理論最低潮面確定方法探討

卓玉生，王 巖

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

我國對理論最低潮面的計算方法的規定有一個發展過程，而通常情況下，理論最低潮面一旦確定，不宜輕易變動，這就導致國內理論最低潮面采用值復雜多樣。同時，相同計算方法下，計算時采用不同的數據長度、年份，也可能得到不同的結果，給港口與航道工程及航運帶來較多困擾。在此，對確定理論最低潮面的計算方法進行總結，并對其影響因素進行匯總分析，為確定理論最低潮面給出方法和建議。

1 理論最低潮面及相關概念

理論最低潮面，是根據前蘇聯弗拉基米爾斯基提出的方法[1]計算出的平均海面以下理論上能達到的最低潮位，通常記為平均海面到理論最低潮面的距離。理論最低潮面是國際上常用的深度基準面之一，也是常用的潮高基準面之一。深度基準面是水深測量工作中水深的起算面，現行國家標準《海道測量規范》（GB12327-1998）明確規定“以理論最低潮面作為深度基準面”[2]1，其算法為弗拉基米爾斯基方法的改進算法。現行國家標準《中國海圖圖式》（GB12319-1998）也做出規定：“中國沿海地區一般采用‘理論最低潮面’作為深度基準”[3]。根據國家海洋信息中心編制的潮汐表[4]說明中描述，“潮高基準面與海圖深度基準面一致”。

港口與航道工程及航運中，確定適宜的理論最低潮面數值是一項重要的基礎性工作。確定深度基準面時，既要考慮船舶的航行安全，又要考慮航道的利用率，這是確定海圖深度基準面時的基本原則。深度基準面定得過高，船舶容易發生事故；深度基準面定得過低，則降低了航道的利用率。

2 理論最低潮面計算原理

理論最低潮面概念是前蘇聯弗拉基米爾斯基提出的，其計算原理概括為：利用潮位調和常數，選取振幅較大的13 個分潮，通過一些規定和算法，求取平均海面下能達到的最低潮位。其算法中的13 個分潮包括三部分：M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1等8 個主要分潮，M4、MS4、M6等3 個淺水分潮和Sa、Ssa等2 個長周期分潮。為方便進行算法對比分析，以下內容對算法中間過程進行了提煉和概化，詳細過程可參見文獻[1]或文獻[5]。

1）8 個主要分潮部分

8個主要分潮在平均海面上t時的潮高h8(t)可表示為：

式中f、H、g、σ分別為各分潮的交點因子、振幅、遲角、角速度，v0+u為各分潮在格林威治1 月1 日0 時的相角，t為平太陽時。

通過形式變換(1)式可變換為以下形式：

式中φ為各分潮的相角，均可用以φK1為變量的函數表示，R、ε為輔助變量，其中R始終為正值。當φM2-ε1=180°、φS2-ε2=180°φN2-ε3=180°時，cos180°=-1，h8(φK1)可能為極小值，用L8(φK1)表示，即

φK1從0°到360°變化，選取L8(φK1)的最小值，即為8 個主要分潮組合出的最低潮位，記為L8，對應的φK1相角記為(φK1)8min。

2）3 個淺水分潮改正部分

3 個淺水分潮在平均海面上t時的潮高改正可表示為以φK1為變量的函數：

式中φ為各分潮的相角，均可用以φK1為變量的函數表示。

根據L8對應的相角(φK1)8min,求出3 個淺水分潮的相角φ，計算各分潮的fHcosφ值，最后求其總和，記為ΔL3。

3）2 個長周期分潮改正部分

對于平均海面季節變化較大的海區，可根據由一年以上潮位資料分析所得潮汐調和常數的長周期分潮Sa和Ssa來進行改正。

2 個長周期分潮在平均海面上t 時的潮高改正可表示為以φK1為變量的函數，記為

式中φ為各分潮的相角，均可用以φK1為變量的函數表示。

根據L8對應的相角(φK1)8min在其±60°范圍內以15°間隔為樣本，分別通過查表（或通過公式）求取ε2等相關輔助角[1]，進而分別求出2 個長周期分潮的相角，計算2 個長周期分潮的貢獻之和，選取最小值，記為ΔL2。

該項改正也可采用海平面季節改正數。

以上三部分，L8部分算法較穩定；ΔL3部分在3 個淺水分潮振幅之和在20 cm 附近時，由于其算法的不連續性，淺水分潮調和常數的較小變化，可能出現理論最低潮面的較大變化；ΔL2部分對“平均海面季節變化較大”沒有量化的判別，對其理解容易產生分歧，從而導致不同人使用相同潮位數據計算理論最低潮面結果不唯一。

3 確定理論最低潮面的影響因素

3.1 理論最低潮面算法演變

通常深度基準面一旦被正式采用，不宜輕易改變。現行國家標準《海道測量規范》（GB 12327-1998）明確規定[2]：“深度基準面一經確定且在正規水深測量中已被采用者，一般不得變動”。該規定弱化了現行規范算法的強制執行要求，基于此點，很多港口或海域采用的理論最低潮面數值并未因規范規定算法的變化而改變，從而加劇了我國沿海采用的深度基準面的復雜多樣。在此，列出我國理論最低潮面算法的主要演變過程，并對比各算法的特點和相互之間的差異。由于對理論最低潮面的理解有分歧，諸多文獻發布了不同的改進算法[6-8]，在此不作描述。

1956 年以前，我國采用的深度基準面不統一，主要采用略最低低潮面作為深度基準面，也有采用實測最低潮位、實測中等水位、平均海面等其他潮面的。

1956 年以后，海軍司令部海道測量部在全國海洋測繪中，統一采用理論最低潮面（初期稱“理論深度基準面”），其算法主要依據前蘇聯弗拉基米爾斯基方法（以下簡稱“弗拉基方法”）。1959 年海軍司令部海道測量部出版的《實用潮汐學》是早期重要的參考文獻。

1975 年，《海道測量規范》-水深測量（以下簡稱“75 規范”）規定:“長、短期驗潮站的深度基準面，根據八個分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）的潮汐調和常數H、g值，按理論深度基準面的公式計算。當M4、MS4、M6三個淺海分潮振幅之和大于20 cm 時，還要進行淺水分潮改正”[9]。75 規范中考慮的分潮共計11 個，規范中未給出理論最低潮面具體算法。不考慮長周期分潮改正，保證了采用相同潮位數據計算結果的唯一性，但該算法降低了深度基準面的保證率。

1990 年，《海道測量規范》（GB 12327-90）（以下簡稱“90 規范”）規定:“以理論最低潮面作為深度基準面”[10]。同時，90 規范給出了理論最低潮面計算公式[10]，除計算公式（明顯不合理，應屬排版疏漏）外，與《海道測量規范》（GB 12327-98）基本一致，在此不做詳述。

1998 年，《海道測量規范》（GB 12327-1998）（以下簡稱“98 規范”）修正了90 規范理論最低潮面算法中的明顯疏漏，是現行國家強制標準。98規范明確規定了用13 分潮計算理論最低潮面的計算公式[2]，可概化如下：

98 規范算法是弗拉基方法的改進算法，改進后的計算結果有時會與原算法有較大差異，在做國外項目時應注意與當地的理論最低潮面算法的差別。

對比不同時期深度基準面算法之間的差異，將不同時期算法列于下表1：

表1 不同深度基準面算法對比

以下實例中，用2018～2019 年兩年潮汐表[4]所載逐時潮位預報值進行調和分析，取得黃、渤海29 個站位的調和常數，分別按以上三種算法計算理論最低潮面，繪制與潮汐表采用值對比圖（見圖1）。其中的弗拉基方法，對比計算過程中均認為“平均海面季節變化較大”，“平均海面季節變化較小”情況與75 規范算法一致，不再單獨列出。

圖1 黃、渤海各站潮汐表與三種理論最低潮面算法結果對比

為方便顯示黃、渤海各站三種規范算法計算結果與潮汐表所載理論最低潮面差異，繪制差值圖見圖2。

圖2 黃、渤海各站三種理論最低潮面算法結果與潮汐表采用值差值

從以上計算及對比結果可以看出，大部分潮汐表采用值與98 規范規定算法計算結果存在明顯差異，應非計算誤差所致，而是采用了不同算法。

3.2 采用不同數據資料引起的差異

1）采用不同長度的潮位數據

采用不同長度的潮位數據，調和分析結果會有差異。一般情況下，采用的潮位數據資料越長，調和分析可靠性越高，理論最低潮面計算結果穩定性越好。

由于月球升交點作18.61 年周期變化，較多文獻提出引入潮汐歷元和深度基準面歷元，長度為19 年。通常情況下，采用歷元周期長度的潮位資料，既可以提高計算理論最低潮面的可靠性，也能修正非周期性變化影響。國際上，美國、澳大利亞等國均有潮汐歷元和深度基準面歷元長度的規定，如美國曾將潮汐和深度基準歷元確定為1960～1978 年，2003 年起重定為1983～2001 年,長度為19 年；而澳大利亞潮汐和平均海面委員會建議采用的潮汐基準面歷元為1992～2011 年,長度為20 年[11]。我國尚未有歷元規定，為提高計算理論最低潮面的可靠性，可盡量增加采用的潮位資料長度。鑒于我國海平面上升引起的潮波改變、岸線及水下地形變化、局部地區潮差非周期性變化等因素，有條件時，宜分析理論最低潮面的非周期性變化趨勢，確定適宜的理論最低潮面數值。

在此呼吁掌握長期潮位資料的權威部門，確定潮汐和深度基準面歷元時段，并給出不同海域主港的歷元時段平均海面、理論最低潮面和深度基準面保證率等數值，將會對規范國內深度基準面體系起到關鍵性作用。不宜變動深度基準面時，也會對評價采用的深度基準面提供依據。

2）采用不同時段的潮位數據

搜集夏威夷大學海平面中心（UHSLC）發布的連云港等8 站1975 年～1997 年連續23 年逐時實測潮位資料，分別以每年潮位資料為樣本進行調和分析，然后分別以98 規范算法計算理論最低潮面，繪制各站理論最低潮面逐年計算結果見圖3。

圖3 各站1975 年～1997 年逐年潮位計算理論最低潮面結果

根據計算結果，統計各站23 年逐年計算理論最低潮面時，不同年份之間最大值、最小值和最大互差，并給出用23 年資料計算出的理論最低潮面，結果見表2。

表2 各站23 年逐年計算理論最低潮面統計結果

通過對比分析可以看出，采用不同年份資料推算理論最低潮面可能出現明顯差異，本例中按現行98 規范算法最大互差為25cm。

3.3 潮位觀測位置變化引起的差異

長期潮位觀測過程中，驗潮站位置發生變化的情況時有發生，也有驗潮站所在位置因工程建設導致潮汐特征改變情況出現。在變動前、后位置潮汐特征相似的情況下，為延長潮位資料序列，應進行變動前、后位置同步驗潮，對原位置潮位資料進行必要訂正。變動前、后位置潮汐性質變化較大情況下，應作為兩個測站使用。

隨著我國港口建設的發展，一些長期驗潮站所在位置的潮汐性質因地形地貌變化（如在原本開敞環境下變為狹長通道內部情況）也會發生變化，進行潮汐分析時也要考慮。

3.4 調和分析的算法影響

調和分析的算法間接影響計算理論最低潮面結果。調和分析的算法中，能夠分離出的調和分潮個數和方程組求解方法不同，都會造成計算結果差異。由于現在的潮汐調和分析理論已十分成熟，這類差異通常較小。

4 理論最低潮面計算結果檢驗

4.1 深度基準面保證率驗證

深度基準面保證率是常用的評價海圖深度基準面是否適宜的標準之一。

深度基準面保證率的計算公式為：

深度基準面保證率=高于深度基準面的低潮次數/低潮總次數×100 %。

通常認為深度基準面保證率的適宜數值為 95 %。也有深度基準面的保證率應大于98 %，特殊情況下不得小于95 %的說法[12]，一般要求統計深度基準面保證率應有一年以上的水位觀測資料。實際上，統計采用的資料越長，保證率的可靠性越高，遇到異常年份，僅采用一年水位資料統計深度基準面保證率可能產生較大偏差,這種情況在保證率較低時較明顯。

4.2 附近港口或海域長期站采用值對照

計算理論最低潮面時，如附近港口或海域有長期潮位站，可與長期站采用值進行對照，必要時進行同步觀測，與長期站潮位資料做相關分析，修正觀測時段潮位代表性影響，以提高計算理論最低潮面的可靠性。

5 結語

通過以上分析，在當前形勢下，建議按以下思路確定理論最低潮面：

1）確定理論最低潮面算法；

首先確定理論最低潮面的算法，以保證與附近港口或海域理論最低潮面算法協調一致。

2）計算理論最低潮面；

計算時應采用可靠的方法或軟件。

3）采用的潮位資料的代表性分析和修正；

理論最低潮面計算結果應與附近港口或長期驗潮站采用值進行對比分析，有條件應進行短期同步觀測，通過相關分析等方法，確定采用的潮位資料的代表性，必要時應進行修正。

4）安全性評價。

對計算的理論最低潮面結果應進行安全性評價。安全性和與附近港口或海域采用值的協調性沖突時，應以安全性為重，重新確定算法。

總之，理論最低潮面的確定不應該是簡單的計算，而是要在保證港口與航道安全的前提下，兼顧利用率，同時盡可能與附近港口或海域的采用值保持協調一致。