《潮位观测》PPT课件.ppt

9.1 基本概念9.2 测站设置9.3 水准联测9.4 水尺观测潮位9.5 浮洞式水位仪9.6其它验潮仪9.7 验潮井的设置,潮位变化包括在天体引潮力作用下发生的周期性的垂直涨落，以及风、气压、大陆径流等因子所引起的非周期变化。故潮位站观测到的水位是以上各种变化的综合结果。,潮位定义：,潮高观测以厘米(cm)为单位，取整数，潮时观测精确到1分钟(min)。,水体的自由水面距离固定基面的高度统称为水位。海洋中的水位又称潮位。,潮位预报是海洋保障的重要要素。沿岸潮位变化直接关系到船舶的进出港口、海洋和海岸工程设计、海军的水雷布设深度、风暴潮汐预报、海涂围垦、潮汐发电等方面。确定平均海平面和深度基准面、潮汐表制作、风暴潮预报、海上作战指挥、海底电缆的敷设、地震预报等都需要潮位资料。,1 潮位观测的基本概念,9.1.1 潮位变化的一般规律潮汐的涨落现象是以一定的时间周期重复出现的。高潮位：低潮位：涨潮：平潮位：落潮：停潮：潮高：高高潮高：低高潮高：低低潮高：高低潮高：涨潮时：落潮时：潮周期：涨潮潮差：落潮潮差：周期潮差：,验潮站站址选择,由于潮汐的变化与地球与月球的运动有关，又与当地的地形、地貌有关，所以潮位站的选址应遵循以下原则：1、潮位站的潮汐情况应具有本海区代表性，这是主要条件。2、风浪较小，往来船只较少的位置，不仅可以提高观测准确度还可避免水尺被刮到，如有岛屿应选在背风面。,验潮站站址选择,3、选择海滩坡度较大的位置，这样便于水尺安防，使水尺位置便于由岸上进行观测，如果海滩坡度度很小，海水在滩涂涨落距离很远，为了观测潮位的升降，就需要设立十几根水尺，甚至数十根水尺才能进行潮汐观测。这样很不万便。4、尽量利用码头、栈桥、防波提等进行观测，避开冲刷、崩塌、淤积的海岸。,9.1.3 海平面和基准面1、海平面,海平面是测量陆地上人工建筑物和自然物高程的一个起算面。海平面基面又叫绝对基面，此外还有其他基准面，例如，确定海图的水深有海图深度基准面，通常是在最低低潮面附近，海图上标的水深就是从这个面向下算起的，但这个基面归根结底仍是以海平面作为标准确定下来的。,解放前，我国没有一具统一高程起算的零点。自从1957年起，我国才统一规定青岛验潮站的多年的平均海平面作为全国高程系统的基准面。喜马拉雅山的珠穆朗玛峰为海拔8848m，就是从黄海平均海平面算起的高度。其他国家也规定他们自己的高程起算面。例如美国以波特兰验潮站的多年平均海面作为基准面；欧洲地区则以阿姆斯特丹的验潮站的多年平均海平面作为高程的基准面。这些区域性的高程起算面，叫做区域性的大地水准参考面。,将某测站测得任意时段的每小时的潮高取其平均值，称为某测站的、在某一段时间的平均海面。平均海平面有日平均海面、月平均海面和年平均海面。每天、每月和每年的平均海面都是变化的。同时不同地点的平均海面也有差异。,2、平均海面及其变化规律,(1)平均海面随时间变化,日平均海面不规则变化：在短期观测资料中，某几天中的平均海面会比其他几天更高或更低些，其原因，除了天体引潮力所引起的大小潮产生日不等现象外，主要是由于天气状况的影响。例如风、气压分布、降水、径流等使得海水在局部地区发生堆积或流失。,2、平均海面及其变化规律,(1)平均海面随时间变化,平均海平面以月、年、多年为周期的变化。在渤海和黄海，最高的日期一般是在9月份，最低一般在2月份，南海一般是在1011月份，最低一般在3-4月份。它与海水温度和季风有关。平均海平面还有以多年为周期的变化规律，主要是由于天文因素有长周期性(9年、19年)的变化。因此，取9年、19年资料计算的平均海平面较为理想。,(2)平均海面随地点变化的情况,各海区长期验潮站的平均海面与青岛平均海面比较结果，渤海比青岛高0-10cm;东海比青岛高出0-20cm。南海比青岛高出2040cm(但也有个别地点低于青岛站)。,各海区的平均海面不一致的原因，是由于各地的地理条件，气象因素，海水密度等不同所造成的。,由于潮位是以海面与固定基面的高程表示的，所以在选定观测站之后，就要确定该测站潮位观测的起算面(简称为测站基面)。水文资料中提到的测站基面有：绝对基面、假定基面、冻结基面、海图深度基准面等。,3、基准面和水准点与各种潮位之间的关系,绝对基面：一般是以某一测站的多年平均海平面作为高程的零点，因此，海平面又叫绝对基面。如青岛零点(基面)、吴淞零点(基面)、大沽零点(基面)、珠江零点(基面)等。若以这类零点作为测站基面，则该测站的水位值就是相对绝对基面的高程。,假定基面：某测站附近没有国家水准点(如海岛或偏僻的地方)，测站的高程无法与国家某一水准点联接时，可自行假定一个测站基面，这种基面称为假定基面。,验潮零点：(水尺零点)是记录潮高的起算面，其上为正值，其下为负值。一般来讲，验潮零点所在的面称为潮高基准面，该面通常相当于当地的最低低潮面。,冻结基面：由于原测站基面的变动，所以以后使用的基面与原测站基面不相同，故原测站基面需要冻结下来，不再使用，即为冻结基面。冻结下来的基面可保持历史资料的连续性。(不是冰冻）,深度基准面：是海图水深的起算面。海图深度基准面一般确定在最低低潮面附近，它与每天低潮面的高度是不同的.若深度基准面定得过高，那么将有许多天的低潮面在深度基准面的下面，这样会出现实际水深小于海图上所标出的水深，会造成船只航行、停泊时发生触礁或搁浅等现象。若深度基准面定得过低，则海图上的水深小于实际水深，使本来可以航行的海区也不敢航行。因此，深度基准面要定得合理，不宜过高或过低。,在确定某测站的平均海平面之后，以它作为起算面，然后，通过测量求出平均海平面与永久水准点的关系，再确定理论最高潮面和实际最高潮面，理论最低潮面和实际最低潮面与平均海平面的关系，最后找出该站本身的水位零点、深度基准面与黄海平均海平面的关系等。,有各式各样的自记水位计。但是，到目前为止，潮位观测仍然需要使用水尺观测。水尺观测方法简单方便，但它不能连续自记，因此多用于在临时观测站进行潮位观测或永久观测站上的自记水位计的潮位校核。自记水位计观测法具有记录连续、完整、节省人力等优点，因而被一般永久性测站所普遍采用。,9.1.4 验潮仪简介,自1831年美国研制成功自记验潮仪以来，世界各国相继研制了不同型式的验潮仪。例如日本的LFT-型浮子式长期自记验潮仪，是日本气象厅、水利部和港湾局等单位使用的主要仪器之一。此外，日本还研制了遥测验潮仪。该装置可以把验潮站的潮位用无线电波传送到接收站，自动进行记录。类似的遥测验潮仪，有美国的STG/100R型验潮仪，苏联的PM-29型遥测验潮仪，荷兰的R、G、M型浮子式遥测验潮仪、韦斯特无线电遥测验潮仪等。我国国家海洋局海洋技术研究所研制的SCA6-1型声学水位计，具有有线和无线传输的特点。,9.2 测站的设置 主要涉及水尺、水准点和验潮井设置。9.2.1 水尺设置及维护 水尺是验潮观测的基本设备，历史悠久，在明清时就已使用，其设立方法按型式分别为直立式、倾斜式、矮桩式和悬臂式四种。,1、直立式水尺：一般由靠桩和水尺板两部分组成。靠桩有木桩、混凝土桩，水尺板由木板、搪瓷板或塑料板做成，宽约10-15cm，厚约5-10cm，白色。直立式水尺的安放根据安放水域的底质采取方法不同。,（1）开放水域安装：底质为泥沙等较软时，将水尺与靠桩固定在一起，然后将靠桩打入水海底0.5-1m。如海底为坚硬岩石或礁石，先将水尺与水泥沉石浇注在一起后放入海中。（2）有依托物的海区：在码头、栈桥、堤坝、平台、灯塔等海上建筑物时，可将水尺按照地形、地势安装在这些建筑物上，注意安放在不易被损坏的地方。(3)对于海滩坡度小且潮差又大的地方：设立两根以上的水尺。,2、倾斜式水尺：在设置直立水尺有困难的地区，自上而下每隔一定距离安放支撑物，在其上安放靠物和水尺，也可直接在岩石或水工建筑物的斜面上涂绘水尺刻度，刻度大小以能代表垂直高度为准。倾斜式水尺的优点是不易被洪水和漂浮物冲毁。,3、短桩式水尺,适用于有严重流冰和漂浮物以及有频繁航运的地方。,由若干根牢固地打入海中的矮木桩组成。短桩群的连线应垂直于海岸线。矮桩露出地面的高度一般为520cm，并用水准仪测出每根短桩顶之间的高度差。观测水位时，可将活动水尺放在每个矮桩顶的圆头钉上。读取铁钉以上水尺的水位，再经过矮桩顶上水尺的之间的换算，即得水位在水尺上的高程。,4、悬臂式水尺,将水尺固定在横木上，绳索绕过滑轮，上端伸向水尺板并装有拉环作为指标，下端吊有重锤(或浮鼓)，直抵水面，安装时应估计最低水位，据此以决定绳索的长度。观测水位时，先把重锤(或浮鼓)放下，当锤和海水表面接确时，再看指标拉环对在水尺板上的读数,此时的读数就是当时的潮位。,水尺设置之后，即可从水尺上读取海面的高度。这个高度是从水尺零点起算的，一旦水尺被撞倒，那么所观测的潮位资料以及由此计算的平均海面、深度基准面便没有依据。为了解决这个问题，需要在岸上设立固定水准点(固定在岩石或水泥桩上)，并求出水尺零点和岸上水准点之间相对高度。由于水准点是长期保存的，即使撤销了水尺，也能够知道水尺零点、平均海面和深度基准面的位置。而且在验潮期间，可以用来经常检查各水尺零点有否变动，即使另设水尺也可以保证前后资料的统一性。,9.2.2 水准点的设置,设置固定水准点之后，应与国家水准网的水准点进行联测。求出水尺零点在国家水准网中的绝对方程，而且需要长期保存。固定水准点应设在测站附近，设置地点要求坚实稳定，潮水不能淹没，不要设置在离铁路、公路太近和土质松软的地方，以及不坚固的建筑物上，以免损坏。,临时校核水准点,（1）墙水准点设置 利用适于放置水准尺的建筑物(码头，防波堤等)凸出部分或岩石上，用油漆作上记号，即成为临时墙水准点。或用铆钉(铁制，头部向上弯曲，尾部呈锯齿状，长度应大于15cm)钉在坚实的墙上或岩石上，并在其头部顶上涂上油漆记号，作为临时墙水准点。(2)木桩水准点的设置:在土层覆盖很厚的地区，可设置木桩作为临时水准点，木桩水准点的顶部做成半菱角形的尺座，尺座上钉以带球形帽的钉作为标点。,短期验潮站只需设立水尺，水准点，对长期验潮站来说，还需要设置验潮井。验潮井是为安装验潮仪而专设的建筑物。验潮井按其建筑结构形式可分岛式和岸式两种。,(1)岛式验潮井,岛式验潮井系由建筑在海面上支架、引桥、仪器室和测井组成。,9.2.3 验潮井的设置及其维护,测井是为了消除海面波动对浮筒的影响而设置的。设置时，可采用钢筋混凝土、铸铁管、钢管、硬质塑料管和玻璃钢等作为井筒材料，内径一般为0.71.0m。不得小于0.5m。为了能观测到极值水位，安装测井时井口应高于历年最高水位1.5m，井底应低于最低水位1.52.0m。测井底部开46个99cm大的进水孔，使测井内外水面变化保持一致。,为了排除波动对水位的影响，测井内必须安设消波器(通常采用漏斗形消波器)。消波器上口安装高度应在历年最低水位以下0.5m处。消波器进水管口径不能过小，也不能过大。其口径过小容易被泥沙或其他杂物堵塞，其口径过大则达不到消波作用，在实际工作中，消波器进水管口径一般与测井的截面积成1/500比例。如测井直径为1m，则按上式计算，消波器进水孔直径为4.5cm。,消波器,仪器室是安装验潮仪记录装置的地方。面积约22m2左右，建筑要求坚固、隔热、通风、防湿。其顶部最好安装排气装置，以保证验潮仪正常运转。仪器室一般建造在测井之上。,引桥是验潮井与陆岸连结的桥。在不能利用现有海工建筑物安装的验潮井，一般需建引桥。建引桥时，桥面高度应高于历史最高潮2m，宽不小于0.7m，其强度应能抗击该地出现的最大波浪。桥面两侧安装坚实的栏杆。,岛式验潮井一般在海岸坡度较缓、而且水深较浅的地方使用。同时在离岸不甚远的陆地上可找到当最高水位时也不被海水淹没的地点。,（2）岸式验潮井,验潮井的测井、仪器室是设计在岸上的，而有连通海面的输水管与测井连接。这样设计的测井，称岸式验潮井。,一般情况下，岸式验潮井井口比岛式验潮井高出0.5m，井底低于岛式验潮井1.01.5m。井径一般为1m，最小不得小于0.8m，并在内壁上安装固定脚蹬。在测井上端高于最高水位1m处，要开一个直径为20cm左右的排气孔，并用管道连通至仪器室外，以排除井内湿气。,输水管是连通井外和井内水体的设备，其内端口应在井底上约1m处，向外海倾斜坡度约百分之五。长度通常以不超过20m为宜。否则将会带来安装和排淤的困难。输水管在外海一端管口高度应低于最低水位1.01.5m，管口应固着在海底之上但不能触及海底，管口端最好安装用法兰盘相连接的向下弯的直角弯口。另外，管口可用网包着以防泥沙堵塞输入管。,验潮仪所测的潮高的准确性是用校对水尺来检验的。通常设立两根校对水尺，在验潮井外的海边设一根水尺(或水尺组)，称为井外水尺，在验潮井内设一根水尺，称为井内水尺。井外水尺的设立方法与上节所讲的设立方法相同，其水尺零点在工作水准点下的距离通过水准测量为已知。井内水尺是以带尺(或测绳)量取高度为已知的某固定点到水面的距离来测得潮高的。它由带尺(或测绳)、滑轮、浮筒和平衡锤组成。,9.2.4 井内外水尺的设置,H为已知固定点高度，H为带尺量得固定点到水面距离，则：潮高=H-H,井内水尺安装有两种方法：一是用带形玻璃纤维软尺作为测量标尺，二是用多股铜丝塑料线(或钢丝绳)作为测量标尺。,（1）带形玻璃纤维软尺，具有伸缩小，读数准确方便的优点。滑轮安装位置要求其浮筒和平衡锤不与验潮仪的浮筒和平衡锤相撞的条件，其固定地点可根据仪器室情况放在屋顶墙壁或仪器桌上。,（2）铜丝塑料线或钢丝绳(以下皆称为测绳)作为水尺，可直接与验潮仪浮子系统并用，省去一套浮筒，平衡锤和滑轮，安装方便，尤其适用于测井直径较小，无法容纳两组浮筒的验潮井。,9.3 水准联测 要进行验潮，首先要解决水尺零点的高程问题，如果水尺零点不与国家水准网基面联测，不求出水尺零点相对国家的标准高程网国家的标准基面中的高度，那么这个零点就没有什么意义，在潮位观测结束后，这些资料将很难使用。在水位观测过程中，如由于某种原因水尺的位置发生了变化，要想恢复原来零点，也必须要与岸上水准点联测才能确定，所以，在潮位观测中水准联测是不可缺少的工作。,所谓水准联测，就是用水准测量的方法，测出水尺零点相对国家标准基面中的高程，从而固定水位零点、平均海面及深度基准面的相互关系，也就保证了潮位资料的统一性。,9.3.1 水准仪的主要结构及作用原理 水准仪是在1718世纪发明了望远镜和水准器后出现的，建立水平视线测定地面两点间高差的仪器。水准仪构成主要有望远镜、水准器及脚架三部分。2水准器：管水准器和圆水准器。3、脚架：固定水准仪，并且能伸缩调整水准仪的高度以便于观测。,水准仪的主要结构及作用原理,4、水准尺和尺垫 水准尺是水准测量时使用的标尺。双面水准尺一面漆成每隔lcm的黑白间隔，称为黑白面；另一面漆成每隔1cm的红白间隔，称为红白面。每根标尺的黑面从零米开始，而红面不是从零开始，一根是从4.687m开始，另一根从4.787m开始。它称为标尺的常数，用来检查测量准确度。尺垫是专门放置水准尺用的，它用生铁铸成，一般为三角形，中央有一突起的半球体，下方有三个支脚。用时将支脚牢固地插入土中，以防下沉，上方突起的半球形顶点作为竖立水准尺和标志转点之用。,9.3.2 测量的基本原理和方法 水准测量就是用水准仪和水准标尺测量两点之间的高程量（或称高量）的方法。它是高程测量的主要方法，用于建立水准网，其中的一个目的是确定水尺零点的高程。,H即后尺读数之和减去前尺读数之和，为两点之间的高程。,9.4 水尺观测水尺是目前最普遍、最简便的方法。9.4.1 观测与记录 水位观测一般于整点每小时观测一次，在高、低潮前后半小时内，每隔10 分钟观测一次，在水位变化不正常的情况下，要继续按10 分钟间隔观测直到正常为止。观测的水尺读数记入正式手册。在读取水尺读数时，应尽可能使视线接近水面，在有波浪时，连续读取三个波峰和三个波谷通过水尺时的读数并取其平均值。,9.4.2 水位换算 一般验潮站都有两根以上的水尺，因此必须将不同水尺的观测资料，换算至同一水位零点上，水位零点一般取离岸量远那根水尺零点下1m左右。,9.4.3 几种特殊情况处理 假如水尺损坏，而在短时间内不能恢复，或者海面高于最高水尺，或者海面低于最低的一根在尺而无法进行观测时，处置方法如下：1）在岸边刻上海面所在的位置，并记上时间，待适当时刻进行水准测量，求出此时海面在水位零点上的高度。2）也可以准备几条一米左右的木板和小竹片作成的小水尺。小水尺必须与另一根水尺有段重叠带，以便进行水位换算，小水尺不能长久的代替大水尺，必须抓紧时间设立新水尺。3）也可以用水准仪直接求得水准点与某时潮面的高程，再经过水位换算求出潮面在水位零点在上的高度。,自记水位计的类型很多，按其工作原理可分为；浮筒式水位计、压力式水位计和声学式水位计。我国多采用浮筒式水位计。,9.5 利用浮筒式水位计进行水位观测,9.5.1 HCJ1-2型验潮仪结构和工作原理 HCJ1-2型验潮仪是用于测量潮位的连续自记仪器，整个仪器由浮动系统和记录装置两个基本部分组成，浮动系统主要由绳轮、钢丝绳、平街锤、浮筒等组成。绳轮、钢丝绳连接平衡锤与浮筒，绳轮随浮筒的升降而转动，当浮筒随海面上升时，绳轮带动记录筒作顺时针方向转动，反之，则作逆时针方向转动。平衡锤对于浮筒起平衡作用。,9.5.1 HCJ1-2型验潮仪结构和工作原理 记录装置分钟表系统和记录部分，钟表部分由时钟、钟轮、钟钢丝轮、钟钢丝锤等组成。钟钢丝通过导向轮连接钟钢丝轮与钟重锤，用专用扳手给钟轮上弦后，使自记钟带动记录部分的笔架、记录笔，使记录笔尖自右向左均匀移动，24小时之内从右端8 时移至左端8 时，在记录纸筒随海面升降而转动的同时，通过记录装置的自记笔自动地画出潮位曲线。,9.5.2 仪器的安装和使用1、仪器安装在仪器室的工作台上，并保持水平2、上钢丝绳3、加注墨水4、上记录纸5、时间校准,9.6 其他验潮仪9.6.1 安德拉水位计 水位记录仪(WLR-Waler Level Recorde)是为记录海洋潮位而特别设计的，通常放置于海底，在规定时间间隔内，测量并记录压力、温度和盐度，然后根据这些数据计算出水位的变化。仪器由一个高准确度的压传情感器、电子线路板、数据存储单元、电源、圆柱压力桶组成。,9.6.2 声学水位计 本仪器适用于无验潮井场合的潮位观测，为港口调度、导航及港口建设随时提供现场数据，也可用于沿海台站的常规长期潮位观测及水库、湖泊和内河的水位自动测量。仪器的特点是采用声管传输信号，应用空气声学回声测距原理进行水位变化测量的。,9.7 验潮井的设置：验潮井是提供长期定点验潮的固定、可靠设施，衡量验潮井的优劣标准通常用消波性和随潮性来判别。对于整个验潮并来说，消波性和随波性直接相关的是验潮井的进水孔，若进水孔设计得过大，则滤波性能差，自记曲线将出现很宽的带状记录，这样观测得出的潮位值既不准确又给资料的整理带来了闲难。,9.7 验潮井的设置：反之，进水孔孔设计得过小，滤波性能是增强了，但因滤掉一些不应滤掉的波动，虽则记录曲线平滑，但记录的潮时出现潮时滞后，造成井内外潮位明显的不一致。因此，进水孔的设计关关乎整个验潮井随潮性、消波性。,