浮标自动波浪观测仪器在工程中的应用

浮标自动波浪观测仪器在工程中的应用

梁水林1，梁芊芊2

(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663；

2.苏州大学 文正学院，江苏 苏州 215104)

摘要：

本文以Datawell Mk III 波浪骑士为例，介绍了浮标自动波浪观测仪器在工程中的应用。通过观测手段获取工程海域符合标准要求及工程需要的可靠资料，对海洋工程安全和经济具有现实意义。关键词：

波浪观测；波浪浮标；波浪要素；波浪特征。中图分类号：P641 文献标志码：

A 文章编号：1671-9913(2019)S1-0004-04Application of Buoy Automatic

Wave Observation Instrument in Engineering

LIANG Shui-lin 1, LIANG Qian-qian 2

(1. Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd. of CEEC, Guangzhou 510663, China;

2. Wenzheng College ，Suzhou University, Suzhou 215104, China)

Abstract Taking Datawell Mk III wave knight as an example, this paper introduces the application of buoy automatic wave observation instrument in engineering. Obtaining reliable data of engineering sea area by means of observation is of practical significance to safety and economy of marine engineering.

Keywords wave observation; wave buoy; wave characteristics; wave characteristics.

* 收稿日期：2018-12-10

第一作者简介：梁水林(1963- )，男，广东广州人，教授级高级工程师，从事工程水文工作。

0 引言

波动是自然界最普遍的现象，海洋波动是海水运动及其变化的重要形式，其研究一直是科学和工程领域的重要课题。中国沿海长期连续观测[1]的波浪站甚少，无法满足工程需要，这就要求开展必要的短期波浪观测，为波浪数值计算及物理模型试验提供依据。

波浪的波高、周期、波型、波向、海况等称为波浪要素。表征波浪运动及其变化的属性或物理量等称为波浪特征，多以物理量、图表、参数等描述。波浪观测仪器有波浪浮标仪、声学测波仪和雷达测波仪等。用于观测波浪的波高、周期、波向、波长等波浪要素的浮标系统称为波浪浮标[2]仪。

1 观测仪器

观测仪器一般应具有系统设置、数据记录、数据转换、数据通讯和能量供应功能；能设置每个传感器的最新标定文件。观测仪器的测量准确度应满足波浪要素测量技术指标。波浪观测比较普遍的仪器有美国ENDECO/YSI 公司的1156波迹浮标系统、荷兰产Datawell Mk III 波浪浮标、美国S4(电磁海流和波浪方向)浮标、浪潮仪等，本文以Datawell Mk III 波浪骑士为例予以说明。

Datawell Mk III 波浪浮标是一个对称的单点系泊的小型测量系统，无人值守，可以长期、自动、定点、定时、全天候的对波高、波

DOI ：

10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2019.S1.002

向、波周期等要素进行遥测，可经受非常恶劣的海洋和气象条件，如40 m的大浪、12级的台风、50 ℃的太阳暴晒等，可靠性高、测量精度高，即使是这样的恶劣条件Datawell Mk III 波浪浮标也可以工作10～15年。此仪器属于重力测波仪，工作原理：用随波运动的浮体内的加速度计测量海水质点沿重力方向的加速度，经二次积分后求得波高。记录方式分为自记式、发报式和电缆传输式三种。此浮标采用精确的稳定平台传感器，采用一个加速度计即可测量波高；在波向方面它可以直接测量纵横摇而不需要积分，与水平加速度计和电子罗经结合后，构成了完整的传感器单元。

2 观测方案

根据标准、技术要求及工程需要，在工程海域布设1个波浪观测站进行波高、波向、波型和周期观测。每天24 h连续观测，采样间隔100 s内256组数据，观测时间为一年，资料完好率达到95%以上。

2.1观测点的选择

观测点应与工程总平面布置、港口航道布置紧密结合，适应后续专题研究需要；观测点海面应开阔，无岛屿、暗礁、沙洲、人工构筑物等，尽量避开陡岸，水下地形过渡尽可能平顺。选点前尽可能收集海区海流及波浪历史资料，避开急流区，根据收集到的历史最大波长确定观测点，观测点海图水深建议大于历史最大半波长；观测点避开繁忙航道，与岸上接收点无线电通讯良好。

2.2仪器准备及锚系准备

根据技术要求，波浪观测仪器包括如下组件：1)锚系，包括：聚丙烯绳、配重、橡皮筋、浮球和连接件等；2)卸扣、螺杆、螺母和开口销；

3) WR-SG、DWR-MKIII、DWR-G浮标，包括密封盖；4) GPS天线；5)浮标平衡部件和牺牲阳极；6)带发光二极管的HF天线，包括密封圈和固定螺丝；7) GP接收天线；8)天线用同轴电缆；9) RX-D或RX-C接收机；10) W@ves21和SeaSaw21软件光盘；11)安装指南和参考手册；12)其它自行准备的部件；13)预制锚系配重500 kg (0.9 m浮球)的海底沉链；14)浮球；

15)接收天线支杆；16) PC机和串口线。

锚系材料本身没有任何传感器，但它对观测是至关重要，观测时还需要对锚系作如下工作：根据投放深度调整聚丙烯绳子的长度，将黄色浮球加到合适位置，连接各锚系终端；在聚丙烯绳上加沉块或锚链；聚丙烯绳的一端加黄色浮球，用25 mm的卸扣连接到锚重块上，另一端与橡胶绳连接；将橡胶绳的另一端与浮标链连接；根据需要加橙色浮球。卸扣在拧紧螺母后，需要用固定销锁紧。为了避免绳子缠绕，用8字盘缆法将绳子盘好。

2.3启封浮标

打开浮标舱盖，连接壳体和电路之间的插头和插座，启动后盖上舱盖。如果舱体内有负压，可以用吊装孔来打开舱盖。安装带有垫圈的HF 发光天线。预先清除凹槽，小心地将密封橡胶圈全部放入环形凹槽内，否则会出现渗漏。凹槽内不需要任何密封脂，拧紧6个固定螺丝。安装防旋转三脚架。用手遮住闪光灯，标准模式下，会在20 s内闪烁5次。

2.4接收天线及接收机的安装

经防腐处理的GP接收天线要求高于周围其它建筑，对海面方向，视野开阔(无障碍)。天线杆也要具备防腐抗强风能力。RX-D和RX-C接收机可以接收WR-SG、DWR-MKIII和DWR-G波浪浮标信号。用同轴电缆从接收机后面板连接到天线，通电后LCD显示浮标数据。接收机的工作频率出厂时根据浮标的频率已经调好。

2.5软件

仪器的软件分为两部分：采集软件和显示软件。采集模块根据通讯方式不同而不同：无线电通讯模块为rfBuoy，GSM通讯模块为gsmBuoy。显示软件为W@ave21或SeaSaw21。采集软件和显示软件之间用TCP/IP协议进行通讯。采集软件作为服务器端软件，显示软件

作为客户端软件。两个软件必须在同一个局域