重現期高潮位在廣西全日潮岸段警戒潮位核定等應用中的局限性分析

姜紹材，黃子眉

（國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西北海536000）

1 引言

重現期高潮位是表征高潮位值的重要指標，在各類涉海工程設計、海洋預報減災等領域應用甚廣，如我國現行的《警戒潮位核定規范GB/T17839—2011）》、《海堤工程設計規范（GBT51015—2014）》等國家標準中均將重現期高潮位作為最重要的設計或計算參數之一。重現期高潮位通常采用第Ⅰ型極值分布律、皮爾遜Ⅲ型頻率曲線的方法進行計算，對于觀測資料較短的地區可采用與鄰近長期驗潮站同期數據通過極值同步差比法、高潮同步相關法、增減水同步相關法等方法計算得到[1-2]。

通過以上方法計算所得重現期高潮位在廣西全日潮岸段警戒潮位核定中的簡單應用存在所核定警戒潮位級別間差距過小，預警發布不具備可操作性，對應急管理指導性弱，警戒潮位與臺風強度、風暴增水強度相關性差等局限性，本文通過實測資料統計的方法進行分析，并提出適應于廣西沿海的警戒潮位核定方法。

2 廣西全日潮地區重現期高潮位特點與成因分析

2.1 廣西沿海潮汐特征

廣西沿海是我國少有的全日潮岸段，除東部沿海為不規則全日潮外，中西大部沿海均為規則全日潮[3]。從單站來看，廣西沿海目前具有多年連續觀測的驗潮站共6個，分別位于白龍尾、防城港、欽州港、北海港、鐵山港和潿洲島，其中鐵山港地區為不正規全日潮，其它地區均為正規全日潮。

圖1 廣西沿海各驗潮站分布圖

表1 廣西沿海各驗潮站潮汐類型特征值

2.2 各站重現期高潮位

北海港、潿洲島兩站分別建站于1965年和1960年。白龍尾站為曾用站，具有14 a的連續觀測數據，現已停用。其它各站建站時間較短，為5～20 a不等，各站分別采用第I型極值分布律或極值同步差比法確定重現期高潮位如表2。

2.3 各站重現期高潮位特點

2.3.1 同一重現期高潮位沿岸高于外海，東部高于西部

廣西沿海白龍尾、防城港、欽州港、北海港、鐵山港5站均為沿岸站，潿洲島站為海島站，圖3顯示了統一高程關系下，各主要重現期高潮位隨各站空間位置的變化曲線，可見同一重現期高潮位5個沿岸站均高于海島站。沿岸5個站中，重現期高潮位呈現明顯的自西向東逐漸增大的趨勢。

2.3.2 同一站點高潮位隨重現期變化小

選取警戒潮位核定、海堤設計等較常用的2年、20年、50年、100年4個重現期為代表，發現廣西沿海各站不同重現期間的高潮位差值普遍較小，其中2年一遇與20年一遇高潮位差值位于39～43 cm之間，20年一遇與50年一遇高潮位差值位于15～17 cm之間，50年一遇與100年一遇高潮位差值位于11～12 cm之間。

2.4 廣西重現期高潮位在實際應用中的局限性

2.4.1 標準值級別間差距過小、無法完成四色警戒潮位核定

廣西沿海標準海堤防御標準多為20年一遇，非標準海堤多為5～10年一遇土堤、土石堤。藍色、紅色警戒潮位標準值應分別采用2年一遇、5～20年一遇高潮位。各站2年一遇與20年一遇高潮位差值僅為39～43 cm。經修正值修正后，藍色、紅色警戒潮位差值過小（低于30 cm）。紅色警戒潮位標準值采用5年一遇高潮位的岸段，經修正值修正后可出現紅色警戒潮位低于藍色警戒值的不合理情況。

表2 各站重現期高潮位（單位：cm）

圖2 兩站第I型極值分布律頻率曲線

圖3 重現期高潮位隨各站位置變化曲線圖

圖4 廣西各站與上海蘆潮港、浙江舟山不同重現期高潮位差值對比（上海蘆潮港和浙江舟山數據引自文獻[4]）

表3 各站不同重現期高潮位差值表

2.4.2 預警發布不具備可操作性、對應急管理指導性差

目前我國防潮、防洪習慣采用不同重現期潮、水位作為應急預案啟動標準。以廣西北海市為例，《北海市洪潮應急預案》及《合浦縣防汛搶險應急預案》以原警戒潮位作為Ⅳ級應急響應標準，以10年、20年、50年一遇高潮位分別作為Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級應急響應標準。4級間極差分別為12、10、15 cm，差值過小，預警級別確定難度大，且在浪、潮共同作用下無法有效體現潮位與潮災的關系[5]，對應急管理指導意義不大。

2.4.3 所核定警戒潮位與臺風強度、風暴增水強度相關性差

在相似臺風路徑下臺風強度、風暴增水強度及浪潮疊加對堤防的破壞性通常有較好的正相關性，但由于廣西全日潮岸段特殊的天文潮、風暴增水疊加效果，重現期高潮位及其核定產生的警戒潮位與以上各指標相關性差，造成預警級別與實際致災等級無法有效對應。

3 造成廣西重現期高潮位特點和局限性的原因分析

目前重現期高潮位計算多采用第Ⅰ型極值分布律和皮爾遜Ⅲ型頻率曲線的方法，對長年連續觀測站點兩種方法均需以20 a以上實測年最高潮位作為經驗頻率點，頻率曲線需與經驗頻率點相吻合。廣西沿海與其它東南沿海省份雖同為臺風主要影響地區，平均每年出現30 cm以上增水的臺風風暴潮2.2次[6]，但由于廣西沿海為正規或不正規全日潮，除東部鐵山港外，每月全日潮天數多在20 d左右，半日潮天數僅10 d左右，各驗潮站平均潮差2.35～2.58 m，最大潮差5.19～6.21 m，全日潮期間漲潮歷時達12 h左右，退潮歷時達11 h左右[7]。因此風暴潮增水與天文高潮位疊加幾率低，每年最高潮位多為天文潮所致，以北海港為例，1965年建站以來的54 a間，年最高潮位為風暴潮所致的僅為5次（見表4），其余49次均為天文潮所致。

表4 由風暴潮所致當年最高潮位出現年份統計表

1965—2018年北海港各年最高潮位出現在3.10～4.00 m之間，由于主要為天文潮所致，各年最高天文潮位變化不會過大，集中在3.10～3.70 m之間（見表5）。

表5 1965—2018年北海港年最高潮位出現頻率

重現期高潮位計算中的經驗頻率與各年最高潮位的累計頻率有關，北海港各年最高潮位累計頻率50%（即經驗頻率2年一遇）的高潮位為3.41 m，累計頻率5%（即經驗頻率20年一遇）的高潮位為3.64 m，兩者僅相差23 cm。

4 廣西沿海警戒潮位核定方法的建議

前文提到廣西沿海海堤防御水平普遍不高，且不同重現期間差值偏小，因此無法嚴格按照警戒潮位核定的國家標準進行核定，本文依據以上特點初步提出紅色警戒潮位的核定方法。

4.1 雙坡型海堤岸段

4.1.1 計算方法

該類型海堤堤后通常地勢低洼、開闊，當出現潰堤、漫堤時易造成大面積淹沒，同時當風暴潮與強降雨疊加時，易造成內澇。因此該類型海堤紅色警戒潮位核定中建議采用不允許越浪條件下計算得出的堤頂高程與波浪爬高之差作為標準值，采用岸段重要等級、海堤結構等作為修正值，并綜合考慮水閘等附屬設施運行狀態、沉降等進行調整，計算公式如下：

公式如下：

式中：Hr為紅色警戒潮位，HT為堤頂高程，Hw為不允許越浪條件下波浪爬高，h3為岸段重要等級修正值，h4為海堤結構修正值，h5為水閘等附屬設施運行狀態、海堤沉降等調整值，以上單位全部為cm。

當海堤采用不允許越浪設計時，式中HT-Hw可采用設計潮高與安全加高代替；Hw計算方法參照《海堤工程設計規范（GBT51015—2014）》；h3計算方法參照《警戒潮位核定規范（GB/T17839—2011）》；h4計算方法建議針對土地、土石堤、石砌海堤、混凝土海堤等不同結構綜合評估海堤運行狀態和防御能力制定相應參考數值；h5計算方法建議考慮水閘等設施運行狀態對警戒潮位值進行適當調整，對于新建海堤需考慮其沉降量對警戒潮位進行調整，計算方法可參照《海堤工程設計規范（GBT51015—2014）》堤頂高程設計中對沉降量的計算方法。

4.1.2 與國標核定方法的差異分析

本方法與國標核定方法相比具有其更加適應廣西風暴潮與堤防特點的方面主要有：

（1）考慮了海堤安全加高。海堤在設計過程中在設計高潮位、波浪爬高的基礎上還需根據海堤工程級別增加安全加高，新方法將安全加高作為實際防御的一部分，既符合實際防御能力，又解決了紅、藍色警戒潮位標準值過于接近的問題。

（2）考慮了越浪問題。臺風風暴潮通常伴隨強降雨，雙坡型海堤堤后低洼，且受風暴潮影響水閘須處于關閉狀態，堤后易澇，同時出于安全考慮，本方法考慮以不允許越浪為核定標準[8]。

（3）考慮了工程沉降。采用堤頂高程作為紅色警戒潮位核定的重要指標，考慮了海堤工程建成后的沉降問題。

4.2 碼頭、護岸岸段及自然岸線

4.2.1 計算方法

該類型沿海陸域高程通常不低于海岸前沿，在不考慮岸線蝕退[9]的情況下，風暴潮災害主要來自于漫灘淹沒，紅色警戒潮位核定建議以地理信息系統為基礎，結合海洋災害承災體調查與風險區劃工作進行綜合評估[10]，即當潮位達到某一值時會造成重大或特別重大海洋災害損失，則該值即可設定為紅色警戒潮位標準值，并可根據岸段重要等級進行修正。

4.2.2 與國標核定方法的差異分析

本方法對國標核定方法中紅色警戒潮位的定義進行了修改，主要體現在：

（1）允許較輕強度的漫灘淹沒。國標核定方法中紅色警戒潮位是指防護區沿岸及其附屬工程能保證安全運行的上限潮位，本方法核定值允許超過防御能力上限，改為由是否造成重大或特大海洋災害為標準。

（2）紅、藍色警戒潮位差值擴大，解決了廣西沿海無法嚴格參照國標方法進行核定的問題。

5 結論

廣西全日潮岸段因天文潮、風暴增水疊加概率低，傳統計算方法造成高潮位頻率曲線潮位值隨重現期變化小的特點，同時廣西海堤防御標準普遍不高，防潮應急管理部門習慣采用重現期高潮位作為應急響應標準，導致了重現期高潮位的簡單應用在警戒潮位核定、防潮應急管理中存在局限性。建議在警戒潮位核定和防潮應急管理中打破單純以傳統重現期高潮位作為主要指標的模式，充分考慮海堤實際防御能力、風暴潮漫灘淹沒等。