日高潮不等海域乘潮水位的計(jì)算方法比較

喬光全，周合成，陸卓翔

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230)

在近岸港口航道設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)用到乘潮水位，在已有規(guī)范中[1]，乘潮水位保證率的統(tǒng)計(jì)是以所有潮過程的乘潮水位作為樣本。對(duì)于高潮日不等海域，每日存在兩個(gè)水位差別明顯的高潮，低高潮有時(shí)甚至?xí)陀谄骄Ｆ矫妗Ｒ虼耍玫降母弑ＷC率的高潮乘潮水位較低，尤其是正規(guī)半日潮以外的海域，保證率90%的2 h乘高潮水位可能在平均海平面附近，甚至低于平均海平面[2]。誠然，該水位和設(shè)計(jì)低水位相比，在航道工程的疏浚量方面能節(jié)省不少費(fèi)用，但是在來船頻率較低的港區(qū)，這種節(jié)省還可能會(huì)有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。比如，統(tǒng)計(jì)乘潮保證率時(shí)，采用乘潮水位的樣本如果僅選用每日的高高潮，可以提高乘潮水位，進(jìn)一步減少疏浚量。隨著碼頭停靠船噸位越來越大、航道疏浚越來越深，疏浚費(fèi)用的節(jié)省也越來越可觀。目前，針對(duì)乘潮水位樣本選取對(duì)水位影響的討論較少。基于此，本文選取了我國沿海4個(gè)代表性的不同潮型站點(diǎn)，選取不同的高潮樣本，采用兩種方法，對(duì)乘潮水位的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行探討，并從經(jīng)濟(jì)性和候潮時(shí)間等方面分析其利弊。為港口航道工程中乘潮水位的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 站點(diǎn)選擇和計(jì)算方法

本文從2018年潮汐表中[3]選取正規(guī)半日潮、不正規(guī)半日潮、不正規(guī)全日潮和正規(guī)全日潮共4種潮型進(jìn)行分析，結(jié)合筆者已有的研究成果[4]，4種潮型站點(diǎn)分別選取廈門、湛江、鐵山港和洋浦。其中廈門屬正規(guī)半日潮，每日兩個(gè)高潮潮高基本一致，將該站作為對(duì)比站；其余3站每日有1～2個(gè)高潮，高潮日不等現(xiàn)象顯著。分析4站通過兩種樣本選取方法得到的高潮乘潮水位的水位差、通航窗口期分布以及船舶候潮時(shí)間的特征，3組特征參數(shù)的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[2]。站點(diǎn)及相關(guān)潮汐參數(shù)見表1。

表1 站點(diǎn)及潮汐參數(shù)

2 結(jié)果分析

分別采用兩種樣本選取方法統(tǒng)計(jì)乘潮水位頻率分布。方法1采用規(guī)范中的方法，即以所有高潮過程的乘潮水位作為頻率分布統(tǒng)計(jì)樣本，每個(gè)站的樣本個(gè)數(shù)即本站的高潮個(gè)數(shù)；方法2只選取每日的高高潮作為統(tǒng)計(jì)樣本，樣本數(shù)量為365個(gè)。兩種方法統(tǒng)計(jì)得到的1～4 h乘潮水位頻率分布曲線見圖1。

圖1 不同站點(diǎn)的乘潮水位累積頻率曲線

由于方法2的樣本舍棄了每日的低高潮，因此圖中所有站點(diǎn)方法2曲線在方法1曲線之上。4個(gè)站中兩組曲線的表現(xiàn)形式大概分為3種類型：廈門站(正規(guī)半日潮)兩組曲線很接近；鐵山港和洋浦(全日潮)的兩組曲線在低保證率時(shí)差別不大，保證率超過50%后兩組曲線漸行漸遠(yuǎn)；湛江站(不正規(guī)半日潮)的兩組曲線在整個(gè)頻率范圍內(nèi)差別較大。將工程常用的乘潮時(shí)間為2～4 h、乘潮保證率為50%～90%的數(shù)據(jù)匯總于表2，表中差值表示方法2-方法1的結(jié)果。

表2 不同站點(diǎn)兩種方法統(tǒng)計(jì)得到的乘潮水位及差值

從表2數(shù)據(jù)可以看出，兩種方法的水位差有如下特點(diǎn)：不正規(guī)潮的差值最大，其次是正規(guī)全日潮，而正規(guī)半日潮的差別較小。以保證率為90%的2 h乘潮水位為例，鐵山港差值超過100 cm，湛江也超過50 cm，洋浦為40 cm，廈門是11 cm。另外，幾個(gè)站點(diǎn)呈現(xiàn)乘潮歷時(shí)越短或保證率越高則差值越大的趨勢(shì)。如相同歷時(shí)50%保證率的差值比90%保證率的差值小，相同保證率情況下，4 h乘潮水位的差值比2 h的差值小。這種特點(diǎn)在鐵山港和洋浦表現(xiàn)最明顯，廈門站差別不太大，在湛江站甚至還有相反的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)檫@兩個(gè)站的差值波動(dòng)比較小的原因。

不同站點(diǎn)潮差不一，對(duì)計(jì)算差值除以當(dāng)?shù)豈SL，進(jìn)行無量綱化，得到相對(duì)差值，數(shù)據(jù)列于表3。各站的相對(duì)差值在低保證率時(shí)大部分在6.0%以內(nèi)，高保證率時(shí)表現(xiàn)各異。廈門站的相對(duì)差值在4.0%以內(nèi)，湛江和洋浦的最大差值在15%～20%，而鐵山港在30%以上。另外，湛江和鐵山港的保證率在50%以上時(shí)，這種差值就表現(xiàn)得非常明顯，洋浦在到70%以上保證率的相對(duì)差值才到達(dá)10%以上。

表3 兩種統(tǒng)計(jì)方法的乘潮水位差值與當(dāng)?shù)豈SL比值

續(xù)表3

總體來看，不同樣本選取方法對(duì)正規(guī)半日潮海區(qū)乘潮水位的影響不大，對(duì)不正規(guī)全日潮影響最大，對(duì)不正規(guī)半日潮和正規(guī)全日潮海區(qū)的影響也很明顯。

3 討論

對(duì)正規(guī)半日潮以外海域，舍棄每日低高潮統(tǒng)計(jì)乘潮水位，一方面可將水位提高0.4～1.0 m，但也會(huì)縮短通航窗口期，增加船舶進(jìn)港的候潮時(shí)間。因此，從乘潮水位對(duì)這兩方面的影響進(jìn)行探討。為討論問題方便，本節(jié)選用2 h-90%水位，船舶需要的航行時(shí)間也相應(yīng)為2 h，其余乘潮時(shí)間和保證率的相關(guān)研究結(jié)論可參考文獻(xiàn)[2]。

3.1 通航窗口期頻率分布

對(duì)于通航窗口期，計(jì)算每個(gè)潮周期內(nèi)的連續(xù)可通航時(shí)間。其頻率分布的統(tǒng)計(jì)樣本可以以潮周期為樣本，也可以以一日內(nèi)的通航窗口時(shí)長作為樣本。為簡(jiǎn)單起見，前者稱為潮頻率，后者稱為日頻率。由于通航時(shí)間是連續(xù)的，因此對(duì)于日頻率的統(tǒng)計(jì)樣本，本節(jié)取連續(xù)通航時(shí)間長者作為當(dāng)日的通航窗口期。4個(gè)站的通航窗口期頻率分布曲線和累積頻率曲線見圖2。圖2a)、b)是頻率分布曲線，橫坐標(biāo)代表通航窗口期，縱坐標(biāo)表示各通航窗口期的分布頻率。統(tǒng)計(jì)中，橫坐標(biāo)以0.5 h為一個(gè)統(tǒng)計(jì)分段，即0代表無窗口期的頻率，Nh代表窗口期在(N-0.5)～Nh的頻率。圖2c)、d)是累積頻率曲線，曲線上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)表示連續(xù)通航窗口期大于等于橫坐標(biāo)時(shí)長的頻率。

圖2c)中深色曲線和圖2d)中淺色曲線均相交于點(diǎn)(2 h，90%)，與該水位的乘潮歷時(shí)和乘潮保證率一致，也就是說方法1的乘潮保證率得到的是潮頻率，方法2得到的是日頻率。從分析的4個(gè)站的頻率分布曲線來看，廈門的兩組曲線相差很小，其余3個(gè)站方法2得到的曲線明顯比方法1左移，表示通航窗口期明顯縮短，這是因?yàn)榉椒?得到的水位比方法1高的緣故。

圖2 不同站點(diǎn)通航窗口期的潮頻率和日頻率分布

提取圖2c)、d)中特征潮頻率和日頻率的通航窗口期，分析兩種方法得到的通航窗口期差值(方法1-方法2)，見表4。通航窗口期差值的中位數(shù)(累積頻率50%)和平均值各站不一，半日潮最小，不正規(guī)全日潮最大，正規(guī)全日潮和不正規(guī)半日潮其次。在4個(gè)站中，廈門在10～20 min，湛江在1.5～2.5 h，洋浦在2～3 h，鐵山港大致在3～5 h。累積頻率10%的值和平均值差別不大，兩種方法對(duì)最大窗口期和累積頻率90%的通航窗口期影響更大。

表4 特征潮頻率和日頻率的通航窗口期

3.2 船舶等候時(shí)間頻率分布

分析各站點(diǎn)在水位2 h-90%條件下，進(jìn)港需要候潮潮位時(shí)間的頻率分布。分析結(jié)果見圖3，圖中曲線上各點(diǎn)縱坐標(biāo)值表示候潮時(shí)間不超過橫坐標(biāo)小時(shí)的頻率值，深色線表示方法1的結(jié)果，淺色線表示方法2的結(jié)果。圖中淺線都在深線的右下方，表示相同的候潮時(shí)長方法2的頻率比方法1低，即在方法2水位下的船舶等候時(shí)間明顯比方法1的長。

圖3 各站點(diǎn)候潮時(shí)間頻率分布

從曲線提取特征頻率的候潮時(shí)間見表5。方法2計(jì)算得到的水位會(huì)延長候潮時(shí)間，從中位數(shù)(頻率50%)和平均候潮時(shí)間以及無需候潮頻率來看，對(duì)各站的影響(表中差值)表現(xiàn)為：對(duì)廈門(正規(guī)半日潮)影響最小，其次是洋浦(正規(guī)全日潮)，對(duì)湛江和鐵山港(不正規(guī)潮)的影響最大。對(duì)頻率為90%的候潮時(shí)間，方法1得到各站均為半天左右(10～14 h)，方法2大約為1天(22～28 h)；對(duì)最長候潮時(shí)間，兩種方法計(jì)算的水位結(jié)果都是全日潮明顯短于半日潮。從無需候潮的頻率來看，也是全日潮優(yōu)于半日潮。

表5 特征頻率的候潮時(shí)間和無需候潮的頻率

3.3 工程應(yīng)用

根據(jù)前文分析，統(tǒng)計(jì)乘潮水位頻率分布僅采用每日最高潮，一方面使相同保證率的乘潮水位升高，大大節(jié)約航道建設(shè)費(fèi)用。比如，以2 h-90%為例，廈門抬高11 cm、湛江抬高52 cm、鐵山港抬高114 cm、洋浦抬高40 cm，除廈門外，對(duì)其他3個(gè)站的影響非常大，以30 km長300 m寬的航道工程為例，這3個(gè)站點(diǎn)采用方法2的水位可減少疏浚量36萬～102萬m3，疏浚費(fèi)用按30元/m3估算，節(jié)省的疏浚費(fèi)可達(dá)上千萬元。

另一方面，水位抬高后可縮短高潮時(shí)的通航窗口期，增加船舶候潮時(shí)間，給港口航道的運(yùn)營及調(diào)度管理帶來額外工作量。本文除廈門以外的3個(gè)站，方法2能使通航窗口期平均縮短2～5 h，候潮時(shí)間平均延長5～10 h。尤其是對(duì)不正規(guī)潮海區(qū)，候潮時(shí)間大幅延長。如湛江(圖4)，假如在2018年6月6日來船，在方法2水位下，須候潮至6月11日方可進(jìn)港，而在方法1水位下，候潮時(shí)間不超過24 h；對(duì)鐵山港和洋浦，根據(jù)圖4，如果在6月8日和6月9日來船，兩種水位條件下船舶候潮時(shí)間也差別很大。

圖4 代表性站點(diǎn)典型的大-小-大潮周期潮位歷時(shí)曲線

因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，建議可根據(jù)前期航道工程的費(fèi)用投入和來船頻率，綜合考慮乘潮水位的選取。比如，在來船頻率很低(如每月一次)、船舶可以接受進(jìn)出港長時(shí)間候潮且前期費(fèi)用不充足的不正規(guī)半日潮和全日潮港區(qū)，可考慮采用方法2的乘潮水位，或?qū)Ψ椒?的水位進(jìn)行科學(xué)論證后，在可接受的范圍內(nèi)適當(dāng)放寬。

4 結(jié)語

1)和方法1相比，方法2得到的乘潮水位提高，水位抬高后，大幅縮短高潮時(shí)的通航窗口期，顯著增加船舶候潮時(shí)間。這種影響對(duì)正規(guī)半日潮不明顯，對(duì)不正規(guī)全日潮影響最大，對(duì)不正規(guī)半日潮和正規(guī)全日潮海區(qū)的影響也很明顯。

2)建議在實(shí)際工程中，根據(jù)工程前期的費(fèi)用投入和來船頻率，對(duì)兩種樣本選取方法進(jìn)行科學(xué)論證，綜合考慮乘潮水位的選取，在航道港口運(yùn)營方和航道使用者可接受的范圍內(nèi)，對(duì)乘潮水位適當(dāng)放寬，在滿足使用要求的前提下，節(jié)省項(xiàng)目投資。