金山三島灘涂水下地形演變淺析

王萬(wàn)勝

（上海市金山區(qū)海洋海塘管理所 上海 201508）

金山三島灘涂水下地形演變淺析

王萬(wàn)勝

（上海市金山區(qū)海洋海塘管理所 上海 201508）

文章采用GPS－RTK技術(shù)進(jìn)行2016年金山三島灘涂水下地形測(cè)量，繪制金山三島灘涂水下地形云圖，并與2014年和2015年灘涂水下地形測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：金山三島連線左右1 km之內(nèi)的地形起伏變化大，小金山島南北側(cè)各有一條深坑，大小金山島之間有一條貫穿東西向的深槽，它的形成與漲落潮流不一致以及人為活動(dòng)有關(guān)，大金山島與浮山島之間有一類似山脊樣的地形，浮山島南側(cè)也有一深坑存在。近3年金山三島灘涂水下地形變化不大，局部小范圍內(nèi)有淤積和沖刷。定期對(duì)三島灘涂水下地形進(jìn)行測(cè)量可以掌握其變化規(guī)律，為管理部門提供管理基礎(chǔ)資料。

金山三島；水下地形；測(cè)量；GPS－RTK；演變淺析

1 引言

金山區(qū)三島［包括大金山（121°25′13″E、30°41′29″N）、小金山（121°24′07″E、30°42′23″N）和浮山島（121°25′19″E、30°40′59″N）］位于杭州灣，灘勢(shì)復(fù)雜，由岸灘、島嶼和深槽3部分組成。杭州灣是我國(guó)著名的強(qiáng)潮海灣，岸灘構(gòu)成物質(zhì)主要為細(xì)顆粒淤泥質(zhì)粉砂土［1］。受長(zhǎng)江來(lái)沙、南匯東灘沖淤變化、杭州灣北岸潮流特性、風(fēng)浪以及近年來(lái)人類的工程措施等因素的影響［2］，灘地泥沙運(yùn)動(dòng)活躍。開(kāi)展水下地形測(cè)量，可以獲取杭州灣灘地地物、地貌資料，從而來(lái)分析研究近灘的沖淤變化潛在的規(guī)律和機(jī)理，可為今后待建工程可行性研究分析、金山深槽控制性因素分析以及金山三島島體工程設(shè)施保護(hù)提供資料和依據(jù)，同時(shí)通過(guò)對(duì)比歷年來(lái)灘涂水下地形測(cè)量結(jié)果，可為海岸帶規(guī)劃管理部門進(jìn)行近遠(yuǎn)期規(guī)劃提供第一手技術(shù)基礎(chǔ)資料和咨詢服務(wù)水平［3］。

2 測(cè)量方案

2.1 測(cè)量范圍

金山區(qū)三島（包括大金山、小金山和浮山島）保護(hù)區(qū)0.5 n mile范圍內(nèi)的灘涂水下地形進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量區(qū)域面積為15.4 km2。具體位置、范圍見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)量范圍

2.2 測(cè)量方法

由于測(cè)區(qū)水深較深，地形條件差，此次測(cè)量采用精度最高的GPS測(cè)量定位系統(tǒng)，RTK測(cè)量技術(shù)以及配套的全自動(dòng)數(shù)據(jù)處理軟件。

2.2.1 GPS－RTK技術(shù)

GPS－RTK技術(shù)，即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。該技術(shù)利用載波相位差進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度［4］。基本原理：在基站和流動(dòng)站（測(cè)量船）上各安裝一臺(tái)GPS用戶接收機(jī)，同步同時(shí)段觀測(cè)相同數(shù)量的GPS衛(wèi)星，基站上GPS接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站上的GPS接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備接收由基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位原理，實(shí)時(shí)地解算并顯示流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及精度，其定位精度可達(dá)到1～2 cm［5］（圖2）。

圖2 GPS－RTK原理

2.2.2 測(cè)量方案

水下地形測(cè)繪主要由兩部分組成：外業(yè)地形測(cè)量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理成圖。

外業(yè)地形的測(cè)量主要包括3個(gè)方面的內(nèi)容：平面定位、深度位置測(cè)定和水位的觀測(cè)。第一部分平面定位是在測(cè)量區(qū)域內(nèi)根據(jù)需要加密布設(shè)一定數(shù)量的圖根控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的數(shù)量和密度均需滿足精度測(cè)量要求。第二部分采用TRimBle SPS351型信標(biāo)機(jī)GPS定位儀在差分模式進(jìn)行測(cè)點(diǎn)定位，按照2 s的時(shí)間間隔采集定位數(shù)據(jù)，主測(cè)線垂直于岸線，主測(cè)線間距為100 m，測(cè)點(diǎn)間距為50 m。參考站選取沿海DGPS信標(biāo)臺(tái)站或其他廣域差分基準(zhǔn)站。測(cè)船蘇興漁13029＃沿設(shè)計(jì)好的斷面測(cè)深線航行，采用海鷹HY－166數(shù)字測(cè)深儀、同濟(jì)大學(xué)測(cè)量系提供的導(dǎo)航測(cè)深軟件ASH＿BC 3.0測(cè)量軟件測(cè)量深度。第三部分采用無(wú)錫海鷹加科生產(chǎn)的HY－1600回聲測(cè)深儀測(cè)得實(shí)時(shí)水深，水中聲速采用miniSVP聲速剖面儀直接測(cè)定。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括兩方面的內(nèi)容：吃水改正、潮位改正和成圖。外業(yè)測(cè)得靜態(tài)吃水改正后，利用軟件在該階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)吃水改正。整理水深數(shù)據(jù)時(shí)要作100%的人工校核，對(duì)一些特征點(diǎn)（深點(diǎn)或淺點(diǎn)）進(jìn)行加密。采用金山嘴水文站驗(yàn)潮數(shù)據(jù)加以潮位改正，可得出水底高程，即斷面的即時(shí)水位減去測(cè)點(diǎn)水深。成圖時(shí)采用南方CASS9.1中小比例成圖系統(tǒng)展開(kāi)配合草圖成圖，經(jīng)人工按2006年版圖式和《設(shè)計(jì)書(shū)》要求進(jìn)行整飾，形成AUTOCAD2004版本下的DWG文件。成圖比例為1∶5000。整個(gè)測(cè)量成圖過(guò)程如圖3所示。

圖3 測(cè)量方案

2.2.3 參數(shù)轉(zhuǎn)換

由于GPS接收機(jī)沒(méi)有配置后處理軟件，無(wú)法將WGS84坐標(biāo)變換為實(shí)用的1954年的北京坐標(biāo)系坐標(biāo)［6］，從而無(wú)法繪制地形圖，所以本次測(cè)量采用該測(cè)區(qū)2014年已測(cè)定的四參數(shù)，在7個(gè)控制點(diǎn)JS1、JS3、JS9、JS12、JS13、JS15和JS18測(cè)定WGS84坐標(biāo)，利用軟件轉(zhuǎn)換成54北京坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換中誤差為0.177 6 m。轉(zhuǎn)換參數(shù)如圖4所示。

圖4 測(cè)定轉(zhuǎn)換參數(shù)成果

2.3 精度要求

測(cè)量需滿足平面高程精度、回聲儀測(cè)深精度以及水深測(cè)深精度的要求。此次測(cè)量中GPS－RTK測(cè)量平面高程精前將信標(biāo)機(jī)在已知控制點(diǎn)上進(jìn)行檢驗(yàn)和對(duì)比，每個(gè)測(cè)區(qū)都在測(cè)區(qū)上部、中部和下部至少比測(cè)3個(gè)控制點(diǎn)，比對(duì)結(jié)果滿足《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范》［7］中規(guī)定的精度要求，高程誤差不超過(guò)3～5 cm。回聲儀測(cè)深精度滿足《船用通信導(dǎo)航設(shè)備的安裝、使用、維護(hù)、修理技術(shù)要求》［8］中第3部分回聲測(cè)深儀中規(guī)定的精度要求，水深精度采用等精度檢測(cè)，主測(cè)點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)圖上1 mm范圍為重合點(diǎn)進(jìn)行判斷。本次測(cè)量水深精度采用等精度檢測(cè)，主測(cè)點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)圖上1 mm范圍為重合點(diǎn)進(jìn)行判斷。檢測(cè)線共9.7 km，主測(cè)線160 km，占6.1%。共對(duì)比129個(gè)點(diǎn)，超限點(diǎn)0個(gè)，水深精度綜合得分82.7分（表1）。

表1 水深精度對(duì)比

3 結(jié)果分析

金山三島灘涂水下地形測(cè)量控制點(diǎn)點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)見(jiàn)表2。

將外業(yè)測(cè)量結(jié)果通過(guò)南方CASS9.1中小比例成圖系統(tǒng)展開(kāi)配合草圖成圖，得到2016年金山三島灘涂水下地形云圖。

地勢(shì)總體上看，三島附近水下地形情況復(fù)雜，三島連線兩側(cè)各1 km左右范圍內(nèi)地形起伏較大。小金山島南北兩側(cè)有兩條深坑，南側(cè)深坑更長(zhǎng)，最大水深－58 m。大金山島距離小金山島約2 km，兩島之間有一條東西向的深槽，平均水深－25 m以上，大金山島導(dǎo)流壩對(duì)深槽南側(cè)形狀有影響。大金山島與浮山島相距約1 km，兩島之間見(jiàn)一山脊樣的地形，山脊西側(cè)地形水深更深，形成這一突兀地形應(yīng)與兩島相對(duì)間類似導(dǎo)流壩的地形有關(guān)。浮山島南側(cè)有一個(gè)東西方向長(zhǎng)的深坑，水深在－20～－42 m，此處深坑的形成以及小金山島北側(cè)深坑的形成應(yīng)與島體對(duì)應(yīng)的形狀有一定的關(guān)系。

表2 金山三島灘涂水下地形測(cè)量控制點(diǎn)及坐標(biāo)

4 近3年岸攤演變趨勢(shì)分析

4.1 2015—2016年三島灘涂水下地形對(duì)比分析

根據(jù)2015年及2016年水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)繪制金山三島灘涂水下地形對(duì)比變化云圖可以看出，三島灘涂水下地形局部地區(qū)有淤積和沖刷，主要表現(xiàn)在：小金山島兩側(cè)深坑局部淤積約3 m，同時(shí)也伴有局部沖刷3 m左右；大金山島東側(cè)局部淤積約0.5 m；大小金山島之間的深槽沖淤狀態(tài)較穩(wěn)定；浮山島與大金山島之間的山脊地形變化不大，略微有點(diǎn)抬高。浮山島南側(cè)深槽總體成淤積狀態(tài)，淤積在0.8 m左右。2015—2016年，金山三島灘涂水下地形淤積的面積比沖刷的面積大，平均淤積約0.6 m。

4.2 2014—2016年三島灘涂水下地形對(duì)比分析

根據(jù)2014年及2016年水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)繪制金山三島灘涂水下地形對(duì)比變化云圖可以看出，三島灘涂水下地形局部地區(qū)有淤積和沖刷，主要表現(xiàn)在：小金山島兩側(cè)深坑局部淤積約1 m，同時(shí)也伴有局部沖刷5 m左右；大金山島與小金山島之間的深槽邊緣有沖刷；大金山島附近地形變化不大，島東側(cè)淤積約0.5 m；浮山島與大金山島之間的山脊地形變化不大，略微有點(diǎn)抬高。浮山島南側(cè)深槽總體成淤積狀態(tài)，淤積在0.8 m左右。同時(shí)，受浮山島自身南側(cè)島體形狀影響，浮山島南側(cè)深坑?xùn)|北側(cè)向島體近岸沖刷，且有向東北角推進(jìn)的趨勢(shì)。2014—2016年，金山三島灘涂水下地形整體呈沖刷狀態(tài)，平均沖刷約0.2 m。

4.3 變化原因分析

通過(guò)分析2014—2016年以及2015—2016年金山三島灘涂水下地形變化結(jié)果可知，3年來(lái)三島灘涂地形變化不大，2016年較2015年地形總體成淤積狀態(tài)，2016年較2014年總體成沖刷狀態(tài)，可見(jiàn)2015年較2014年地形總體成沖刷狀態(tài)，且沖刷量比，2016年較2014年沖刷量多。三島灘涂水下地形在不同年度中有輕微的變化，這與三島島礁附近復(fù)雜的水域有關(guān)，不同季節(jié)、不同風(fēng)向、流向、潮汐等都會(huì)對(duì)其地形產(chǎn)生影響［9］。其中海灣工程對(duì)潮流的影響較大，進(jìn)而影響水下地形的變化［10］。短期來(lái)看，人為活動(dòng)所致的水沙變化也會(huì)明顯影響特定地形條件下的沖淤變化［11］，大金山島的導(dǎo)流壩的存在導(dǎo)致大小金山島之間的深槽南邊緣遠(yuǎn)離大金山島。

5 結(jié)論與展望

本文采用GPS－RTK技術(shù)對(duì)金山三島灘涂水下地形進(jìn)行測(cè)量，在確保測(cè)量精度滿足要求的情況下，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整理，并繪制成三島灘涂水下地形云圖，同時(shí)結(jié)合2015年和2014年三島灘涂水下地形測(cè)量結(jié)果，分別繪制2014—2016年以及2015—2016年三島灘涂水下地形變化圖，結(jié)果如下。

（1）從地勢(shì)整體上看，受三島島礁的影響，三島附近水下地形情況復(fù)雜，三島連線兩側(cè)各1 km左右范圍內(nèi)地形起伏較大。小金山島南北側(cè)、浮山島南側(cè)有3個(gè)深坑，大金山島與小金山島之間有一條東西向貫通的深槽，平均深度達(dá)到－25m以上，浮山島與大金山島之間有一山脊樣的地形，這一地形的形成與兩島之間類似導(dǎo)流壩的地形有關(guān)。

（2）近3年來(lái)，三島灘涂水下地形整體變化不大，2016年較2014年整體呈微沖刷狀態(tài)，2016年較2015年整體呈微淤積狀態(tài)。由于測(cè)量時(shí)季節(jié)的不同，風(fēng)向、流向以及潮汐狀態(tài)的不同，測(cè)量結(jié)果也會(huì)有少許差別，整體趨勢(shì)變化相差不大。

（3）建議定期開(kāi)展金山三島灘涂水下地形測(cè)量，這樣不僅可以及時(shí)了解三島灘涂地形的變化，積累三島周邊水下地形資料，為保護(hù)和開(kāi)發(fā)深槽提供科學(xué)依據(jù)［12］，還可以為管理部門在三島規(guī)劃、工程建設(shè)、環(huán)境保護(hù)等方面提供參考。

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Evolution of the Underwater Topography of the Three Islands in Jinshan

WANG Wansheng
（Jinshan Ocean and Coast Management Institute，Shanghai 201508，China）

GPS－RTK technology was used to measure the underwater topography of three islands of Jinshan district in 2016.Underwater topography cloud chart was drawn and compared with the results of underwater topographic survey in 2014 and 2015.The results showed that the terrain has big change in the line within a kilometer of three islands.There is a pit in the north and south side of Small Jinshan Island and an EW direction deep trough between the Big and Small Island，whose formation is inconsistent with the ebb and flow and human activities.The terrain between Big Island and Fushan Island is like a mountain ridge.There is also a pit located in the south of Fushan Island.In the past three years，the underwater topography of three islands of Jinshan district has changed little，and there are deposition and erosion in partial small area.Measuring the underwater topography of three islands of Jinshan district regularly can help master the law of change，and provide basic information for management.

Three islands of Jinshan district，Underwater topography，Measure，GPS－RTK，Evolution analysis

P258；P7

：A

：1005－9857（2017）07－0080－05

2017－03－13；

：2017－06－01

王萬(wàn)勝，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境科學(xué)、河口海岸學(xué)