洪枯季、大中小潮不同也存在巨大差异。应在主要汊道的滩槽布置一定的水文泥沙观测点和断面，掌握各汊道水文泥沙的基本属性和变化，分析河口自然演变和相关涉水工程建设的影响。

6）根据工程建设和维护的研究需要，安排专项观测

除了常规的地形和水文泥沙观测外，根据工程的进展情况和解决特定问题的需要，安排一些特殊的专项观测，如近底水沙观测，堤坝越堤水沙观测，通量观测等，分析局部水沙运动特征及对航道回淤的影响等。

7）掌握总体、突出重点、经济合理的原则

长江河口水域面积达6 000 km2，如果全范围大规模的监测，需要投入大量的资金。监测布置应立足于工程建设和研究的需要，能掌握总体、把握重点，做到经济合理。

2.2 观测内容和方法

根据观测布置原则和研究的需要，从一期工程开始，就制订了一整套严密的对水沙运动、河势地形等的观测制度，对观测内容、方法、频次、提交成果的要求等均做出了具体规定，明确了相应的技术标准；在每年实施过程中，则根据工程进展情况和研究需要做局部调整，取得了极其丰富、完整、连续的观测资料（见表1）。

表1 长江口深水航道治理工程主要观测内容和方法Table 1 The main observation content and method of the project

1）长江口总体河势地形观测

长江口河势地形监测包括地形水深断面测量和部分点的底质采样。根据掌握总体、突出重点、经济合理的原则，对各区域的监测断面布置、监测频次等做出了不同的安排。

为掌握长江口河势总体变化情况，每3~5 a在洪季安排1次长江口水域的地形测量，测量范围为徐六泾以下各汊道至口外10 m等深线附近。对整治工程上游河势地形变化较大的南支河段，以及与本工程相邻的南槽河段，每年在洪枯季安排两次地形测量。对工程所在的南港北槽河段，在工程建设期每季度安排1次地形测量，在台风寒潮大浪前后，根据实际情况安排补充地形测量，监测风浪对地形的影响。

根据长江口流场和地形的特点，口内各汊道为往复流控制，地形沿纵向起伏变化较小，沿横断面滩槽水深差异较大，地形测线主要沿着横断面布置。在工程上游的南支和北支河段、北港河段以及南槽中下段的断面间距为2 km；在局部河势变化较大的南北港分流口河段、工程所在的北槽河段及相邻的南槽上口河段，断面间距为1 km；口外河段的断面间距为2~4 km不等。

底质采样点主要布置在深水航道所在的南港及北槽河段，主要布设在航道内及边滩，以掌握底质颗分的变化。

2）整治建筑物周边地形固定断面测量

为掌握整治建筑物工程实施前后整治建筑物周边局部地形的变化情况，在工程开工前、工程实施过程中及工程后，沿着垂直整治建筑物轴线方向，设置一定数量的地形监测断面，持续观测堤侧地形变化和发展情况。固定断面布设的间距和测线长度则主要根据建筑物所在区域的流场条件和底质条件确定。一般在堤头、坝头等冲刷较剧烈的区域，测线的密度和测量的频次会加大。在实践中，若局部冲刷发展较快，危及到堤坝的安全，则短期内会采取断面加密、测量频次增加的方法，必要时安排潜水探摸，确定冲刷发育情况。

在施工期，根据现场需要，在合拢口、堤侧和堤坝头区域布置一定的水文观测点；为监测导堤堤身沉降情况，按一定的密度在导堤丁坝上布设沉降位移观测点，定期进行高程测量。

3）航道地形测量

在疏浚工程基建和维护过程中，为监测航道浚深情况，分析航道疏浚成槽效果和计算航道回淤量等，根据国家的有关测量标准和规定，安排了航道疏浚施工测量和航道考核测量。

航道疏浚施工测量每周1次，根据测量结果适时调整疏浚施工船舶位置，指导疏浚施工；航道考核测量按照国家规定，一般洪季（5—10月）每月安排2次，枯季（11—4月）每月安排1次，测量成果主要用于航道通航管理。

4）主要汊道分流分沙比水文测验

为掌握河口主要汊道特别是工程所在的北槽的分流分沙比变化，在南北港、南北槽等主要汊道安排了本项观测，测量站点及断面布置见图1。测验内容包括：固定垂线水文测验、ADCP断面测验和动船取沙垂线测验。固定垂线主要监测分层（6层）的流速、流向、悬移质含沙量、含盐度、悬移质颗分及底质颗分；ADCP断面主要监测断面流速、流向；动船取沙垂线主要采集悬移质水样，计算分层含沙量。整个测验需在一个全潮（约28 h）内完成。

根据长江口洪枯季水沙条件差异较大的特点，南北港断面的分流分沙比每年洪枯季各安排1次测验，位于工程建设区域的南北槽分流分沙比断面每季度安排1次测验，进入维护期后调整为洪枯季各1次。

图1 长江口固定垂线测点、分流比断面、潮位站和固定断面测量布置图Fig.1 Layout of the fixed vertical point，the split ratio section，the tide level station and the fixed section at the Yangtze estuary

5）主要汊道流场及水文泥沙测验

为掌握长江口各汊道的动力泥沙条件的总体变化情况，主要在徐六泾至口门10 m等深线以内的主要汊道内布设一些固定垂线观测点和ADCP走航断面进行观测。测验时间主要安排在洪枯季的大潮期间。

为重点掌握南港北槽整治段的水文泥沙变化，南港北槽段每年安排1次洪枯季水文测验；为分析水文泥沙条件随大、中、小潮的变化，安排一定次数的固定垂线大、中、小潮水文泥沙测验；为分析南港北槽整治段工程实施前后断面流速分布及变化，安排了一定断面开展ADCP断面流速测验。

6）近底水文泥沙测验

传统的水文泥沙测验方法无法掌握河床近底处的水文泥沙变化情况，而近底水沙的变化对航道回淤的影响最大。为此，在工程建设和维护阶段，逐步开发和安排了近底水沙观测，获得了近底1.5 m内垂线测点的含沙量、含盐度和水温等资料以及垂线流速分布资料，为分析近底的水沙输移特征提供了基础资料。近底水文泥沙测验一般施测整个大、中、小潮完整过程。

7）断面水沙通量观测

为分析北槽上下口及南北导堤输水输沙对北槽水沙交换及航道回淤的影响，在北槽上下口断面布设ADCP测流断面，结合断面上的动船垂线水质取样，整编出断面输水输沙量；在南、北导堤堤顶布设一定数量的水沙观测点，分析各处的水沙输移过程。每次测验涵盖大、中和小潮过程，为分析北槽泥沙来源积累基础资料。

8）南港北槽航道浮泥观测

在本工程建设和维护过程中，多次发生台风寒潮过后的航道骤淤浮泥骤淤现象，为研究南港北槽浮泥运移消亡过程，掌握浮泥的运移变化，多次安排了大风浪后的浮泥观测。利用引进的Silas浮泥观测系统，监测浮泥的时空分布和垂向密度分布等。为风浪后的航道维护疏浚提供指导，并为今后浮泥适航水深应用研究积累基础资料。

3 主要观测技术开发和应用

根据工程建设和维护的观测研究需要，开发、引进和使用了一批新型观测仪器，开发和集成了部分新型的观测技术，获得了大量的宝贵资料。主要开发和应用的技术有：

1）无验潮测深技术的开发

由于本工程建立了GPS控制网，大范围工程区平面定位精度得到了保障；建立了高程异常网，使得同步高程测量可采用GPS技术实现。从而，整治建筑物工程的1954北京坐标和吴淞高程三维坐标均可利用GPS测定。在此基础上，本工程创造性地提出并实现了采用GPS与测深仪结合的不测定水面高程（即潮位）的无验潮水深测量[2]。

无验潮测量彻底改变了以水面高程为基准的传统水深测量方法，抛弃了传统测深作业中大量且繁琐的潮位改正作业，从而也避免了验潮误差、测点与潮位站水面高差、逐点测深与验潮时刻的不完全同步带来的误差等一系列对测深精度的影响。

开发无验潮测深系统时，还通过软件处理解决了GPS数据与测深数据同步采集的技术难题，论证了在测深仪能确保收到回波信号的可作业海况条件下，浪流对测量精度的影响可控制在平面22.2 cm、高程5.1 cm，满足我国现行测量规范的要求。

2）集成开发了近底水沙观测系统

为分析和掌握近底水体的水沙输移过程，开发了坐底三脚架观测系统[3]，集成了各种测流、测沙、测盐、水位和波浪的监测仪器（图2），采用自容式观测，获取了测验处垂线上不同高程的水沙盐等要素的连续变化资料，并避免了常规水文测验常因风浪影响而无法作业的影响[2]。该观测系统还可广泛应用于浅滩的水文泥沙观测，为观测南北导堤堤顶的水沙输移情况，还开发了小型三脚架观测系统。

图2 坐底三角架观测系统示意图Fig.2 Sketch of the bottom resting tripod observing system

3）建成长江口水文、泥沙、波浪自动监测系统

为获得连续、系统的现场水文泥沙监测资料，为深水航道工程建设、维护以及长江口的综合治理研究服务，本工程建成了一套水文、泥沙、波浪自动监测系统，系统结构见图3。

图3 现场监测系统结构示意图Fig.3 Sketch of the field monitoring system structure

该系统由徐六泾断面流量、输沙率观测系统和横沙以下水文泥沙波浪自动监测系统组成。徐六泾站包括1个平台测站和4个浮标测站，横沙以下站包括3个平台测站、7个浮标测站系统组成。各测站分别配备了潮位接收机、波浪接收机、ADP（或ADCP）流速剖面仪、OBS-3浊度计、数据采集装置、VHF数字电台、电源系统等，能够对长江口水域徐六泾断面流量和输沙率以及北槽和南槽7个点的水流、泥沙、波浪等数据进行实时监测，自动存储，无线传输。为国内水运工程中第一套大型水文、泥沙监测系统。

在本系统建设前，大通水文站是长江入海前的最后一个输水输沙量观测控制站，但大通站距长江口徐六泾断面约为515 km，其间有多条支流汇入，两岸引排水密布，大通站的水沙资料不足以代表进入长江口的来水来沙条件。徐六泾断面利用5条观测垂线的流速和含沙量观测资料，通过大量的研究计算和现场不同观测方法的比对，研究出多垂线流量和输沙率与断面流量和输沙率的关系[4]，获得徐六泾断面逐时连续的断面水沙观测资料，为长江口综合治理研究提供了宝贵的基础资料。

4 结语

根据前述观测制度和观测技术，在长江口深水航道治理工程的建设和维护过程中安排了大量的连续观测，获得了大批宝贵的基础资料，为本工程实施动态管理提供了基础条件，在此基础上开展了大量的科学研究，保障了工程的顺利建成和12.5 m深水航道的良好维护。

本工程中确定的观测原则、观测内容、观测方法和开发的观测技术在我国后续的一些大型水运工程中得到推广应用，提升了行业技术水平。

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