河口是人类活动对海洋环境影响最大的一个区域。根据《2016中国海洋环境状况公报》，枯水期、丰水期和平水期我国68条河流入海监测断面水质劣于第V类地表水水质标准的比例分别为35%、29%和38%，近岸主要河口和海湾水质污染严重^[1]。我国近岸海洋环境中的污染物主要来自于陆源，与排污口、大气、养殖污染相比，河流排海污染物的贡献比例约占陆源排海污染物总量的80%^[2]。江河污染物的入海通量取决于入海河流的水质和入海径流通量，其中入海径流通量是影响污染物入海通量变化的主要原因^[3]。因此开展我国江河入海径流通量研究具有重要意义。

近些年我国已开展了一些关于江河入海径流通量的研究工作, 沈焕庭等^[4]系统研究了河口区通量估算方法和长江口水沙通量变化过程；汪亚平等^[5]从原位监测调查的角度, 基于ADCP走航断面观测，开展了长江口水沙入海通量的观测与分析；乔飞等^[6]基于EFDC模型, 构建长江下游及河口区二维水动力模型, 对河流和河口区进行整体模拟, 研究长江河口区潮流量、径流入海时间与径流量之间的定量关系。国外河流入海径流通量研究多基于观测站的实时资料，如美国综合海洋观测系统(IOOS)在2012年成立了由质量保证顾问委员会、地区协会、仪器厂商和使用者组成的项目组，针对影响入海径流通量的海流要素开展了实时质量保证和质量控制体系化研究^[7]。由于江河入海径流通量统计分析和数值模拟存在着方法原理、参数确定和计算过程的不确定性，因此原位监测仍是河流入海通量研究最重要的基本方法和原始数据来源。目前我国每年海洋环境常规业务监测工作仍是基于枯水期、丰水期、平水期等典型时段的瞬时监测，进行江河入海径流通量估算。这种方式监测频率低、偏差较大，未能体现涨落潮变化，亦不能反映入海径流通量真实状况。我国江河入海河口段水文特性复杂，受径流和潮流影响的流量日变化较大，并且很多江河入海口附近建有闸坝，其对流量也有较大影响，这进一步增加了我国入海径流通量监测的难度。

本文针对江河入海通量在线监测的两个关键问题即断面设置和流态监测，探讨感潮河段复杂环境条件下的江河入海通量在线监测技术方法，并结合辽河入海径流通量的在线监测结果进行案例分析。

1   监测方法

1.1   监测断面设置

断面设置是河流入海径流通量监测能否顺利实施的首要条件。根据海水和淡水的混合程度河口区可分潮流段、过渡段和河流段，其示意图可见图 1。潮流从海滨进入口门后随着上溯距离以及径流作用而逐渐削弱。潮流界是潮流所能达到的上界, 超过此位置, 潮流不再向上行进。潮区界为潮位变化的上界，潮差为零。江河入海径流通量监测和河流流量监测在空间要求上完全不同。宏观上，江河入海径流通量监测具有位置要求，其越接近河口口门越好，而流量监测的位置可在河流中的河源、上游、中游、下游和河口5个位置中的任意位置均可。

图  1  河口区

Fig.  1  The estuary areas

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1) 河流段

潮区界和潮流界之间的河口上段为河流段，主要由径流控制，潮汐的作用仅表现在涨潮时水位被潮流顶托而有所壅高，此段水流为向海的单向流, 咸水未能抵达。根据鸭绿江、长江和钱塘江潮区界和潮流界信息表(表 1)可知，鸭绿江潮区界距河口距离约为50 km，潮流界距河口约为40 km；长江潮区界距河口距离约为610 km，潮流界距河口约为340 km；钱塘江潮区界距河口距离约为220 km，潮流界距河口约为140 km。潮流界普遍距离河口口门较远，由于监测对象是入海通量而非流量，潮流界至口门中间过程存在点源的汇入和分流、面源的降雨、蒸发、土壤吸收以及闸坝人为影响等，这些因素都增加了入海径流通量监测的不确定性，因此不适合在河流段设置入海径流通量的监测断面。

表  1  潮区界和潮流界信息

Tab.  1  The information of the tidal limit and tidal current limit

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2) 潮流段

河口口门至滨海浅滩的外界为潮流段，此段的水流、泥沙运动和河床演变主要受潮流控制。河流进入此段后，向海方向的河宽明显增大、水流变缓，泥沙开始堆积，沿岸地形多为喇叭口，且潮滩多。强潮河口的潮流段深入河口湾以内，水流主要表现为往复流，下游具有一定的旋转流特征；具有拦门沙的河口，其潮流段多在口门以外，旋转流特征明显增强。由于此段缺少河岸约束作用地形多变流态复杂，也不利于设置入海径流通量的监测断面。

3) 过渡段

潮流界与口门之间为过渡段，该段水流主要受径流与潮流交互作用，流态主要表现为往复流，洪水期以径流作用为主，枯水强潮时期潮汐作用明显，潮波变形和潮流历时变化也主要发生在这一河段。此段靠近入海口，并且受河道地形的约束作用，宜作为入海径流通量监测控制断面。

因此河流入海径流通量监测断面应选在河口区的过渡段内，监测断面设置还应符合以下要求：

a) 应选在易形成断面控制的河段；

b) 在相同控制特性的河段上，应选择窄深河段；

c) 河床应稳定，避免选在易崩坍和冲淤明显的河段；

d) 结冰河流不应选择有冰凌堆积、冰塞、冰坝的河段；

e) 河段糙率宜基本一致，河槽内不宜有挺水植物；

f) 河段宜顺直、稳定、水流集中；

g) 河段宜有大体一致的河宽、水深和比降；

h) 宜选择河面通视条件好，受风浪影响较小的河段；

i) 宜垂直于主流方向；

j) 宜避免选在水工建筑物、锚地、闸、坝或泵站附近；

k) 如过渡段有闸坝，通常情况下应选在江河入海最后一道闸、坝的下游，如下游水深不满足仪器监测要求，而上游又有较长的顺直河段时，可将监测断面设置在最后一道入海闸坝的上游。

1.2   断面流态监测

由于过渡段流态受潮流、径流、风浪、地形等因素的耦合作用，监测断面上的流速、流向和水位不断往复转变，构成了复杂的水文现象。近些年，相关研究正在逐步开展，朱巧云等^[14]根据代表线法测流原理，采用定点ADCP实现了徐六泾水文站断面流量的实时监测，是大江大河推行ADCP在线测流的成功案例；H-ADCP也广泛应用于径流、中小河流及潮流河段^[15]；韦立新等^[16]以长江下游感潮河段南京水文实验站为例，建立了实测断面平均流速与水平、定点ADCP指标流速之间的多元线性回归模型，并进行了误差检验。但以上方法多是针对某一特定入海河流的单一方法，缺少对断面流态监测方法的定义，也缺少对不同断面流态监测各类技术方法的归类划分。本文根据我国入海河流过渡段水深和河宽、流态监测仪器技术指标和仪器搭载平台，将过渡段流态监测方法分为代表点、代表层、代表垂线和组合式4种方法，如图 2所示。

图  2  流态监测方法示意

Fig.  2  the schematic of the flow pattern monitoring

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1) 代表点测流法

代表点测流法是指通过对某一个或多个点的流态监测来表征整个监测断面流态的一种方法，其示意图见图 2a。该方法适用于小型河流的过渡段，且要求其监测河段足够顺直、断面形状呈U或V形，水中漂浮物少，不受通航船只影响。该断面流态应平稳，主流区范围较大且稳定居于中泓区附近，断面最大流速在断面中央，主流区边缘流速向岸边均匀减弱。断面平均流速可以与断面单个或多个代表点流速建立稳定可靠的函数关系。断面河宽一般小于50 m，断面中部水深一般小于5 m(代表点)或在5~10 m之间(多代表点)。可利用桥梁、索道、固定支架等方式安装点式流速仪以开展代表点流速连续监测。

2) 代表层测流法

代表层测流法是指通过对某一水平层的流态监测来表征整个监测断面流态的一种方法，示意图见图 2b。该方法适用于中小型河流过渡段，且要求其监测河段应长期稳定、流态平稳、水深较大，潮差应小于断面平均水深，主流区范围大、位置稳定，断面流速分布总体稳定；断面平均流速可以与断面单个或多个代表层流速建立稳定的可靠函数关系；断面河宽一般在50~200 m之间，断面中部水深一般在5~10 m之间；可利用固定支架安装H-ADCP(水平式声学多普勒流速剖面仪)以开展代表层流速连续施测^[17]；H-ADCP声束不应受上下边界层和船只等结构物遮挡的影响。

3) 代表垂线测流法

代表垂线测流法是指通过对某一垂向剖面的流态监测来表征整个监测断面流态的一种方法，示意图见图 2c，通常可分为声学向下定点测流法和声学向上定点测流法。声学向下定点测流法适用于中型河流过渡段，且要求其监测断面较规整，该法不受底质推移质影响，仪器布放平台不应影响通航；断面平均流速可以与断面上单条或多条代表垂向剖面流速建立稳定可靠函数关系；断面河宽一般大于100 m，断面中部水深一般大于10 m；可利用浮标安装ADCP对代表垂线流速连续监测^[18]。声学向上定点测流法适用于中小型河流的过渡段，且监测河段泥沙淤积情况不明显、断面较规整；断面平均流速可以与断面上单条或多条代表垂向剖面流速建立稳定可靠的函数关系；断面河宽一般大于50 m，断面中部水深一般大于5 m；可利用海床基安装ADCP对代表线流速连续监测。

4) 组合式测流法

组合式测流法是指通过对点、水平层或垂向剖面的多种组合流态监测来表征整个监测断面流态的一种方法，其示意图见图 2d。根据断面水动力地形环境特点、通航情况、仪器条件等方面选择代表点测流法、代表垂线测流法和代表层测流法中的两种或三种进行组合测流。组合式测流法适用于大中型河流，断面平均流速无法与单一的代表点、代表线或代表层流速建立稳定可靠的函数关系。断面河宽一般大于100 m，断面中部水深一般大于10 m；不同声学仪器之间的采样时间应分隔开，以免声波相互干扰。

2   案例分析

2.1   环境状况

辽河位于中国东北地区南部，是中国七大江河之一，全长1394 km，流域面积21.9×10⁴km²。辽河分离为两个相互独立的入海水系，一个是从六间房分流经盘锦市入海的辽河水系，另一个是从营口市入海的大辽河水系。本文分析的是辽河水系。2015年国家海洋局在辽河河口过渡段设置了辽河入海通量监测断面，建立了海洋环境在线监测试验基地/辽河在线监测站，站位如图 3所示。该监测断面邻近闸坝、位于过渡段、地形条件多变、水深较浅，断面流态情况较为复杂。

图  3  监测站位

Fig.  3  The monitoring stations

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1) 闸坝影响

为了保证农业灌溉用水和城镇企业、居民生活用水，1968年盘锦市政府修建了双台子河闸，距离辽河在线监测站约22 km。为了防止辽河入海口处两岸农业作物不受海水侵蚀，同时保证入海口处的水上景观，2012年盘锦市政府在盘锦市感潮河段修建立了一座橡胶坝，橡胶坝一共分为三段，橡胶坝升起和下降的时间由人为控制。由于双台子河闸不定期蓄放水，已影响感潮河段潮汐水位的变化规律，感潮河段变为从入海口到双台子河闸截止，距离由原来的134 km缩短到57 km^[18]。据此，辽河在线监测站入海通量监测断面设置于橡胶坝上游80 m。橡胶坝的建立进一步加大了监测河段流速、流向的不确定性。

2) 过渡段

监测断面为河口过渡段，是海水和淡水混合的主要河口区域。根据辽河在线站10 min采样间隔的水位和垂向剖面流监测数据，橡胶坝未升起期间，监测断面潮汐类型属于非正规半日潮，潮差多在0.5 m左右，涨潮流历时多在3~4 h之间，落潮流历时多在8~9 h之间。根据2017年6月20日至7月13日10 min底层盐度原位监测资料，实测盐度最大值为15.32。由此可见，海水和淡水交汇处易形成盐水楔，监测断面纵向流速、流向差异较大，具有非恒定往复流特征。

3) 地形复杂

在橡胶坝的上游间隔5 m布设多个断面，进行现场单波束水深调查，以85高程为基准面，经过水位订正消除潮汐变化，可知橡胶坝上游地形条件复杂，水深断面变化不规则，地形如图 4所示。河段西岸坝的北侧有一深坑水深可达10 m，沿西岸有一深槽，水深逐渐变浅；河段中间坝的北侧有一土包。该段的地形条件不仅对局部流场造成影响，也对流态监测实施造成了一定困难。

图  4  地形示意

Fig.  4  The sketch of the terrian

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4) 水深较浅

H-ADCP是利用声学多普勒原理测量流速剖面的水平声学多普勒流速仪，以Sl500ADCP为例，波束开角1.4°，声束如图 5所示。距离换能器表面水平距离60 m处，水深要求至少3 m；距离换能器表面水平距离80 m处，水深要求至少4 m；距离换能器表面水平距离100 m处水深要求至少5 m。监测河段水深较浅多在5~8 m之间，从而影响水平监测有效范围，只有在丰水期涨潮期间监测断面水深较为理想，水平监测有效范围可达100 m，波束不易受上下边界影响。

图  5  H-ADCP声束示意

Fig.  5  The sketch of the H-ADCP acoustic beam

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2.2   综合性监测方案

由于监测断面流态复杂，单一代表点、代表层、代表垂线测流法无法反映断面流态状况，本文采用组合式测流法，其综合性监测方案如图 6所示，监测仪器信息可见表 2。首先在河岸两侧打下两根长2.8 m的木桩，然后跨越河道垂直河岸固定一根直径0.6 cm的钢丝绳，采用Infinity-EM AEM USB自容式电磁海流计进行河两岸表层和中部表层、中层、底层典型大小潮时期单点流监测，采用TRDI Stream ADCP进行船舶往返走航垂向剖面流典型大小潮监测，采用Sontek SL 500ADCP进行定点水平剖面流长期监测，采用Flowquest 1000 ADCP进行定点垂向剖面流长期监测。两台ADCP监测时间覆盖感潮河段的丰水期、平水期和枯水期，并且包含开闸放水时段，采样间隔频率为10 min。

图  6  监测方案示意

Fig.  6  The sketch of the monitoring scheme

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表  2  监测仪器信息

Tab.  2  the information of the monitoring instrument

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2.3   代表流速和断面平均流速

对4种监测方式进行对比，因海床基监测方式具有如下特点：一是流速代表性强，与水平剖面流相比，垂向剖面流更能表征河段流态状况；二是测量准确度高，相比较浮标、船舶、索道，海床基为固定监测平台，不受海况影响，没有相对运动速度；三是测量位置一致，相比较浮标，海床基搭载ADCP不同波速层厚位置统一；四是测量范围大，与浮标的自身吃水深度相比，海床基搭载ADCP垂向监测的有效范围更大；五是测量更宜实施，与其它三种监测方式相比，海床基监测对船舶通航影响最小。综上，我们选取Flowquest 1000k ADCP长期监测的垂向剖面流作为主要代表流速，Sontek SL 500k ADCP长期监测的水平剖面流作为次要代表流速。

采用船舶走航监测的流量结合同步断面横截面积，可计算断面平均流速。在满足一定不确定度的条件，对同步监测的代表流速和断面平均流速建立函数关系。考虑n个自变量的多元线性回归方程可表示为

式中：ε_i~N(0, σ²)，即误差项为独立同分布的正态随机变量；C为常数项, a₁, a₂, …, a_j为回归系数。

本文采用两个自变量与一个因变量建立线性函数关系，某一监测时期内，断面平均流速V可认为是主要代表流速V_f和次要代表流速V_h的线性函数。

式中：n为研究时段内的监测次数；a，b分别为V_f和V_h的回归系数。

2.4   入海径流通量计算

监测断面流量计算公式为：

式中:Q为断面瞬时流量；V为断面平均流速；ω为过水断面面积。

入海径流通量的计算公式如下：

式中：W_t为入海径流通量；t₀为落潮开始时间；t₁为落潮憩流开始时间；t₂为涨潮开始时间；t₃为涨潮憩流开始时间；Q_t为落潮流量；Q_j为涨潮流量。

2.5   监测结果

选取典型时期2016年秋季丰水期9月28日11时至10月18日9时的监测数据，监测断面径流入海通量约为3.921亿m³。通过流量和水位示意图(如图 7所示)可知，监测断面落潮持续时间约9~10 h，流量多在250 m³/s左右；涨潮持续时间明显小于落潮持续时间约2~3 h，流量多在100 m³/s左右。落潮流量与水位变化多呈正相关，涨潮流量与水位变化多呈负相关。根据监测断面每66 h一组的入海径流通量数据，入海径流通量示意图如图 8所示，由此可知丰水期每一段时间通量多在0.51亿m³，最大的入海通量0.73亿m³出现在10月4日3:30至10月6日23:50，而根据盘锦市气象站日降雨量资料，监测期间盘锦并无大雨，最大日降雨量出现在10月5日，其值为6.8 mm，这与入海径流通量监测结果比较吻合。

图  7  监测断面流量和水位

Fig.  7  The flow and the water level in the monitoring profiles

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图  8  入海径流通量

Fig.  8  The runoff flux into the sea

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3   结论

(1) 本文针对入海径流通量监测的两个关键技术问题即断面选择和流态监测，系统地给出了我国江河入海径流通量监测技术方法。

(2) 以鸭绿江、长江和钱塘江为例分析比较河口河流段、过渡段和潮流段的差异，提出了过渡段是江河入海通量监测断面选择的理想区域。

(3) 根据水深和河宽、流态监测仪器技术指标和仪器搭载平台，给出了我国入海河流过渡段流态监测的4种方法。

(4) 本文方法可以有效解决我国江河入海径流通量监测位置不一致、流态监测方法不统一、数据可比性差的问题，较为准确的反映江河入海径流通量的状况。