威海長會口海灣大橋橋區水域乘潮保證率分析研究

，，

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；2.山東省威海市公路管理局，山東 威海 264200)

威海長會口海灣大橋位于山東省的東部、膠州半島的南部、長會口海灣內，大橋西接文登市，東連榮成市。大橋所在的張家埠港的進港航道總長13.06 km，張家埠港至長會口嘴為天然航道，長約7.7 km，航道水深5 m以上，最大水深達8 m，寬度200～400 m；長會口嘴至1號燈標航道長2.4 km，水深1.4 m，寬約300 m；1號燈標以外有攔門沙，航道長2 963 m，最淺處水深1.1 m，千噸級船舶需乘潮進出港口。張家埠港灣口門處由于兩股水流均夾帶泥沙在此匯合，易形成攔門沙，嚴重制約了港口的發展。為此，在《威海長會口海灣大橋工程通航安全評估研究》的基礎上計算和分析長會口海灣大橋橋區水域(長會口嘴天然航道)的乘潮保證率，為確定通過橋區水域的代表船型提供技術支撐和計算依據。

1 乘潮保證率計算

乘潮潮位是指具有一定時間間隔且對于某種設計代表船型可用以安全通航的某一高潮潮位。航道乘潮通航保證率是指船舶在高潮前后若干時間內，可乘某一乘潮潮位Z安全進出航道的時間累積頻率。在乘潮歷時Δt時段內，航道水深不小于這一乘潮潮位Z。確定合適的乘潮潮位及乘潮通航保證率關系到航道疏浚量的大小，尤其是多淺段航道，往往里程較長、疏浚量大。

而要計算代表船型通過橋區水域的最低乘潮潮位Zmin的乘潮歷時Δt及乘潮潮位累計頻率P(乘潮通航保證率)時，首先應確定乘潮歷時Δt，以便在潮位過程線上量取對應的潮位值，最后在乘潮潮位累計頻率P曲線上選取所需的累積頻率潮位值Zmin，上述計算過程可由式(1)、(2)表示。

Δt=t2-t1
Zmin=h(t2)=h(t1)

(1)

P(Zmin≥d)=p

(2)

式中：t1、t2——高潮前后時刻；

h——潮位；

d——安全通航水深；

Zmin——最低乘潮潮位；

P——潮位累積頻率。

統計時乘潮潮位累計頻率，應有完整的1年或多年的實測潮位資料。

2 存在的問題與對策

2.1 潮位資料代表年的選取

潮位資料代表年的選取在乘潮保證率的計算中是非常重要的第一步。因為長會口海灣大橋橋區水域的潮型屬于正規的半日潮，N2、K2(虛擬天體分潮)分潮作用明顯，且由于白道升交點的影響較大。因此，對于不同年份，根據同一乘潮通航保證率計算的乘潮潮位存在差異。所以，觀測資料應當為1年以上。比較張家埠港2004年與2005年相同乘潮條件下的乘潮潮位計算值(測站基準面以上)，2005年普遍偏小，其中90%乘潮通航保證率在不同乘潮歷時所對應的乘潮潮位相差2～3 cm(見表1)。為了保證通過橋區的船舶在一般年份都有足夠的安全通航水深，故取乘潮通航保證率在90%時的乘潮潮位較小的2005年的潮位資料更為安全合理。

表1 張家埠港附近2004～2005年乘潮潮位表(乘潮通航保證率為90%)乘潮歷時 h

2.2 代表年份控制潮位過程線的選取

在確定潮位資料代表年后，對代表年份控制潮位過程線的選取就成為解決問題的關鍵所在。理論上對于船舶可以乘一潮進港的多淺段航道，淺段之間存在相對距離，因而各淺段高潮時刻、高潮潮位也會存在較大的差異。為保證計算結果的可靠性，計算乘潮通航保證率時應采用各淺段當地同步潮位過程線。見圖1所示。

t1-第1、2段間乘潮歷時；t2-第2、3段間乘潮歷時；tn-第n、n+1段間乘潮歷時；n-船舶乘一潮經過的淺灘個數圖1 多淺段航道潮位過程線示意

各淺段所在地的年表逐時潮位資料可采用當地附近長期潮位觀測站資料，但是并非所有淺段附近都有長期潮位測量站。

《海港水文規范》規定若潮位實測資料不足1年時可采用“短期同步差法”。但“短期同步差法”是建立長期站與短期站的高低潮位相關關系，適用于潮差沿程變化小、潮位變化不大的河口地區，但是對于潮差和潮位沿程變化大的半封閉型海灣地區，因計算乘潮通航保證率時所關心的是高潮位前后某一時段內的潮位，如果潮位沿程變化很大(隨時間變化大)，高低潮位相關關系將失去使用價值；如果采用最為普遍的插值法，即通過兩個以上長期驗潮站資料，內插出驗潮站之間某一淺灘處的乘潮潮位或潮位累積頻率，又受制于驗潮站數量與淺灘的地理位置分布。

考慮到以上諸多因素，采用控制潮位過程線法，控制潮位過程線法是選取某一長期潮位站的1年以上潮位過程線作為計算整條多淺段航道乘潮通航保證率的控制潮位過程線。對于長會口海灣大橋橋區水域，該法是以張家埠港的潮位過程線為控制潮位過程線，沿程各淺灘的乘潮潮位在此潮位過程線上量取。圖2所示為2005年5月15日基于張家埠港潮汐資料推算出的各淺灘大潮潮位曲線圖。

圖2 2005年5月15日各淺灘推算潮汐曲

基于以上的論述，計算5 000 t級淺吃水經濟型散貨船通過各淺段的乘潮潮位及乘潮通航保證率，取其中最小值作為該段航道的乘潮通航保證率。該段航道的乘潮通航保證率取97%時，船舶通過圖2中各淺段的乘潮參數值見表2。

表2 船舶通過橋區水域各淺段的乘潮參數值

2.3 計算方法的討論和優選

根據交通部《海港總平面設計規范》(JTJ211-99)，計算乘潮水(潮)位時，選取“每1個潮峰上”與乘潮進出港所需的持續時間相當的水(潮)位，這意味著每次潮汐船舶就有1次進港的機會。在潮汐性質為半日潮型的航道，平均1 d有2個潮汐，存在2個高潮。

該算法的實質就是計算船舶無論利用哪個高潮都能進港的乘潮通航保證率。顯然，這種算法適用于通航密度大的航道。當通航密度小于2艘·次/d(即船舶平均每天約有1次進港和出港的機會)，至于每天的機會要等待多長時間相對而言并不重要時，這種算法則趨于保守，使得乘潮潮位的計算值偏高，會造成不必要的疏浚投資。

針對長會口海灣大橋潮汐特征，對于通航密度小于2艘·次/d、候潮時間相對寬松的航道，可采用船舶乘高高潮進港計算乘潮潮位。

以張家埠港臨時潮位站2005年8月潮位過程線為例，當乘潮歷時為1 h、乘潮潮位為3.05 m(黃海高程)時，比較兩種方法計算的乘潮通航保證率，見表3。

表3 不同計算方法的乘潮通航保證率計算結果 %

表3說明采用乘高高潮法計算的乘潮通航保證率明顯高于采用乘每一高平潮的計算值。

3 結論與建議

在長會口海灣大橋橋區乘潮保證率的計算中，根據該水域的實際情況，選取2005年的潮位資料作為理論計算的基礎，同時由于潮位沿程變化很大、缺少各淺灘的實地長期潮位資料的現狀，采用了控制潮位過程線法選取潮位過程線，從而保證了計算的科學性和可靠性。在計算結果的基礎上結合橋區水域半封閉型海灣地形和水文條件特征，考慮到橋區通航密度較小、候潮時間相對寬松，采用船舶乘高高潮進港計算乘潮通航保證率，在同樣的乘潮保證率可以使疏浚量大大減少。在60%乘潮通航保證率下，橋區附近水域水深可以滿足2 000 t級船舶的滿載安全通航的要求，橋區附近水域還需進行一定程度的疏浚才能滿足2 000 t級以上船舶滿載安全通航的要求。