原标题：珠江口瞬时水位解算方法研究及应用摘 要：为实现珠江口及相近海域的瞬时水位获取,使得水位解算结果的精度到达工程实践的应用化需求,接纳数值模拟与同化技术、余水位通报法和空间多面函数法等多种技术方法,构建了基于区域潮汐模型与余水位通报和多站水位纠正的瞬时水位解算方法,并接纳检核站验证法、恒久水位站评估法和GPS定位技术对珠江口的水位解算结果精度举行评估。研究结果中的潮汐模型分辨率为1′×1′、精度为44 mm,水位推算最大差值为49 mm,均优于海内外模型;水下地形丈量结果的水位纠正中误差在±0.14 m以内,精度满足规范要求。该方法可快速解算区域内任何位置高精度的瞬时水位,为水深丈量、限制水域船舶乘潮通行和深度基准面模型构建等方面提供瞬时水位,并可在中国近海河口及港湾推广应用。
关键词：瞬时水位; 数值模拟; 同化技术; 余水位; 潮汐模型; 水位解算;作者简介：王小刚(1974—),男,高级工程师,学士,主要从事水利水电测绘与治理研究。E-mail:414976097@qq.com;赵薛强(1986—),男,高级工程师,硕士,主要从事水利水电测绘研究。E-mail:389449604@qq.com;基金：水利部珠江河口四期水下地形丈量项目资助(2017-394);引用：王小刚，赵薛强，许军． 珠江口瞬时水位解算方法研究及应用［J］. 水利水电技术，2020，51( 11) : 117-124.WANG Xiaogang，ZHAO Xueqiang，XU Jun． Application and research on instantaneous water level calculation method of Pearl Ｒiver Estuary［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 11) : 117-124.0 引 言珠江口及相近水域口岸众多,水上交通忙碌,水域经济蓬勃。
水深丈量与水下地形丈量等为水上交通与经济运动提供了基础地理信息保障。航道水深保障则是水上交通宁静的前提。
其中,潮汐所引起的瞬时潮位变更是影响水深及水上交通宁静保障的重要因素。确定瞬时水位是确保水深丈量结果的精度、提升航道有效使用率和保证水上交通宁静的重要保障。因此,构建实现区域内任意位置瞬时水位获取的水位解算方法显得尤为须要。
水位解算是以有限离散的潮位站内插整个测区的瞬时海平面形状及每一点的水位纠正值。我国一直接纳前苏联的三角分区法和模拟法,盘算机普及后,谢锡君等将三角分区法革新为适用于盘算机处置惩罚的时差法,刘雁春等进一步提出最小二乘曲线比力法(最小二乘拟正当),上述水位解算法都是将基于起算基准面的水位开展整体空间内插,可称其为传统的水位解算方法,其解算精度取决于潮位站的布设方案包罗站点个数与位置。为获取高精度的瞬时水位需增设海上水位观察站,海上布设潮位站的作业难度大,人力、物力与时间成本高,且易丢失,宁静风险高,而四站以上的水位布设区域通常根据三站分区的方法开展水位纠正,会存在重叠区跳变的毛病,降低了水位纠正结果的精度。除上述水位解算法外,迩来以GPS(全球定位系统)定位技术 和区域海洋潮汐模型为代表的现代水位纠正法备受海内外学者的广泛关注。
当前,GPS定位技术主要接纳GPS-RTK和GPS-PPK等方法解算瞬时水位,GPS-RTK技术由于受到电台通信距离限制,作业规模受限;GPS-PPK技术则无需通信,作业规模可达100km,但在珠江口等大规模海域GPS卫星容易失锁,失锁后需重新初始化GPS吸收机才气继续作业,在一定水平上会影响测绘效率。区域潮汐模型解算大规模区域的瞬时水位由于只需接纳沿岸或海岛稀少牢固潮位站,精度即可到达工程实践需求,吸引了海内外学者的研究眼光,但在浅海区及近岸海域,现在海内外构建的区域潮汐模型精度均相对较低,难以到达工程实践的应用化需求。因此,有须要革新和生长新的水位推算技术,实现区域任意位置的高精度瞬时水位解算。为节约成本提高事情效率,实现区域内任意点处瞬时水位的获取与解算,满足工程实践的应用化要求,拟通过开展珠江口瞬时水位解算方法研究,基于数值模拟与同化法构建珠江口及相近海域的区域潮汐模型,研究构建基于区域潮汐模型与余水位通报的水位推算法和基于空间多面函数法与最小二乘拟合原理的多站水位纠正法,为研究区高精度水深丈量、航海宁静的水位信息动态保障和深度基准面构建等提供瞬时水位,也为中国近海河口及港湾的瞬时水位解算和获取提供一种参考方法。
1 方法原理及设计1.1 技术方法接纳成熟的数值模拟与同化法构建区域潮汐模型,基于最小二乘拟合原理与空间多面函数法构建多站纠正模型,开展基于区域潮汐模型和余水位通报、基于多站纠正模型的水位纠正方法研究,提出一种从技术方法到工程应用的解决方案。首先,基于数值模拟与同化法,依次同化盘算区域内的T/P与Jason-1卫星测高(交织轨道与原始轨道)沿迹分析结果、中期潮位站数据和恒久潮位站数据,通过引入同步潮位观察数据及平均海平面结果的方式不停修正模型精度,开展区域潮汐模型构建法研究;其次,基于最小二乘拟合原理引入空间多面函数法开展四站以上不分区的多站水位纠正法研究,将潮位按天文潮位和余水位举行剖析,天文潮位由区域潮汐模型预报,余水位由潮位站通报,开展基于区域潮汐模型与余水位通报的水位推算技术研究;最后,开展基于短期实测水位数据的水位检核站验证法,基于恒久牢固潮位站结果的恒久水位站评估法和基于GPS定位技术的精度评估研究。
详细研究门路如图1所示。图1 技术门路1.2 区域潮汐模型构建法区域潮汐模型构建法是基于数值模拟和同化法,在收集区域水深丈量结果、卫星测高数据、中期潮位站结果、恒久潮位站结果等资料的基础上,按下列步骤数值模拟和同化天文分潮与浅水分潮:首先,同化T/P卫星与Jason-1卫星测高(交织轨道与原始轨道)沿迹分析结果构建开端潮汐模型;其次,同化中期潮位站数据构建中间潮汐模型;最后,同化沿岸及海岛牢固恒久潮位站结果,并接纳同步水位观察数据盘算区域平均海平面,通过接纳校正测高平均海平面变化的线性漂移方法进一步修正潮汐模型的精度,构建最终的区域潮汐模型。1.3 多站水位纠正法多站水位纠正法是在最小二乘拟合原理确定潮汐比力参数的基础上,引入空间多面函数法开展潮汐比力参数的空间曲面内插而构建的一种四站以上不分区的水位纠正方法。
1.3.1 确定潮汐比力参数法设A、B两站的潮位划分为hA(t)和hB(t),依据最小二乘拟合原理可形貌两站之间的同步水位关系为式中, γ为潮差比(收缩或放大比例因子);δ为潮时差(水平移动因子);ε为基准面偏差(垂直移动因子)。三者皆为潮汐比力参数,A、B两站的潮位关系表现关系如图2所示。图2 A、B两站的潮位关系示意联合图2、式(1)对两站水位关系的形貌为:A站的水位曲线经平移(潮时差)、放大或缩小(潮差比)、垂直升降(基准面偏差)后与B站的水位曲线相同,因此基于最小二乘拟合原理依据A、B两站的同步水位数据,即可同时求解3个潮汐比力参数。
对于任一测深点C,盘算各站相对基准站的潮汐比力参数,将参数内插至C处,其水位可由基准站水位按测深时刻、相对于基准站的潮汐比力参数举行推算。1.3.2 潮汐比力参数内插法传统四站以上的多站水位纠正主要接纳三站分区构建平面模型开展空间内插,水位纠正结果会存在重叠区跳变的问题。为提高水位纠正的结果精度,保证结果空间上的一连性及一致性,引入空间多面函数法通过结构函数空间内插四站以上的多站潮汐比力参数,实现四站以上的多站不分区水位纠正,有式中,A为基准站,Δt为潮时差。将其余各站的平面坐标及其相对基准站A站的Δt代入式(2),为每站划分结构一个方程,依据最小二乘拟合迫近原理求解出a1、a2、a3等未知参数和任一测深点C处相对于基准站的γAC、δAC与εAC,盘算公式hC(t)为式中,γAC、δAC与εAC为三个潮汐比力参数;hC(t)为任一点C处的潮位值。
1.4 基于区域潮汐模型与余水位通报的水位推算法水位变化h(t)按引发机制主要剖析为两部门:一是引潮力为源动力引起的天文潮位T(t),代表海平面周期性上升下降的运动,可由区域潮汐模型盘算和谐常数举行预报;二是气象等因素引起的短时水位异常R(t),称为余水位或异常水位,在时域上出现庞大的非周期性。因此,水位站的实测水位变化h(t)可表现为式中,MSL为当地恒久平均海平面在验潮零点上的垂直高度;T(t)MSL为从平均海平面起算的天文潮位;R(t)为异常水位或余水位;Δ(t)为观察误差。
水位站起余水位通报的作用,即区域任一点处的余水位由水位站处余水位通报确定。观察误差Δ(t)较小,在水位站观察数据经预处置惩罚后可忽略不计; MSL可由通报技术或界说盘算求得;T(t)MSL由潮汐分析获得13个主要分潮的和谐常数或潮汐模型内插和谐常数盘算得出。
实测水位与天文潮位的残差即为水位站点的余水位,可由实测水位减去T(t)MSL盘算得出,即由式(5)盘算的余水位,其主体是气象因素引起的短时水位异常,但包罗了潮汐分析中未顾及的部门小分潮的作用以及观察误差,因此,也称为大略余水位。对于区域任一点P,在时刻t,从平均海平面起算的水位hP(t)为天文潮位与余水位的组合,即式中,TP(t)MSL为天文潮位,由区域潮汐模型内插的和谐常数举行预报;RP(t)为余水位,由潮位站通报。1.5 精度评估方法1.5.1 潮汐模型评估方法潮汐模型精度的评估接纳基于恒久牢固潮位站数据的恒久水位站评估法和基于短期观察潮位数据的水位检核站验证法两种方法开展研究。恒久水位站精度评估法。
恒久水位站评估法的精度评估指标为Q1、O1、P1、K1、N2、M2、S2、K2、M4、MS4和M6这11个主要天文分潮的综合预报中误差RMS和整体综合预报误差RSS,并基于恒久水位站结果,精度评估已构建的开端潮汐模型、中间潮汐模型和最终潮汐模型。水位检核站验证法。水位检核站验证法基于已观察的检核站实测数据对模型推算的水位数据开展精度验证,主要方法是在水位观察利便的区域布设暂时水位检核站开展水位观察,将水位观察值与区域潮汐模型推算的该处同步水位数据举行比力,进而评估模型精度。1.5.2 多站水位纠正法精度评估多站水位纠正法的精度评估主要接纳两种方法:一是将所测区域内水深丈量数据凭据水位站漫衍情况举行分区开展三站水位纠正,并统计重叠区域的水位纠正结果误差,进而分析分区纠正的毛病及多站纠正模型的优点;二是对水深丈量数据划分开展四站以上的多站不分区水位纠正、基于区域潮汐模型与余水位通报的水位纠正和基于GPS定位技术的水位纠正,将三者水深丈量的水位纠正结果两两比力开展精度统计分析。
详细实施步骤和方法:一是选择合适的GPS潮位获取技术,在合适时间、适当的位置架设GPS基准站,同步架设GPS设备于丈量船只上划分用于获取GPS瞬时潮位和海上定位;二是针对已获取的水深丈量数据,使用GPS定位技术获取的瞬时潮位开展GPS潮位纠正获取水下地形结果a、使用沿岸及海岛牢固恒久潮位站开展基于区域潮汐模型与余水位通报的多站水位纠正获取水下地形结果b、使用暂时水位检核站数据开展四站以上不分区的多站水位纠正获取水下地形结果c以及三站分区水位纠正获取水下地形结果d;三是开展水下地形结果a、b、c的两两精度比力及水下地形结果d的重叠区精度比力。2 研究结果2.1 区域潮汐模型接纳44个T/P与Jason-1卫星测高地面轨迹点,16个恒久潮位站与18其中期潮位站的潮汐参数,基于区域潮汐模型构建法构建了1′×1′的13个主要分潮的区域潮汐模型实现了珠江口任意位置瞬时水位的解算。模型规模为20°30′N～24°00′N;112°E～115°30′E(不包罗内河及支流),潮汐站点漫衍与盘算区域如图3所示。图3中,粉色虚线方框为模型设定规模;×与×划分为T/P与Jason-1卫星的原始轨道、交织轨道的沿迹点;▲与●划分为恒久站与中期站。
图3 潮汐站点与盘算区域2.2 多站纠正模型使用多站水位纠正法设计了多站纠正模型,优化了模型算法,将平面多站纠正模型优化为曲面多站纠正模型,解决了以往四站以上水位纠正要根据三站分区开展水位纠正会引起重叠区纠正结果跳变的毛病,提升了水位纠正结果的精度,保证了水位纠正的水下地形丈量结果空间上的一致性和一连性。2.3 多站水位纠正软件集成多站水位纠正法和基于区域潮汐模型与余水位通报的推算技术研发了多站水位纠正软件,用以满足工程实践的应用化需求。
与其他水位纠正软件相比,该软件支持水道或航道、一般区域等两种水位纠正模式,支持对单波束、多波束两种测线数据的水位纠正,纠正方法和方式多样,适应性更强,可凭据实际地理情况和水位站布设情况,选择更合适的方法。3 结果应用3.1 区域概况区域地处中国南海出海口—珠江河口(东经113°17′～东经114°15′、北纬21°50′～北纬22°28′),横跨广东省、澳门特别行政区和香港特别行政区两岸三地,区域规模(见图4)小于模型构建规模(见图3)。
区域潮汐类型为不正规半日潮型,属弱潮河口,各口门平均潮差为0.86～1.63 m,以虎门最大,达1.63 m,磨刀门最小,为1.02 m,口门外海滨的海浪以东南向浪为主,平均波高1.12 m,一年中以东北向风浪为主的时间近6月,以南、西南向风浪为主的时间近4月,较为频繁和较高的风浪使得海上潮位观察的精度降低、成本和宁静风险增大。图4 区域潮位站漫衍与规模示意3.2 结果应用应用区域沿岸有内伶仃水文站、大九洲水文站、马骝洲水文站、三灶水文站和荷包岛水文站,海岛仅有万山岛水文站和担杆岛水文站,海岛与海岛、海岛与陆地水文站之间的距离大于20 km,难以满足水位纠正的精度要求,若按规范要求布设水位观察站,无论是在无住民海岛还是海中间抛设验潮仪,均存在设立与接纳的作业难度大,人力、物力与时间成本高,且易丢失等问题。使用已构建的珠江口区域潮汐模型,将已有的恒久潮位站数据导入模型,实现了应用区域任意位置瞬时水位的获取;并使用多站水位纠正软件开展区域内5 000 km2的水深丈量数据的水位纠正,生成了珠江口水下地形丈量地形图。4 精度评价4.1 区域潮汐模型精度评价接纳16个恒久水位站结果和4个暂时检核水位站(水位站SC1、SC2、SC3和SC5)结果开展恒久水位站评估法和水位检核站验证法下的区域潮汐模型精度评价。
4.1.1 恒久水位站评估法精度评估情况11个主分潮的综合预报中误差RMS和整体综合预报误差RSS,效果如表1所列。表1 模型精度评估情况由表1可知,在同化卫星测高沿迹分析结果的基础上,进一步同化图3中18其中期潮位站数据,除M6分潮外,其余中间模型的分潮RMS均减小,RSS显着降低;最后全部同化图3中的卫星测高沿迹分析结果、中期潮位站与恒久潮位站数据,并引入实测水位数据不停修正模型精度,使得各分潮的RMS及其RSS均大幅降低,模型精度为44 mm。
以图3中的16个恒久潮位站数据,对中国近海模型、全球模型DTU10、NAO.99Jb 在珠江口应用结果举行精度统计,如表2所列。表2 全球模型在研究区的精度评估效果由表2可知,接纳高精度的实测水深数据及恒久潮位站、中期潮位站结果,构建的1′×1′网格分辨率的珠江口潮汐模型,精度显着优于1.2′×1.2′的中国近海模型、7.5′×7.5′的全球模型DTU10和5′×5′的全球模型NAO.99Jb,到达了工程实践的实用化要求。
4.1.2 水位检核站验证法精度评估情况如图4所示,接纳加拿大全自动多功效潮位仪(RBRsolo D)在SC1、SC2、SC3和SC5四处获取6个月同步水位观察数据,并使用已有恒久水位站数据推算四处的水位,将其与检核站观察水位结果举行比力,比力效果如表3所列。由表3可知,珠江口区域潮汐模型的水位推算误差为49 mm,精度满足工程实践的应用化要求。表3 推算水位与检核站水位比力4.2 多站水位纠正法精度评估情况该精度评估选用4个暂时水位检核站所围区域作为评估区域,GPS潮位获取技术接纳GPS-PPK技术,开展两种精度评估方法下的多站水位纠正法精度评估,精度评估情况如下。
(1)将4个暂时水位检核站所围区域划分为SC1、SC2、SC3和SC2、SC3、SC5两区,并划分对两区的水深丈量数据开展三站分区纠正,结果精度统计如表4所列。表4显示,重叠区纠正结果差值出现一个偏向的跳变,相邻分区界限四周区域的水位纠正出现纷歧致性,降低了结果精度。而多站水位纠正法可不分区即可实现四站以上的水位纠正,不仅保证了测深数据纠正结果的一致性,提高了水下地形丈量结果的精度,也制止了因分区布设水位观察站而造成的作业资源和时间的浪费。表4 三站分区纠正重叠区水下地形高程精度统计(2)将4个暂时水位检核站所围区域内获取的水深丈量数据,划分开展基于区域潮汐模型与余水位通报的水位纠正、基于多站水位纠正法的不分区水位纠正,基于GPS-PPK技术的水位纠正,划分获取三种情况下的水下地形结果,然后两两组队举行数据精度比力。
由于GPS信号在海上失锁较为严重,所获牢固解条件下GPS-PPK水位数据较少,抽取了438个数据质量较好的记载点举行比力。比力分析情况如图5所示,效果讲明基于区域潮汐模型与余水位通报法和多站不分区的水位纠正法下的水下地形结果精度满足规范要求。
图5 结果精度比力5 总 结围绕珠江口瞬时水位解算研究,提出了一种针对中国近海港湾及河口的水位获取及解算从技术方法到工程应用的解决方案。详细包罗:一是基础模型构建,构建了珠江口及相近海域高精度、高分辨率、实用化的区域潮汐模型。
二是提出了基于区域潮汐模型与余水位通报法,实现稀少牢固水位站下珠江口及相近海域内优于5cm精度的瞬时水位推算,并优化构建了多站水位纠正法,实现了四站以上可不分区的多站水位纠正,提高了水下地形丈量结果的水位纠正精度。三是研发了水位纠正软件,支持多方法、多模式和多验潮站,已应用于水深丈量作业实践中。
区域潮汐模型不仅可以应用于水下地形丈量中的水位纠正,且在航海的水位信息动态保障和深度基准面模型构建等方面也具有应用的潜力。同时,本研究方法在感潮河段也有辽阔的应用前景,如珠江三角洲感潮河段在潮水与洪流相互顶托的情况下容易造成流域的特大洪水,为保障沿岸人民群众的生命产业宁静,宁静科学的防洪调理十分须要,而防洪调理需要实时掌握重要河段的瞬时水位;珠江三角洲枯水期咸潮上溯严重,为满足珠江枯水期水量调理的需要,需要实时掌握重要江河的瞬时水位,这对保障粤港澳大湾区水宁静十分须要。
当前,水深丈量与水下地形丈量的外业收罗软件与内业水位纠正软件是离开运行的,需划分开展相应的数据收罗与后处置惩罚事情,为更好地实现数据的快速收罗与处置惩罚,提高事情效率,未来会开展融合两个软件功效的集成研发,实现水下地形丈量与水位解算的一体化作业。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文焦点期刊，面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护，以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主，同时也报道外洋的先进技术。
期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
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