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秦皇岛市潮水位站工程设计要点及监测成果分析

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摘要：潮水位监测工作对于保障居民生命财产安全极为重要。本文以秦皇岛市潮水位站新建工程为例，介绍了该地区的水文地质条件，为水文站建设提供一定参考，并通过潮水位站结构设计，比选确定了智能浮子式水位计作为入选方案。同时，结合其他水文站的监测成果，测得秦皇岛海域平均高潮位约为1.25 m;潮差在日潮区平均最小、半日潮区最大，且该区域潮流属于正规半日潮流。

关键词：潮位站;结构设计;浮子式水位计;监测

中图分类号：TV698.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）13-0076-04

Analysis of Design Key Points and Monitoring Results of

Qinhuangdao Tidal Water Level Station Project

YANG Lei

（Qinhuangdao Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Qinhuangdao Hebei 066000）

Abstract： The monitoring of tidal level is very important for the safety of life and property of residents. Taking Qinhuangdao tidal water level station as an example， this paper introduced the hydrogeological conditions of the area， which provided some reference for the construction of the hydrological station. Through the structural design of the tidal water level station， the intelligent float type water level meter was selected as the selected scheme. At the same time， combined with the monitoring results of other hydrological stations， the average high tide level of Qinhuangdao sea area was about 1.25 m; the average tidal range was the smallest in the diurnal tide area and the largest in the semidiurnal tide area， and the tide in this area belonged to the regular semidiurnal tide.

Keywords： tide station;structural design;float type water level gauge;monitoring

潮水位简称“潮位”，是受潮汐影响而有涨落变化的水位。潮水位对于沿江、沿海城市的防洪、水路通航等具有重要影响，因此我国很多城市都建有潮水位站，用于监测潮水位变化，以给水利、交通提供数据参考。但是，由于很多潮水位站年久失修，且技术手段落后，已经无法满足当前需要，因此建设和更新潮水位站是目前沿江、沿海城市的当务之急。

1 区域概况

秦皇岛市是我国环渤海经济带上重要的一环，其中秦皇岛港是世界第一大能源输出港，有国民经济“晴雨表”之称。该市现有人口313.42万人，作为国家级旅游海滨城市，建立完善的洪水预报系统具有重要意义。目前，秦皇岛市共有潮位站3处，分别位于山海关区沟渠寨村、海港区港务局院内和戴河口，隶属于国家海洋局。由于当前缺少感潮河段潮水位监测站点，因此无法实现沿海地区感潮河段水循环过程的动态监测[1]。为此相关部门在2017年3月份设计新建5处潮水文站，具体如表1所示。

2 秦皇岛地区水文、地质条件分析

2.1 气象与水文条件

秦皇岛市地处暖温带半湿润气候区，属于温带季风气候。因受海洋影响较大，气候比较温和，春季少雨干燥，夏季温热无酷暑，秋季凉爽多晴天，冬季漫长无严寒。辖区内地势多变，但气候影响不大。多年平均降水量645 mm。

秦皇岛海区地处渤海西部，辽东湾两翼，海岸线东起山海关金丝河口，西止昌黎县滦河口，总长162.7 km。所辖海区15 m等深线海域面积1 000 km2。

2.2 地质条件

秦皇岛地区北倚燕山，南临渤海，东越长城与辽宁省绥中县毗邻，地势北高南低，北部为燕山山脉东段，南部为华北平原北端的滨海冲积平原。走势为西北高东南低，由山地、丘陵、平原、滨浅海四个地带组成，北部和西北部的局部为低山区，低山区以东、以南为丘陵地区，山体海拔高度在500 m以下，并且多孤山，少线性山脊。

秦皇岛所处大地构造位置为华北地台的东北一隅，Ⅱ级构造单元，以奔城斷裂为界，北部为燕山沉降带，东南部为华北坳陷带;Ⅲ级构造单元，北部为山海关隆起，东南部为渤海中部隆起。出露地层有太古界片麻岩、元古界寒武奥陶系灰岩、燕山期花岗岩及新生界第四系松散岩类沉积物，底层缺失严重。

3 潮水位站工程设计要点

3.1 潮水位监测站结构设计

3.1.1 基本建设标准。以位于海港区的潮水位中心站为例，分析监测站的结构设计。该潮水位站位于阳光海岸附近，区域地质条件良好。水工建筑为验潮房、验潮井，建筑结构安全等级为二级，抗震烈度为7度[2]。结合其他水文站多年观测资料，该潮水位中心站设计高水位3.5 m，设计低水位0.28 m，极端高水位4.35 m，极端低水位-0.45 m。

3.1.2 具体建设方案。根据技术人员现场勘查，将本中心站位置确定在阳关海岸东部一处礁石浅滩处。基础为C30钢筋砼桩台，尺寸为5.0 m×4.0 m，总面积为20 m2。为保证中心站结构的稳定性，采用冲孔灌注桩对桩台地基进行加强处理，共设计5根冲孔灌注桩，呈梅花形布置在地基上，直径为600 mm（见图1），深度要求达到强风化基岩层（10～15 m）[3]。

桩台上部为验潮房，将其设计为直径3.0 m的圆柱形结构，建筑面积为7.10 m2，高度为5.2 m，环壁材质为C30钢筋混凝土。验潮房内部铺设防滑白色地砖。为方便屋顶检查，设计一道304不锈钢爬梯，接闪杆位于顶部。在室内安设一桌子放置于验潮井上部，用于安设水文、气象设备，要求桌面必须平稳、坚固，尺寸无严格要求，满足观测人员正常作业要求即可[4]。

验潮井位于桩台下部，内径为715 mm，长度为7.5 m，容积为316 L，由20 mmUPE管和10 mm厚不锈钢螺旋管组成，管壁总厚度为30 mm。为保证结构牢固，验潮井平均分为5段，由法兰盘连接。顶部高出地面0.2 m，采用实木板覆盖。此外，为避免验潮井被水流冲击晃动，利用不锈钢钢板将井筒抱箍焊接，并固定在桩台基础的4根冲孔灌注桩护筒壁上。验潮井消波器共分为3级，其中第3级设计在最低潮面之下1.0 m处位置。进水孔设计在开挖基岩面以上0.5 m处位置[5]。

3.2 水位观测仪方案比选分析

3.2.1 水位计种类方案比选。目前，市场上常见的水位计包括浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计、雷达水位计等4种，各种水位计特点及使用注意事项如表2所示。由于本项目为长期潮水位站，因此确定选择浮子式水位计作为观测装置[6]。

3.2.2 浮子式水位计结构。本项目应用的是智能浮子式水位计。与传统机械式水位计相比，该水位计记录数据更加准确，工作更加可靠，其测量控制电路框架如图2所示[7]。

智能浮子式水位计系统主要结构包括量筒、浮子传感器、处理器、控制电路等。其中，量筒尺寸为长×宽×高=10 cm×10 cm×150 cm，不锈钢材质;浮子传感器外壳尺寸为长×宽×高=9 cm×9 cm×15 cm，也为不锈钢材质。智能浮子式水位计结构如图3所示。

智能浮子式水位计可将粗略测量和精细测量相结合，实际水位[见式（1）]根据实际使用场景有所不同。目前，智能浮子式水位计可以通过设置来测量不同的量程及分辨度，在市场上广受好评。

L=H-h

3.2.3 精度试验结果分析。本项目对水位计的精度要求如表3所示，而本项目所选取的智能浮子式水位计精度试验结果如表4所示（分辨度为1.0 cm）。结合两表数据可知：本项目所选的水位计精度完全符合要求。

3.3 新建潮水位站监测成果分析

秦皇岛市新建潮水位站项目于2017年底全部投入试运行，监测附近海域潮汐波浪和海流特征。在此，结合其他秦皇岛水域的潮水位站所收集的潮汐资料，初步得出秦皇岛地区潮汐、波浪及海流特征，具体成果如下。

3.3.1 潮汐监测成果

3.3.1.1 潮位监测结果。秦皇岛市位于渤海腹地，地形较为复杂，受多重自然环境影响，所以附近海域潮汐变化多端。根据测定的数据可得：秦皇岛海域日分潮/半日分潮=4.75，根据潮汐性质分类标准属于正规全日潮。

平均潮水位在7—8月份达到最大值，1—2月份处于最低值，年变化幅度为0.55 m。究其原因：夏季温度高，气压低，且降水量大，造成水位偏高;而冬季正好相反，造成水位偏低。通过测定的数值可知：秦皇岛海域平均高潮位约为1.25 m，平均低潮位约为0.50 m，平均海平面为0.88 m。

3.3.1.2 潮差监测结果。根据监测结果分析：秦皇岛海域平均潮差约为0.75 m，相对较弱，具体变化曲线如图4所示。

由图4可知：平均潮差曲线呈现“双峰双谷”，其中6—7月份、12—1月份为两个双峰，分别达到0.9 m和0.7 m;3—4月份、10月份出现两个双谷，分别为0.5 m、0.47 m。影响平均潮差的主要因素有太阳、月亮、地球相对位置。由此总结规律为在日潮区平均潮差最小、半日潮区最大。

3.3.2 潮流监测数值。通过对波浪高度进行统计可知，秦皇岛海域平均波浪高度为0.55 m左右，其中8、9月份最大，有时可达3.2 m。统计波高频率天数，其中大于1.5 m的频率为1%;介于0.5～1.5 m的频率为51%;大于1.5 m的频率为48%。其中以风浪为主，涌浪为次。

为分析秦皇岛地区潮流性质，在此计算各测站的表层数值S，公式见式（2）[8]，结果如表5所示。从表5可知：除了海港区中心站的S值大于0.5外，其余监测站均在0.5以下，表明该区域潮流属于正規半日潮流。

式中：[WO]表示O分潮流振幅;[WK]表示K分潮流振幅;[WM]表示M分潮流振幅。

4 结语

潮水位站建设对秦皇岛这一沿海城市来说意义重大，可为地区防洪、海洋开发等提供相关数据。本项目潮水位站建设投入使用后，大大完善了秦皇岛地区的潮位观测系统，相关部门也对某些地区防洪措施进行了改善，有效降低了该市雨季的洪水灾害所造成的损失，同时将相关信息及时发布给各船舶公司，可有效避免船只搁浅。

参考文献：

[1]王娟，付朝武.滨州市沿海防潮大堤高程和警戒潮水位分析探讨[J].山东水利，2009（6）：29-30.

[2]曹双，胡纲，罗红雨.近期南京潮水位站高流量级下水位流量特性研究[J].人民长江，2017（21）：46-49，79.

[3]王先甲，操建峰.布吉河流域防洪调度的潮水补偿研究[J].中国农村水利水电，2005（8）：40-43.

[4]陆文秀，李亮.赤湾站潮位与茅洲河沙井河口断面水位关系分析[J].水利技术监督，2019（4）：251-255.

[5]朱庆云，王文辉，谢海文，等.长江南京潮水位站近百年高潮位变化特征及成因分析[J].水文，2016（1）：92-96.

[6]卢军民，李建委，王家文，等.高平潮水位传递在远岸水深测量中的探讨及精度分析[J].水运工程，2010（8）：30-35.

[7]张青山，刘智力，鲍志伟，等.鸭绿江感潮河段洪水预报模型的修正[J].辽东学院学报：自然科学版，2012（2）：94-97.

[8]吴小芳，胡月明，徐智勇，等.基于GIS的水文信息系统的设计与实现[J].水文，2017（4）：71-74.

收稿日期：2020-04-08

作者简介：杨蕾（1992—），女，本科，助理工程师，研究方向：水文水资源。

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