唐山豐南海域潮汐特征分析

熊 偉，劉 杰*，邢 碩

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456； 2.天津水運工程勘察設計院有限公司 天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456)

唐山港豐南港區位于唐山市豐南區澗河村陡河河口至黑沿子沙河河口之間，建港自然條件優良，區位優越。“十二五”時期就已列入國家口岸發展規劃、河北省沿海地區發展規劃，是唐山港“一港三區”的重要組成部分。對該海域開展潮位觀測，分析潮汐特性，是實現自然資源科學利用的重要手段，可為港口航道設計、運營管理提供重要的基礎資料。

2019年4月1日～2020年3月31日期間在豐南海域設置H1、H2、H3三個觀測站開展了基于1985國家高程基準的周年潮位觀測工作。本文則基于這次的觀測數據，對豐南海域的潮汐性質、潮位特征值、設計高低水位、理論最低潮面、平均海平面等進行分析計算。

圖1 潮位站布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of tide station

1 潮汐調和分析模型

天文潮位是水位運動變化的主體， 由若干分潮綜合而成，假設分潮個數為m，則表達式為

(1)

式中：MSL為平均海平面高度；H代表分潮的振幅；σ代表分潮角速率；v代表分潮的天文初相角；g代表分潮的遲角。對于某一分潮，σ和v可以通過天體運動推算得到，H和g為分潮調和常數，是該分潮在某點振動變化的參數。式(1)是純粹形式上的潮汐調和分析的潮高表達式。國內很多專家學者在潮汐調和分析及其應用領域做了大量研究，例如方國洪等學者對潮汐運動原理及分析做了大量研究并取得相應成果[1-4]，王驥等學者對基準面計算、余水位分離、特征值統計方法等做了大量研究[5-9]，本文基于這些研究成果，對豐南海域潮汐特征進行分析，分析原理與過程不再贅述。

根據2019年4月1日～2020年3月31日期間的連續潮位觀測數據(1985國家高程基準)，采用最小二乘法進行潮汐調和分析，得出13個主要分潮的調和常數[10]。

2 潮汐性質

潮汐性質可分為正規半日潮和不正規半日潮、正規全日潮和不正規全日潮，潮汐性質以主要全日分潮與主要半日分潮的平均振幅比值F(示性系數)來判別

潮汐示性系數按下式計算

(2)

當F≤0.5時為正規半日潮；當0.5

采用上式計算的結果如下：H1站的潮汐示性系數F為0.59，H2站的潮汐示性系數F為0.60，H3站的潮汐示性系數F為0.63，潮汐示性系數都大于0.5小于2.0，則該海域的潮汐性質屬于不正規半日潮。

3 潮位特征值

根據3個周年潮位站歷時1 a的潮位數據統計，得到各站每月和周年潮位特征值如表1～表3所示。周年觀測期間，H1測站最高潮位為306 cm(2019年8月)，最低潮位為-254 cm(2020年1月)，最大潮差374 cm(2019年8月)，年平均潮差234 cm，年平均漲潮歷時為5:20，平均落潮歷時為7:06，漲潮歷時小于落潮歷時，平均海平面45 cm。H2測站最高潮位為295 cm(2019年8月)，最低潮位為-245 cm(2020年1月)，最大潮差364 cm(2019年8月)，年平均潮差224 cm，年平均漲潮歷時為5:33，平均落潮歷時為6:50，漲潮歷時小于落潮歷時，平均海平面45 cm。H3測站最高潮位為294 cm(2019年8月)，最低潮位為-236 cm(2020年1月)，最大潮差344 cm(2019年8月)，年平均潮差209 cm，年平均漲潮歷時為5:46，平均落潮歷時為6:38，漲潮歷時小于落潮歷時，平均海平面45 cm。

表1 H1站潮位特征值Tab.1 Tide level characteristic values of H1 station cm

表2 H2站潮位特征值Tab.2 Tide level characteristic values of H2 station cm

表3 H3站潮位特征值Tab.3 Tide level characteristic values of H3 station cm

4 平均海平面

圖2 各站月平均海平面變化趨勢圖Fig.2 The monthly mean sea level change trend of each station

周年潮位觀測期間(2019年4月1日～2020年3月31日)，H1站、H2站、H3站的年平均海平面均為45 cm，各站逐月平均海平面變化見表4和圖2。

平均海平面的變化，主要受天文、氣象等因素的影響。由表4和圖2可知，各站的月平均海平面，7月、8月份較高，12月～翌年3月份較低。7月份的平均海平面最高，H1站、H2站、H3站分別為71 cm、72 cm、70 cm；12月份的平均海平面最低，H1站、H2站、H3站分別為20 cm、20 cm、22 cm。H1站、H2站、H3站月平均海平面周年差(最高月份與最低月份的差值)分別為51 cm、52 cm、48 cm。

表4 各站月平均海平面Tab.4 Monthly mean sea level of each station cm

圖3 各站基面關系圖Fig.3 The relationship between the base level of each station

5 理論最低潮面

采用潮汐調和分析得到的主要分潮調和常數，根據《水運工程測量規范》(JTS131-2012)附錄F和相關文獻[11]的研究成果進行理論最低潮面的計算，3個潮位觀測站所得計算結果在實測周年平均海平面之下分別為245 cm、238 cm和228 cm，基面關系圖如圖3所示。

根據搜集到的歷史資料[12]，長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局于2010年6月在澗河口沿岸進行整月潮位觀測，分析計算得到的理論最低潮面位于平均海平面下252 cm，與本次沿岸觀測站H1的計算結果之間相差約2.8%，這也較好地驗證了雙方的觀測成果。

表5 各站設計高低水位Tab.5 Design high and low water levels of each station

6 設計高、低水位

利用該海域各站連續1 a的逐時實測潮位數據，繪制歷時累積頻率曲線，在曲線上摘取1%和98%的潮位值，即為設計高水位或設計低水位。H1站的設計高水位為205 cm，設計低水位為-135 cm；H2站的設計高水位為203 cm，設計低水位為-129 cm；H3站的設計高水位為195 cm，設計低水位為-120 cm(見表5)。

7 結論

(1)該海域的潮汐性質屬于不正規半日潮。H1站最高潮位為306 cm，最低潮位為-254 cm，最大潮差374 cm，年平均潮差234 cm，年平均漲潮歷時為5:20，平均落潮歷時為7:06。H2站最高潮位為295 cm，最低潮位為-245 cm，最大潮差364 cm，年平均潮差224 cm，年平均漲潮歷時為5:33，平均落潮歷時為6:50。H3測站最高潮位為294 cm，最低潮位為-236 cm，最大潮差344 cm，年平均潮差209 cm，年平均漲潮歷時為5:46，平均落潮歷時為6:38。三個觀測站的最高潮位、最低潮位等特征值的出現時刻基本一致，漲潮歷時都小于落潮歷時，從近岸到離岸的漲落潮歷時差逐漸減小。

(2)三個觀測站的月平均海平面變化趨勢基本一致，且年平均海平面相同。H1站的理論最低潮面在平均海平面下245 cm；H2站的理論最低潮面在平均海平面下238 cm；H3站的理論最低潮面在平均海平面下228 cm。

(3)H1站的設計高水位為205 cm，設計低水位為-135 cm；H2站的設計高水位為203 cm，設計低水位為-129 cm；H3站的設計高水位為195 cm，設計低水位為-120 cm。