胡智超，葉建軍，王建華，陳 剛，潘冬子

（1.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310016；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

錢塘江涌潮是天下奇觀，其獨(dú)特的自然和人文景觀和諧結(jié)合，是浙江民眾奮發(fā)精神的象征，是文人騷客華麗篇章的源泉。涌潮是入海河流河口段的一種潮水暴漲現(xiàn)象[1]。地球上大約有450個(gè)河口受到涌潮的影響[2]。涌潮可以分為波狀涌潮和漩滾涌潮，波狀涌潮是一系列平行向前傳播的涌波構(gòu)成的波列，漩滾涌潮則是前鋒陡立向前推進(jìn)的水滾[3]。由于錢塘江河口江道擺動(dòng)頻繁，河岸平面邊界曲折多變，涌潮在傳播過(guò)程中形成變化多端的涌潮潮景。錢塘江涌潮的典型潮景包括一線潮、交叉潮和回頭潮等，見(jiàn)圖1。交叉潮主要發(fā)生在主流分汊水域，如尖山至新倉(cāng)一帶；一線潮主要發(fā)生在順直河段，如八堡至鹽官一帶；回頭潮主要發(fā)生在岸線轉(zhuǎn)折之處，如老鹽倉(cāng)大壩彎曲河段等。

圖1 錢塘江涌潮典型潮景圖

錢塘江涌潮最早的科學(xué)觀測(cè)記錄始于1888年，Moore中校率英國(guó)軍艦“漫步者（Rambler）”號(hào)考察錢塘江，系統(tǒng)觀測(cè)涌潮，并撰寫實(shí)測(cè)報(bào)告，包括水文和地形資料[4]。1906年9月，美國(guó)傳教士Edmunds博士在鹽官鎮(zhèn)海塔近距離觀察涌潮，并從專業(yè)的角度進(jìn)行科學(xué)測(cè)量與記錄[5]。1920年，浚浦局[6]在鹽官附近布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每1 min記錄1次涌潮前后潮位，系統(tǒng)研究涌潮的發(fā)展過(guò)程。1946年10月，錢塘江海塘工程局成立伊始，便組織為期1個(gè)月的沿江潮位系統(tǒng)觀測(cè)，對(duì)錢塘江涌潮和潮汐開始有較全面的了解[7]。新中國(guó)成立后，原浙江省河口海岸研究所測(cè)驗(yàn)隊(duì)進(jìn)行過(guò)多次涌潮觀測(cè)，浙江省錢塘江管理局于1974年開始較為系統(tǒng)的涌潮長(zhǎng)期觀測(cè)，一直堅(jiān)持至今。涌潮觀測(cè)一般在大潮汛期間進(jìn)行，長(zhǎng)期固定的觀測(cè)點(diǎn)位包括新倉(cāng)、西龍頭、鹽官、東西塘等多個(gè)位置（見(jiàn)圖2），觀測(cè)內(nèi)容包括潮頭到達(dá)時(shí)間、潮頭形態(tài)、涌潮高度、潮前低水位等，同時(shí)摘錄水文和氣象資料。2010年以后采用了Mega Eyes網(wǎng)絡(luò)視頻處理技術(shù)，進(jìn)一步提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)精度。浙江省錢塘江管理局于2014年開始錢塘江河口涌潮觀測(cè)站（點(diǎn)）工程建設(shè)，已建成2個(gè)涌潮觀測(cè)站和8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)[8]，為研究涌潮高度、形態(tài)、行進(jìn)速度、潮位過(guò)程、壓力、流速、含沙量、河床沖淤過(guò)程等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但由于技術(shù)設(shè)備條件限制、涌潮強(qiáng)勁觀測(cè)困難等原因，目前對(duì)涌潮觀測(cè)的系統(tǒng)性與準(zhǔn)確性仍然不足，對(duì)錢塘江涌潮特性及其演變規(guī)律缺乏深入的研究。

圖2 涌潮固定觀測(cè)點(diǎn)位圖

調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulation Continuous Wave，F(xiàn)MCW）雷達(dá)是一種通過(guò)對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制來(lái)獲得距離與速度信息的雷達(dá)體制。本文基于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)波技術(shù)，采用鋸齒波線性調(diào)頻方式，結(jié)合高精度的回波反演算法，建立潮位自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)潮河口涌潮長(zhǎng)歷時(shí)的定點(diǎn)測(cè)量，精準(zhǔn)地捕捉涌潮傳播過(guò)程中的水位變化，為涌潮要素的特征提取提供了一種自動(dòng)化檢測(cè)手段，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 基本原理

自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)主要采用雷達(dá)測(cè)波技術(shù)，選用的雷達(dá)水位計(jì)是26 GHz高頻雷達(dá)式水位測(cè)量?jī)x表，具有非接觸（無(wú)磨損，干擾少）、設(shè)備小（便于安裝）、功耗低（耗電少）、波速角小（能量集中）、高信噪比（在波動(dòng)的情況下能獲得更優(yōu)的性能）等特點(diǎn)，天線經(jīng)優(yōu)化處理，新型的快速微處理器可以進(jìn)行更高速率的信號(hào)分析處理，可用于非常復(fù)雜的測(cè)量條件。雷達(dá)水位計(jì)是以時(shí)域反射原理（Time Domain Reflectometry，TDR）為基礎(chǔ)，利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備。雷達(dá)工作時(shí)，發(fā)射機(jī)發(fā)射出頻率在時(shí)間上按鋸齒波律變化的高頻信號(hào)，電磁脈沖以光速傳播，當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，雷達(dá)水位計(jì)的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行耦合，進(jìn)入混頻器。由于信號(hào)是線性變化，在信號(hào)從天線到液面再返回天線后，發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，回波信號(hào)攜帶了液面的距離信息，混頻器的輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓，再對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算得出水面高度。

1.2 數(shù)據(jù)的收集、傳輸和接收

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和接收應(yīng)用的是GPRS(General Packet Radio Service)模塊點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。該系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)裝置、主站服務(wù)器、GPRS通訊模塊和數(shù)據(jù)服務(wù)中心組成。監(jiān)測(cè)裝置主要是利用風(fēng)電、蓄電池供電，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送到主站服務(wù)器。主站服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等，接收并處理監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)了解監(jiān)測(cè)裝置所在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)及潮位數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。GPRS通信模塊是本系統(tǒng)的重要硬件組成部分，用來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置與數(shù)據(jù)服務(wù)中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)服務(wù)中心使用網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)服務(wù)器，運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)管理系統(tǒng)，進(jìn)行GPRS通信模塊的管理，實(shí)時(shí)了解GPRS通信模塊在線狀態(tài)，對(duì)監(jiān)測(cè)裝置及主站服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置及主站服務(wù)器之間透明數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 涌潮測(cè)量系圖

1.3 信號(hào)采集

此觀測(cè)系統(tǒng)常規(guī)觀測(cè)信號(hào)采集頻次為每5 min 1次；在大潮汛期間，涌潮前后1 h內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)頻次為每1 s1次。根據(jù)雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的原理，結(jié)合日常人工觀測(cè)情況和習(xí)慣，此觀測(cè)系統(tǒng)相關(guān)信號(hào)采集規(guī)則如下：日潮6:00（含）—18:00（不含），夜潮18:00（含）—6:00（不含）；大潮汛期：每月農(nóng)歷初一至初五、農(nóng)歷十六至二十；小潮汛期：每月除大潮汛期之外的日期。涌潮的判定：系統(tǒng)只反映涌潮潮頭第1秒漲潮高度大于10 cm的數(shù)據(jù)，10 cm以內(nèi)則認(rèn)為本次無(wú)涌潮，不顯示。

2 觀測(cè)結(jié)果分析

潮形指涌潮的潮頭線在江面上呈現(xiàn)的平面形態(tài)。澉浦至鹽官涌潮傳播過(guò)程見(jiàn)圖4，來(lái)自東海的天文潮逼近嘉紹大橋時(shí)，潮頭沿分汊主流呈現(xiàn)不同方向的2股，1股由東向西，1股由南向北，進(jìn)而在舊倉(cāng)至新倉(cāng)一帶兩潮相碰形成交叉潮；待到南潮撞上北堤，兩潮合二為一，向上游鹽官演進(jìn)。目前在錢塘江海寧段涌潮的潮形豐富，主要包括交叉潮、一線潮和回頭潮等。

圖4 澉浦至鹽官涌潮傳播示意圖

2.1 新倉(cāng)典型潮形的觀測(cè)

對(duì)新倉(cāng)點(diǎn)典型交叉潮潮形的觀測(cè)，選取了2019年7月18日至21日（農(nóng)歷六月十六至十九）日潮的漲潮過(guò)程，見(jiàn)圖5。自動(dòng)觀測(cè)下的潮形均有二次抬升的過(guò)程，且2次開始抬升相隔時(shí)間為1~4 min。造成二次抬升的原因是在新倉(cāng)點(diǎn)南潮和東潮的先后到達(dá)，有時(shí)間差，本項(xiàng)目實(shí)施的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)均測(cè)到了南潮和東潮的到達(dá)時(shí)間和二次抬升過(guò)程，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致。

圖5 新倉(cāng)典型的涌潮水位過(guò)程圖

新倉(cāng)點(diǎn)南潮在迎面碰撞海塘折返后再次到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)，潮流流向轉(zhuǎn)換造成潮位上漲過(guò)程中有一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，見(jiàn)圖5 a），折返潮的情況在潮位過(guò)程線也能比較清楚的反映。受南潮和東潮2股潮交叉位置、涌潮強(qiáng)弱等影響，南潮形成的折返潮情況不盡相同。見(jiàn)圖5 d），2次潮位激增間隔時(shí)間超過(guò)3 min，之間潮位出現(xiàn)明顯波動(dòng)，不符合折返潮情況；該現(xiàn)象可能產(chǎn)生原因解釋如下：南潮是迎面撲向海塘，東潮也幾乎是同時(shí)達(dá)到，在到達(dá)新倉(cāng)站點(diǎn)后引起潮位的激增。從自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)表明：涌潮局部水動(dòng)力過(guò)程受岸線和江道地形控制；潮位激增的時(shí)間均比較短暫，一般不超過(guò)8 s；有南潮時(shí)，潮位存在一定的滯漲時(shí)間，持續(xù)時(shí)間十幾秒；南潮潮頭過(guò)后，后續(xù)增水能量不強(qiáng)，潮位均呈現(xiàn)震蕩逐步下降的過(guò)程；有南潮時(shí)，潮流在潮頭過(guò)后大約10 min后受東潮控制，漲潮過(guò)程呈正常走勢(shì)，逐步遞增至高潮位。

2.2 西龍頭典型潮形的觀測(cè)

對(duì)典型一線潮潮形的監(jiān)測(cè)，截取了西龍頭點(diǎn)2019年7月18日至21日（農(nóng)歷六月十六至十九）日潮的漲潮過(guò)程，見(jiàn)圖6；自動(dòng)觀測(cè)下的潮形突變后均有穩(wěn)步抬升的過(guò)程。涌潮是一種多尺度、強(qiáng)間斷、色散性和耗散性并存的復(fù)雜流動(dòng)，但涌潮前后的水流特性滿足質(zhì)量守恒和動(dòng)量定理[9]，根據(jù)質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程可以得到Belanger水躍方程[10]：

圖6 西龍頭典型的涌潮水位過(guò)程圖

式（1）中：d為水深，m；V為流速，m/s；下標(biāo)1和2分別表示涌潮鋒面的上游側(cè)和下游側(cè)。

式（2）中：Fr為Froude數(shù)；C為涌潮傳播速度，m/s，以落潮流速度方向?yàn)檎?/p>

定義單位時(shí)間內(nèi)潮位的變化量為漲率，對(duì)于破碎涌潮［圖6 a）~6 c）］，涌潮鋒面最大漲率均大于0.1 m/s；對(duì)于波狀涌潮，見(jiàn)圖6 d），沒(méi)有明顯的漲率突然增大的過(guò)程。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，得到破碎涌潮前后共軛水深比d2/d1與Froude數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖7；結(jié)果表明觀測(cè)值與理論值吻合較好，雷達(dá)測(cè)波技術(shù)在涌潮觀測(cè)中具有可靠的精度。

圖7 破碎涌潮前后共軛水深比d2 /d1與Fr數(shù)的關(guān)系圖

2.3 典型站點(diǎn)潮位過(guò)程線比較

大缺口位置（見(jiàn)圖4）涌潮觀測(cè)點(diǎn)采用壓力式水位計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，讀數(shù)為2 s一次，2016年已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證并投入使用。本節(jié)將新倉(cāng)和西龍頭兩處測(cè)量數(shù)據(jù)與同一潮下大缺口測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析。3個(gè)測(cè)站點(diǎn)位置間隔：新倉(cāng)至大缺口4.5 km，大缺口至西龍頭4.4 km，全程共計(jì)8.9 km。2019年5月5日（農(nóng)歷四月初一）3個(gè)測(cè)站點(diǎn)涌潮前后1 h潮位過(guò)程線對(duì)比見(jiàn)圖8。觀測(cè)結(jié)果表明：3個(gè)測(cè)站的潮到時(shí)間分別為新倉(cāng)11:53:34、大缺口12:03:44、西龍頭12:13:35，涌潮行進(jìn)新倉(cāng)至大缺口時(shí)間間隔為10 min 10 s，平均行進(jìn)速度為7.38 m/s；大缺口至西龍頭時(shí)間間隔為9 min 51 s，平均行進(jìn)速度為7.43 m/s，兩者基本相當(dāng)。從圖8可以看出，潮位變化過(guò)程與實(shí)際情況基本一致，潮前低水位從新倉(cāng)至西龍頭逐步抬高；受南潮和東潮影響依次出現(xiàn)了2次快速增水，2次抬升的時(shí)間間隔6~10 min；西龍頭二次增水時(shí)間間隔為6 min 18 s，與該位置岸線縮窄有關(guān)。新倉(cāng)、大缺口和西龍頭處涌潮鋒面的最大漲率分別為0.24 m/s、0.42 m/s和0.39 m/s。測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，3個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)反映的規(guī)律相關(guān)性基本一致，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

圖8 同一潮下沿線測(cè)站潮位過(guò)程線對(duì)比圖（2019年5月5日）

3 結(jié) 論

本文結(jié)合錢塘江典型河段觀測(cè)的結(jié)果，對(duì)雷達(dá)測(cè)波技術(shù)在涌潮觀測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，并分析了具體潮形的測(cè)試結(jié)果，主要結(jié)論如下：

1）錢塘江涌潮的潮形多變；在海寧段代表性的潮形主要是交叉潮、一線潮和回頭潮；涌潮局部水動(dòng)力過(guò)程受岸線和江道地形控制。

2）主流分汊是交叉潮形成的基本條件，交叉潮具有復(fù)雜的水位響應(yīng)特征，呈現(xiàn)典型的二次抬升過(guò)程，水位的變化與兩股涌潮的強(qiáng)度、傳播方向和間隔時(shí)間相關(guān)。

3）雷達(dá)測(cè)波技術(shù)實(shí)現(xiàn)涌潮過(guò)程捕捉的自動(dòng)化，有利于涌潮要素的準(zhǔn)確提取，顯著地提高觀測(cè)精度，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。