广东沿海海洋流速测量实验案例研究

温志坚　何志敏

摘 要：本文以在广东沿海投放新型网箱为工程背景，探讨了基于点式多普勒流速仪对近海海域流速进行测量的技术流程和方法，论文详细阐述了设备的安装方式和实验方法，进而对实验结果进行了分析，在此基础上，提出了实际业务中应当注意的四个方面的问题，包括温度问题、防水问题、仪器问题和生物附着的影响等。

关键词：沿海 温度 防水 仪器

中图分类号：P332 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（c）-0179-02

为了了解新型网箱拟投放南海海域的流速情况，2017年4～5月，项目组使用点式多普勒流速仪对新型网箱拟投放广东沿海深水网箱养殖海域流速进行长时间测量。

1 材料与方法

1.1 实验设备

流速采用挪威NortekSA公司推出的Vectiron小威龙三维点式多普勒流速仪（Nortek VectrinoVelcimeter）进行测量。它采用声学多普勒测量原理，是凭借声波在流动液体中的多普勒频移来测量流速，探头尺寸较小，大大减少了探头自身造成的阻流扰。仪器无活动部件，無摩擦和滞后现象，测量感应时间快，测量数据精度高，与计算机连接可连续记录流速数据。Vectirno由两个基本组件构成：传感器和探头内部的处理卡，40cm长的杆式4臂平视传感器（平视固定测杆探头）配12针插入式水密接头和10m长的电缆通过USB至RS232转接器与电脑流速仪自带软件Vectirno V2.0相连，用于参数仪器设定、文件命名、监控和记录流速随时间的变化。相关参数如表1所示。

1.2 设备安装

流速仪测量需要两方面的准备：一方面是海上实验用的电源，另一方面是配套用可拆卸式固定支架。

1.2.1 海上实验用电源

电源方面由于流速仪本身功率仅为2.5W，记录实验数据的笔记本通过设置显示器在记录时自动关闭，运行功率估计为50～80W。实验要求一次充电后整个系统能够工作时间不少于24h，所以整个系统的电源需求是小功率长时间不间断供电，根据不同品牌蓄电池的放电电流和放电时间，结合实验要求最终选定MT1000S不间断电源和4块山特100AH蓄电池搭配使用，保证了系统的正常运行，在实验中发现电源的工作时间可以超过48h，在海况较差，不能及时取回蓄电池充电的情况下很好的保证了数据的连续性。

1.2.2 海上实验配套用可拆却式固定支架

实验是在网箱养殖区（网箱网衣未放下，不会对流速有很大影响）进行，实验要求测量水下4m的流速情况，需要固定支架一方面固定在现有网箱框架上，另一方面稳定地固定流速仪探头，所以固定支架设计为角尺状，固定在网箱框架上的长度为3m，考虑到运输方便把整个框架设计为2部分，2部分长均为1.5m。第二部分附带角尺拐角部分，垂直向下0.3m。由于网箱框架高1.lm，流速仪测杆长出固定支架0.4m，垂直部分高4.7m，设计为3部分，长分别为1.5m、1.5m、1.4m。

在材料选择上最初计划使用316L角钢，由于成本较高、安装不便，另一方面实验并非常年进行，最后选择镀锌钢板（宽，厚）进行加工。连接处考虑到保持固定支架的强度、防锈以及安装的方便，采用了矩齿形咬合，镀锌铁丝固定的方法。为了防止由于竖臂抖动造成的流速测量的不稳，在固定支架的竖臂上加了一根长约4m、直径5cm的镀锌钢管进行了加固。

1.3 实验方法

在到达新型网箱拟投放目标海域后，安装固定支架，并牢固固定加固钢管，通过指南针（Coleman，814C630T）测量固定支架的指向。在固定流速仪的时候注意使得流速仪的X轴指向，在安装完毕后可以确定流速仪测量流速数据的X轴指向为北偏西30°。布置好蓄电池、USP以及记录电脑，并将USP与记录电脑放置在物流箱中，并且注意使用防震泡沫包装布仔细裹住连接线在物流箱外沿部位，尽量减少实验过程中连接线的磨损。

采样率方面本次测量采用的是仪器的最佳采样率（200Hz）。这虽然给后期的处理造成了一定的困难，但也最大程度上保证了数据采样的质量，为今后对波浪动力学、边界层的水流研究、紊流研究、波浪和水流联合监测研究等方面保存了更好的研究样本。

现有流速仪测量潮流和常流，要准确的测量，就必须抑制干扰这两种运动的“噪声”即海水湍流与海浪的影响，选择好观测时间的持续时间长短，实际上就是用“时间滤波器”将“噪声”滤掉。

海洋中的水体运动可以分为三类：规律性的大尺度运动，可以独立描述；极其无规则的小尺度涡旋运动，必须予以统计描述；各类运动（波浪、潮流），他们都具有某些周期性。

海流的观测结果要求其脉动“累加”平均值等于零，这就要求对一定时间间隔求平均值（函数时间平滑），由于海洋科表征为各种尺度运动都包括的宽频谱，所以很难说什么样的平滑尺度都满足，但是如果平均周期取得不够大，则平均值是不稳定的，每次测量的平均值都会显著不同。一般来说从噪声的产生来看，近海区短频噪声主要是来自热噪声和波浪噪声，热噪声时间尺度一般在10s左右，波浪噪声周期在大洋中不超过30s，在浅海中很少超过10s。本次试验中采用的平均周期长为10min，针对流速较大的时间段，进行30s的再次分析从理论上讲，30s的积分时间是完全可以消除这些噪声的。

2 结果与分析

从测量的结果来看，流速呈显著的周期性变化。测量海域为正规半日潮汐。在出现高潮的前后3～4h内流速最大，一般在1.2～1.6m/s左右，而后流速迅速减小到0.2m/s左右，在低潮到来的时候，流速会有一个小幅度的上升到0.5m/s左右，在低潮过后又略下降，直到新的高潮到来。

关于流速的方向，高潮和退潮时流向一般是南向，有时略偏西，唯一的例外是在涨潮接近高潮时，流向为东北方向。

在试验中还对不同深度的流速变化进行初步测量，结果显示表层水流较低l～2m水深水流较表层水流大0.05m/s，2.5～4m水深水流较l～2m处的流速又大0.05m/s。不过由于本次测量采用的是多普勒点式流速仪进行，所以对不同水深的流速情况只能通过上下移动流速仪的方法进行。由于不是对所有水层进行同时测量，所以不能得到很好的数据质量。

3 发现的问题

3.1 温度问题

在本次调查中使用的是蓄电池与UPS结合为整个系统供电，但是在密封的環境中容易造成整个系统过热而停止工作，所以在以后的调查中必须结合天气与当时的环境做好透气和降温的准备。

另一方面海上条件恶劣，最初尝试在记录系统上覆盖帆布，但是这种做法没有有效地消除下雨和海浪的影响，导致记录电脑出现故障。后期采用在记录系统上覆盖较大的物流箱，较好的解决了防水的问题，但是这样做的缺点是导致整个系统的通风不良，UPS和记录电脑在运行时又会不停地散发出热量，在日照比较强烈的中午由于过热而导致系统停机，不过由于测量时间在气温较为适宜的四、五月份，所以这个问题并不十分突出。

3.2 防水问题

在本次调查中最初采取的是在储物箱上覆盖帆布进行防水，实践证明效果非常差，渗入储物箱的水使得电脑停机并产生了一定的损害，在维修后才继续工作。后期使用两个储物箱进行密封解决了这个问题，但是一方面散热的问题还是有所影响，另一方面读取数据与蓄电池更换时还是无法确保完全不受影响，所以应当使用尺寸合适的防水散热箱。

3.3 仪器问题

Vectrion小威龙点式流速仪只能测量一点的流速，而且没有内置罗经、倾斜仪，可以考虑在以后的调查中使用功能更强大的流速测量仪器。信号采样方面由于本次测量采用的是多普勒点式流速仪进行，所以只能对水下4m的一个点进行长时间的观测。测量中需要每天乘浮筏或者小艇到测量平台上读取记录数据、更换蓄电池，从安全方面考虑，只能选择白天乘坐。另一方面浮筏或者小艇的存放码头只有在高潮左右时间段才能安全出行，而且大风天气特别是南风天气也不能出行，在一定程度上对测量的连续性造成了影响。

3.4 生物附着的影响

在一个月测量结束取回杆式平视传感器时，已经发现杆体表面已经有一定的生物附着，如果测量时间更长，传感器表面被生物附着之后会对测量结果造成一定的影响，所以在今后的测量中必须定期取出传感器进行清理，以本次实验经验来看，每周清理一次较为合理。

参考文献

[1] 李秀峰.ADCP在长江上游河道中的应用[J].中国水运，2017（4）：40-41.

[2] 蒋建平，段云雁.ADCP流量测验时底跟踪失效的解决方案[J].水利水电快报，2008（S1）：190-195，205.