雷达测波技术在钱塘江涌潮观测中的应用

胡智超，叶建军，王建华，陈 刚，潘冬子

（1.浙江省钱塘江流域中心，浙江 杭州 310016；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

钱塘江涌潮是天下奇观，其独特的自然和人文景观和谐结合，是浙江民众奋发精神的象征，是文人骚客华丽篇章的源泉。涌潮是入海河流河口段的一种潮水暴涨现象[1]。地球上大约有450个河口受到涌潮的影响[2]。涌潮可以分为波状涌潮和漩滚涌潮，波状涌潮是一系列平行向前传播的涌波构成的波列，漩滚涌潮则是前锋陡立向前推进的水滚[3]。由于钱塘江河口江道摆动频繁，河岸平面边界曲折多变，涌潮在传播过程中形成变化多端的涌潮潮景。钱塘江涌潮的典型潮景包括一线潮、交叉潮和回头潮等，见图1。交叉潮主要发生在主流分汊水域，如尖山至新仓一带；一线潮主要发生在顺直河段，如八堡至盐官一带；回头潮主要发生在岸线转折之处，如老盐仓大坝弯曲河段等。

图1 钱塘江涌潮典型潮景图

钱塘江涌潮最早的科学观测记录始于1888年，Moore中校率英国军舰“漫步者（Rambler）”号考察钱塘江，系统观测涌潮，并撰写实测报告，包括水文和地形资料[4]。1906年9月，美国传教士Edmunds博士在盐官镇海塔近距离观察涌潮，并从专业的角度进行科学测量与记录[5]。1920年，浚浦局[6]在盐官附近布置6个测点，每1 min记录1次涌潮前后潮位，系统研究涌潮的发展过程。1946年10月，钱塘江海塘工程局成立伊始，便组织为期1个月的沿江潮位系统观测，对钱塘江涌潮和潮汐开始有较全面的了解[7]。新中国成立后，原浙江省河口海岸研究所测验队进行过多次涌潮观测，浙江省钱塘江管理局于1974年开始较为系统的涌潮长期观测，一直坚持至今。涌潮观测一般在大潮汛期间进行，长期固定的观测点位包括新仓、西龙头、盐官、东西塘等多个位置（见图2），观测内容包括潮头到达时间、潮头形态、涌潮高度、潮前低水位等，同时摘录水文和气象资料。2010年以后采用了Mega Eyes网络视频处理技术，进一步提高了观测数据精度。浙江省钱塘江管理局于2014年开始钱塘江河口涌潮观测站（点）工程建设，已建成2个涌潮观测站和8个观测点[8]，为研究涌潮高度、形态、行进速度、潮位过程、压力、流速、含沙量、河床冲淤过程等提供基础数据。但由于技术设备条件限制、涌潮强劲观测困难等原因，目前对涌潮观测的系统性与准确性仍然不足，对钱塘江涌潮特性及其演变规律缺乏深入的研究。

图2 涌潮固定观测点位图

调频连续波（Frequency Modulation Continuous Wave，FMCW）雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制。本文基于调频连续波雷达测波技术，采用锯齿波线性调频方式，结合高精度的回波反演算法，建立潮位自动测报系统，实现强潮河口涌潮长历时的定点测量，精准地捕捉涌潮传播过程中的水位变化，为涌潮要素的特征提取提供了一种自动化检测手段，具有一定的推广应用价值。

1 观测系统构建

1.1 基本原理

自动观测系统主要采用雷达测波技术，选用的雷达水位计是26 GHz高频雷达式水位测量仪表，具有非接触（无磨损，干扰少）、设备小（便于安装）、功耗低（耗电少）、波速角小（能量集中）、高信噪比（在波动的情况下能获得更优的性能）等特点，天线经优化处理，新型的快速微处理器可以进行更高速率的信号分析处理，可用于非常复杂的测量条件。雷达水位计是以时域反射原理（Time Domain Reflectometry，TDR）为基础，利用电磁波探测目标的电子设备。雷达工作时，发射机发射出频率在时间上按锯齿波律变化的高频信号，电磁脉冲以光速传播，当遇到被测介质表面时，雷达水位计的部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置，回波信号和发射信号进行耦合，进入混频器。由于信号是线性变化，在信号从天线到液面再返回天线后，发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，回波信号携带了液面的距离信息，混频器的输出端便出现了差频电压，再对差频信号进行处理计算得出水面高度。

1.2 数据的收集、传输和接收

本系统数据的采集、传输和接收应用的是GPRS(General Packet Radio Service)模块点对点数据传输系统，见图3。该系统由监测装置、主站服务器、GPRS通讯模块和数据服务中心组成。监测装置主要是利用风电、蓄电池供电，对现场潮位数据进行监测并通过GPRS通信模块发送到主站服务器。主站服务器运行数据采集软件、数据库软件等，接收并处理监测装置发送的数据，能够实时了解监测装置所在现场设备状态及潮位数据，对现场设备进行远程操作。GPRS通信模块是本系统的重要硬件组成部分，用来实现监测装置与数据服务中心的双向数据传输。数据服务中心使用网络云平台服务器，运行数据转发管理系统，进行GPRS通信模块的管理，实时了解GPRS通信模块在线状态，对监测装置及主站服务器进行数据转发，实现监测装置及主站服务器之间透明数据传输。

图3 涌潮测量系图

1.3 信号采集

此观测系统常规观测信号采集频次为每5 min 1次；在大潮汛期间，涌潮前后1 h内观测数据频次为每1 s1次。根据雷达水位计测量数据的原理，结合日常人工观测情况和习惯，此观测系统相关信号采集规则如下：日潮6:00（含）—18:00（不含），夜潮18:00（含）—6:00（不含）；大潮汛期：每月农历初一至初五、农历十六至二十；小潮汛期：每月除大潮汛期之外的日期。涌潮的判定：系统只反映涌潮潮头第1秒涨潮高度大于10 cm的数据，10 cm以内则认为本次无涌潮，不显示。

2 观测结果分析

潮形指涌潮的潮头线在江面上呈现的平面形态。澉浦至盐官涌潮传播过程见图4，来自东海的天文潮逼近嘉绍大桥时，潮头沿分汊主流呈现不同方向的2股，1股由东向西，1股由南向北，进而在旧仓至新仓一带两潮相碰形成交叉潮；待到南潮撞上北堤，两潮合二为一，向上游盐官演进。目前在钱塘江海宁段涌潮的潮形丰富，主要包括交叉潮、一线潮和回头潮等。

图4 澉浦至盐官涌潮传播示意图

2.1 新仓典型潮形的观测

对新仓点典型交叉潮潮形的观测，选取了2019年7月18日至21日（农历六月十六至十九）日潮的涨潮过程，见图5。自动观测下的潮形均有二次抬升的过程，且2次开始抬升相隔时间为1~4 min。造成二次抬升的原因是在新仓点南潮和东潮的先后到达，有时间差，本项目实施的自动化监测均测到了南潮和东潮的到达时间和二次抬升过程，与现场实际情况一致。

图5 新仓典型的涌潮水位过程图

新仓点南潮在迎面碰撞海塘折返后再次到达观测点，潮流流向转换造成潮位上涨过程中有一转折点，见图5 a），折返潮的情况在潮位过程线也能比较清楚的反映。受南潮和东潮2股潮交叉位置、涌潮强弱等影响，南潮形成的折返潮情况不尽相同。见图5 d），2次潮位激增间隔时间超过3 min，之间潮位出现明显波动，不符合折返潮情况；该现象可能产生原因解释如下：南潮是迎面扑向海塘，东潮也几乎是同时达到，在到达新仓站点后引起潮位的激增。从自动观测数据表明：涌潮局部水动力过程受岸线和江道地形控制；潮位激增的时间均比较短暂，一般不超过8 s；有南潮时，潮位存在一定的滞涨时间，持续时间十几秒；南潮潮头过后，后续增水能量不强，潮位均呈现震荡逐步下降的过程；有南潮时，潮流在潮头过后大约10 min后受东潮控制，涨潮过程呈正常走势，逐步递增至高潮位。

2.2 西龙头典型潮形的观测

对典型一线潮潮形的监测，截取了西龙头点2019年7月18日至21日（农历六月十六至十九）日潮的涨潮过程，见图6；自动观测下的潮形突变后均有稳步抬升的过程。涌潮是一种多尺度、强间断、色散性和耗散性并存的复杂流动，但涌潮前后的水流特性满足质量守恒和动量定理[9]，根据质量和动量守恒方程可以得到Belanger水跃方程[10]：

图6 西龙头典型的涌潮水位过程图

式（1）中：d为水深，m；V为流速，m/s；下标1和2分别表示涌潮锋面的上游侧和下游侧。

式（2）中：Fr为Froude数；C为涌潮传播速度，m/s，以落潮流速度方向为正。

定义单位时间内潮位的变化量为涨率，对于破碎涌潮［图6 a）~6 c）］，涌潮锋面最大涨率均大于0.1 m/s；对于波状涌潮，见图6 d），没有明显的涨率突然增大的过程。根据现场观测资料，得到破碎涌潮前后共轭水深比d2/d1与Froude数的关系见图7；结果表明观测值与理论值吻合较好，雷达测波技术在涌潮观测中具有可靠的精度。

图7 破碎涌潮前后共轭水深比d2 /d1与Fr数的关系图

2.3 典型站点潮位过程线比较

大缺口位置（见图4）涌潮观测点采用压力式水位计进行观测，读数为2 s一次，2016年已经通过验证并投入使用。本节将新仓和西龙头两处测量数据与同一潮下大缺口测量数据进行了比对分析。3个测站点位置间隔：新仓至大缺口4.5 km，大缺口至西龙头4.4 km，全程共计8.9 km。2019年5月5日（农历四月初一）3个测站点涌潮前后1 h潮位过程线对比见图8。观测结果表明：3个测站的潮到时间分别为新仓11:53:34、大缺口12:03:44、西龙头12:13:35，涌潮行进新仓至大缺口时间间隔为10 min 10 s，平均行进速度为7.38 m/s；大缺口至西龙头时间间隔为9 min 51 s，平均行进速度为7.43 m/s，两者基本相当。从图8可以看出，潮位变化过程与实际情况基本一致，潮前低水位从新仓至西龙头逐步抬高；受南潮和东潮影响依次出现了2次快速增水，2次抬升的时间间隔6~10 min；西龙头二次增水时间间隔为6 min 18 s，与该位置岸线缩窄有关。新仓、大缺口和西龙头处涌潮锋面的最大涨率分别为0.24 m/s、0.42 m/s和0.39 m/s。测试的数据表明，3个站点数据反映的规律相关性基本一致，符合现场实际情况。

图8 同一潮下沿线测站潮位过程线对比图（2019年5月5日）

3 结 论

本文结合钱塘江典型河段观测的结果，对雷达测波技术在涌潮观测中的应用进行阐述，并分析了具体潮形的测试结果，主要结论如下：

1）钱塘江涌潮的潮形多变；在海宁段代表性的潮形主要是交叉潮、一线潮和回头潮；涌潮局部水动力过程受岸线和江道地形控制。

2）主流分汊是交叉潮形成的基本条件，交叉潮具有复杂的水位响应特征，呈现典型的二次抬升过程，水位的变化与两股涌潮的强度、传播方向和间隔时间相关。

3）雷达测波技术实现涌潮过程捕捉的自动化，有利于涌潮要素的准确提取，显著地提高观测精度，具有一定的推广应用价值。