基于实际工程对验潮井进水孔尺寸的探讨

赵严

摘 要：本文以辽宁省某沿岸观测点水利工程设计所建三处验潮井实测资料为基础，通过对实测数据的分析整理，进行探讨验潮井进水孔尺寸对其性能的影响，主要通过多个建设场所、多个验潮井进水孔尺寸的构建，以期找到适合环渤海地区海洋环境的进水孔设计方案，提高验潮井的随潮性、滤波性性能，保证其测量精准度。

关键词：验潮井 进水孔 滤波性 随潮性

1.引言

潮汐现象是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动，潮汐是所有海洋现象中较先引起人们注意的海水运动现象，它与人类的关系非常密切。海港工程，航运交通，渔、盐、水产业，近海环境研究与污染治理等，都与潮汐现象密切相关。尤其是这种永不休止的海面铅直涨落运动蕴藏着极为巨大的能量，因此，精准的潮汐测量对于实际生产、生活具有重要意义。

验潮井是现行较为普遍的测量潮汐的固定设施，具有长期、定点、可靠等特点，其消浪性、随潮性、滤波性是衡量验潮井性能的重要指标，对于整个验潮井来说，它性能的优劣主要取决于进水孔尺寸的设定，进水孔尺寸设计的过小，滤波性能会得以增强，但是也因此会过滤掉一些必要波动，致使潮汐自记曲线过于光滑，潮时出现滞后现象，造成同一时刻井内外的潮位差，影响观测资料的可信程度，反之，如果进水孔尺寸过大，则滤波性能得不到保证，自记曲线出现带状痕迹，不利于整个观测资料的整理，同时，也在一定程度上，降低了观测资料的质量。

2.驗潮井的误差源分析

为了更好的完善验潮井的性能，提高观测资料的可信程度，找到适合的进水孔设计方案，对误差源做细致分析是不可避免的，根据工程实际经验以及对过去资料的整理，验潮井的误差源主要可归结为以下三种。

2.1来自于站位附近的流的影响

海水经过验潮井时，易受到验潮井自身或其相关结构阻碍，形成阻碍场，这种阻碍场与井内的水位压力相通，正常情况下，验潮井与海底地形及海面其他现象无关，作用效果应为雷诺数Re的响应曲线，故，井内的水位永远存在一种“液面下降的误差”现象。其响应的大小很重要，其形式为非线性的。

2.2来自海面波的影响

建设验潮井的目的是为了较为准确、长期、安全的测量潮汐资料，减少观测时波浪对观测结果的影响，但是，就实际情况而言，验潮井的结构形式容易受到井内和流出井外的不均匀的波的影响，从而出现非线性相关，所以，在波浪存在的情况下，就出现了验潮井“液面下降的误差”现象。虽然可以通过进水口和验潮井直径的关系计算出波浪的衰减和相位滞后，也只能在一定程度上减弱海面波对验潮井的误差影响。 2.3局部密度变化所造成的影响

为港口服务的验潮井场位于河口，因潮汐的涨落使这里的海水密度发生很大的变化。在这种情况下，低潮位时影响验潮井内水的特征可能是受大陆淡水低密的影响，高潮位时可能使开阔的海洋的高盐度海水渗入验潮井底部，因此，井内仍有与井外密度较低的水。在接近高潮位时，验潮井周围的水的密度比原密度高。

3.理论依据

根据流体静力学原理，单位时间内流入或流出进水孔的流量为：

Q=μvs1

式中，Q为流量；

S1为进水孔截面；

v为进水孔流速；

μ为流量系数

涨（落）潮期间，井外潮位高（低）于井内，其差值用△h表示。因海流对进水孔流入或流出水量的贡献不大，因此，进水孔的流速仅是由井内外水位差的势能转换为动能所提供的。即：

在dt时间内，流入（出）进水孔的流量Qdt，同时，设dt内井内水位变化了dt，将两式合并便有：

上式中，S2为井筒截面积，dh/dt是潮位变化率，他是个随时间变化的变量，通常在接近高、低潮时刻绝对值较小，而在半潮期绝对值较大。为了确保验潮井水流畅，避免堵塞造成井内潮位的滞后，dh/dt应取最大涨落率。

按验潮观测的业务要求，井内外潮位差不得大于1cm，因此上式中△h=1cm；当井壁不太厚时，流量系数μ≈1，则有：

4.试验过程及数据分析

见表1，表2，表3。

5.结论

（1）通过对本设计中验潮井验潮性能的观察，可以认为环渤海地区验潮井进水孔内径2.5cm较为适宜，可作为该地区其他项目的参考。

（2）验潮井设计时应充分考虑安装地点的地形、水深、海浪、潮汐、海流状况等因素。

（3）设有输水管的验潮井，只要在进入测井一端的输水管口径大小考虑适当，仍然可以达到消浪目的。

（4）设计时既要进行公式的反复推算，使之符合规范要求，有要根据本海区实际情况，在进水孔、井的高度等方面留有余地。

参考文献：

[1]王炜东，刘若晗，马昕，等.研究验潮井进水孔设计的试验模拟[J].第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水动力学研讨会文集.

[2]颜国泰.介绍验潮井进水孔改进的一种方法[J].海洋技术，1991年9月第十卷第3期.

[3]吴依林，颜国泰.验潮井进水孔的设计.海洋技术，1989年6月第8卷第2期.

[4]宋升锋，侯继灵，郑培宁，等.岚山海洋观测站验潮、温盐井的设计建设.海岸工程，2009年12月第28卷第4期.