警戒潮位核定規(guī)范的幾個問題探討

曹 兵，鄔惠明，徐常三，高清清，高鑫鑫，朱天懋

（國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇南通226002）

警戒潮位核定規(guī)范的幾個問題探討

曹 兵，鄔惠明，徐常三，高清清，高鑫鑫，朱天懋

（國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇南通226002）

從江蘇省沿海警戒潮位核定工作出發(fā)，對《警戒潮位核定規(guī)范》中核定岸段等級劃分、波浪爬高復合坡度計算、數(shù)值模擬選取年極值高潮位過程三方面內(nèi)容進行了探討。指出各自存在的問題，分別為岸段劃分等級結(jié)果偏高、復合坡度計算公式不滿足適用條件、年極值高潮位選取有偏差。文章同時給出相應的解決方案或思路，供規(guī)范修訂或警戒潮位核定時參考使用。

警戒潮位核定；規(guī)范；問題；解決方案

1 引言

《警戒潮位核定規(guī)范》（GB/T 17839—2011，以下簡稱《規(guī)范》）[1]于2012年1月1日實施。與前版[2]（《警戒潮位核定方法》（GB/T 17839—1999））相比，《規(guī)范》完善了警戒潮位定義、核定原則、核定方法、重現(xiàn)期高潮位計算方法，增加了警戒潮位分級、核定范圍、核定要求和核定步驟等內(nèi)容，使內(nèi)容更豐富、結(jié)構更完善?！兑?guī)范》還增加了岸段等級劃分具體內(nèi)容、波浪爬高計算公式、警戒潮位核定修正值的核定方法，明確了警戒潮位核定技術報告編寫要求。同時，規(guī)定警戒潮位核定結(jié)果的紅、橙、黃、藍四色值需分別給出，便于警報發(fā)布和防災減災工作的開展?？偟膩碚f，《規(guī)范》對警戒潮位核定工作具有顯著的指導意義。

國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站自2012年以來，承擔了江蘇省沿海警戒潮位核定工作，嚴格按照規(guī)范要求，參考相關文獻[3-5]，收集當?shù)卣块T各類資料、確定岸段等級、分析資料結(jié)果、計算警戒潮位核定修正值、確定四色警戒潮位值，并形成技術報告。目前，核定結(jié)果已于2015年由江蘇省人民政府公布使用。

雖然《規(guī)范》較前一版已有了很大改進，但在核定過程中，還是遇到了一些問題，主要體現(xiàn)在3個方面。一是關于岸段等級劃分方法問題，即附錄A部分，涉及岸段等級劃分，主要影響警戒潮位核定修正值h3的取值。二是波浪爬高計算問題，即附錄E部分，涉及復合坡度計算問題，結(jié)果影響波浪爬高值，最終影響到警戒潮位核定修正值h1的取值。三是關于數(shù)值模擬方法計算年極值高潮位問題，有關章節(jié)為附錄D4.4部分，結(jié)果可能影響年極值高潮位重現(xiàn)期計算。

因此，本文就這3個方面存在的問題及相應的解決方案或思路分別進行闡述。

2 岸段等級劃分問題

2.1 岸段等級劃分存在問題

《規(guī)范》規(guī)定的岸段等級劃分方法，共分成4個等級，分別為特別重要岸段、重要岸段、較重要岸段和一般岸段。每個等級主要從6個標準進行判定，只要滿足其中一項標準，即可認為岸段是該等級。6個標準分別為防護區(qū)人口密度（標準1）、貨港年吞吐量能力或集裝箱吞吐量（標準2）、工程設施投資額及工程設施類型（標準3）、防護區(qū)年經(jīng)濟產(chǎn)值（標準4）、漁港類別（漁貨卸港能力、容納船只及防災減災能力）（標準5）、農(nóng)業(yè)圍墾區(qū)面積（標準6）。為方便闡述和判定，現(xiàn)將等級劃分標準綜合列成表格形式（見表1）。

表1 岸段等級劃分標準一覽表

表2 江蘇沿海各核定岸段等級判定標準實際情況

經(jīng)收集江蘇沿海社會經(jīng)濟資料，并按照核定標準進行判定，得到各核定岸段的等級。其中，灌云、灌南和海門為重要岸段，其余各岸段均為特別重要岸段，這顯然與江蘇沿海的防災減災與經(jīng)濟等實際情況有一定的出入，總體岸段等級偏高（見表2）。究其原因，達到特別重要岸段主要因為滿足以下兩個方面，一是具有百億以上的工程設施或重要類型的工程設施；二是漁港判定標準，包括漁港類型、年漁貨卸港能力及容納漁船停泊數(shù)。其中，根據(jù)第二項漁港類別與能力判定標準極易達到級別較高的岸段等級。

查閱相關文獻發(fā)現(xiàn)：目前我國漁港類別劃分時，往往根據(jù)年漁貨卸港能力和容納漁船停泊數(shù)來劃分，存在較為嚴重的“一刀切”現(xiàn)象[6]。根據(jù)漁港類別、年漁貨卸港能力及容納漁船停泊數(shù)來定義漁港等級本身具有一定的問題，再以這一項指標來衡量岸段等級，顯然不是十分合理。

2.2 岸段等級劃分解決方案

通過分析6項標準可發(fā)現(xiàn)：個別標準可能造成較大的人員死亡、重大經(jīng)濟損失，而其余則影響略小。因此，建議規(guī)范在修訂時，將6個標準區(qū)分為重點與非重點標準。重點標準為可能引發(fā)較大影響的人員死亡、重大經(jīng)濟損失等類型，而非重點標準為造成的影響略小的其他類型。對于重點標準，如標準1、標準3只要有1項達到時即為該等級岸段類型。而對于非重點的標準2、標準4、標準5、標準6則同時達到兩項或三項時才判定為該等級的岸段類型，否則為略低等級的岸段類型。

另一種解決思路是，提高6項標準中容易達到較高等級的判別指標的數(shù)值，或增大判定標準的數(shù)值跨度，以達到岸段等級區(qū)分的目的。如提高工程設施投資額標準，設定特別重要岸段200億以上，重要岸段100—200億，較重大岸段50—100億，一般岸段50億以下。

3 復合坡度計算問題

3.1 復合坡度計算存在問題

由于歷史、經(jīng)濟等原因，江蘇沿海堤壩類別眾多，有混凝土澆筑、漿砌塊石、土堤等類型，防災能力亦參差不齊。各岸段海堤坡度具有多樣性，有單一坡度、一種復合坡度、兩種復合坡度、單一坡度和復合坡度共存等多種型式。各復合坡度的平臺寬度也不盡相同。各海堤參數(shù)特別是坡度各不相同，給核定工作帶來一定的難度。根據(jù)收集到典型海堤的坡度資料，此岸段主要有單一坡度和復合坡度兩種類型，各岸段典型斷面如表3所示。單一坡度的坡比主要為1:5和1:3兩種情況。復合坡度可分為3種情況，即上坡比下坡緩（mup＞mdown，如上坡1:4下坡1:3、上坡1:5下坡1:3）；下坡比上坡緩（mup＜mdown，如上坡1:3下坡1:4、上坡1:3下坡1: 5）；上下坡一致（mup=mdown，如上坡1:5下坡1:5）。

在計算單一坡度斜坡堤壩的波浪爬高時，可直接引用規(guī)范[1]附錄E中波浪爬高公式進行計算。而在計算復合斜坡堤時，需先確定折算坡度系數(shù)me，再按坡度系數(shù)為me的單坡斷面確定波浪爬高，具體按坡度的緩和陡可分為以下3種情況[7]：

1）當Δm=mdown-mup=0，即上、下坡度一致時：

2）當Δm＞0，即下坡緩于上坡時：

式1—3中系數(shù)Kb按下式計算：

式中：mup、mdown分別為平臺以上、以下的斜坡坡率；dw是平臺上的水深（m）。當平臺在靜水位以下時取正值；平臺在靜水位以上時取負值。||dw表示取絕對值；B是平臺寬度（m）；L是波長（m）。

但是，該方法具有一定的適用條件，需滿足1.0≤mup≤4.0、1.5≤mdown≤3.0、dw/L=-0.025～+ 0.025，0.05＜B/L≤0.25。

4個適用條件中，對于后兩個條件，一般在計算波浪爬高時都能滿足。因為計算波長可以寫成L=CT，對于在淺水中波浪的傳播速度公式C=gd[8]，g為重力加速度，堤前水深d取3 m，兩年一遇的波浪的周期T取6—10 s，則波長L=32—54 m，取平均值40 m。江蘇沿海平臺一般為設計水位所在處，計算時取靜水位在平臺下1 m，即dw=-1 m，由此dw/L=-0.025。結(jié)合表3堤壩參數(shù)可知，B在2—10 m之間，因此B/L在0.05—0.25之間。

表3 江蘇沿海部分典型堤壩情況一覽表

對于mup、mdown兩個約束條件，除部分堤壩（上坡1:4、下坡1:3）滿足公式的適用條件可直接計算外，其余各種情況均不滿足適用條件，都不可直接計算，因此需通過公式外延等方法來計算。

3.2 復合坡度計算解決方案

為方便開展其他岸段警戒潮位核定和江蘇岸段警戒潮位復核的工作人員，這里將外延的復核坡度計算結(jié)果列出，以便參考使用。將式1—3所描述的3種情況分別作外延，同時引入不同平臺寬度B的值，得到相應的復合坡度值。但在使用時，需注意波浪爬高公式中單坡坡度的最大上限為5，即如果計算出來的復合坡度超過5時，應取復合坡度上限值5。

1）當Δm=mdown-mup=0，即上、下坡度一致時，可得到各復合坡度的結(jié)果，如表4所示，表中無色區(qū)域為內(nèi)插值，黃色區(qū)域為公式外延值（下同）。

2）當Δm＞0，即下坡緩于上坡時，可得到各復合坡度的結(jié)果，如表5所示。

3)當Δm＜0，即下坡陡于上坡時，可得到各復合坡度的結(jié)果，如表6所示。

當然，在《規(guī)范》修訂過程中，若條件允許，建議對上、下不同坡度、不同平臺寬度進行物理實驗和深入理論研究，得到復合坡度計算公式或直接給出復合坡度值或波浪爬高值，方便核定人員使用。

4 年極值高潮位選取問題

4.1 年極值高潮位選取存在問題

《規(guī)范》附錄D 4.4描述，“根據(jù)該岸段連續(xù)20 a以上的歷史天氣數(shù)據(jù)資料，每年尋找3—5次可能影響最大的災害性天氣過程，利用成熟的數(shù)值模擬方法反演推算并遴選出歷史上可能出現(xiàn)過的年極值潮位?！备鶕?jù)規(guī)范要求，實際上就是選取歷史上發(fā)生的臺風、強冷空氣、溫帶氣旋等災害性天氣過程，并進行反演計算。

使用連云港、洋口港、呂泗3個潮位站2014年規(guī)范化[9]潮位觀測資料分析江蘇沿海的情況，分別考慮各站影響較大的天氣系統(tǒng)與引發(fā)的最大風暴潮過程，以及最大風暴潮出現(xiàn)的過程最高潮位，并與年極值高潮位進行比較（見表7—9）。可以發(fā)現(xiàn)：

（1）連云港排名前五的風暴增水所引發(fā)的高潮位，在年極值高潮位中排名5位之后。年極值高潮位中排名前五對應的農(nóng)歷時間分別為七月十八、八月十七、十月十八、七月十七與七月十七，有些天文潮在沒有重大天氣系統(tǒng)影響的情況下依然產(chǎn)生了較大的年極值高潮位；

（2）洋口港排名前五的風暴增水所引發(fā)的高潮位中，第一和第四名對應的過程最高潮位進入了年極值高潮位前五，分列第一和第四，而其余3個均未進入年極值排名。從年極值高潮位出現(xiàn)的農(nóng)歷來看，分別為九月二十、七月十八、九月十九、正月初四與七月十八，在天文大潮期間出現(xiàn)年極值高潮位的可能較大；

（3）呂泗排名前五的風暴增水所引發(fā)的高潮位，第一和第二名對應的過程最高潮位進入了年極值高潮位前五，分列第一和第三，而其余3個均未進入年極值高潮位排名。從年極值高潮位出現(xiàn)的農(nóng)歷來看，分別為九月二十、九月十九、正月初四、七月十八與七月十七，在天文大潮期間出現(xiàn)年極值高潮位的可能較大。

由上可見：影響最大的天氣過程可能會引發(fā)最大的風暴潮，但不一定會引發(fā)年極值高潮位。在較大天文潮期間，一次較弱的天氣過程，也可能引發(fā)年極值高潮位，而重現(xiàn)期高潮位計算使用的正是年極值高潮位。因此，僅考慮較重大天氣過程引起的極值高潮位，很有可能將真正的年極值高潮位漏掉。

表4 上下坡一致時不同平臺寬度的復合坡度結(jié)果

表5 下坡緩于上坡時不同平臺寬度的復合坡度結(jié)果

表6 下坡陡于上坡時不同平臺寬度的復合坡度結(jié)果

4.2 年極值高潮位選取解決方案

通過上述分析，該段建議描述成“根據(jù)該岸段連續(xù)20 a以上的歷史天氣數(shù)據(jù)資料，每年選取3—5次可能引起最高年極值潮位的天氣過程，利用成熟的數(shù)值模擬方法反演推算并遴選出歷史上可能出現(xiàn)過的年極值潮位?！?/p>

可能引起年極值高潮位的情況，主要包括兩種情況：一是天文大潮汛期間，發(fā)生較重大天氣過程；二是極為嚴重的天氣過程期間，配合天文高潮位，如臺風、強冷空氣、溫帶氣旋等。針對第一種情況，要根據(jù)當?shù)靥煳拇蟪毖?，特別如八月十五全年最大潮汛前后3 d，查詢期間有沒有發(fā)生較重大的天氣過程，若有則將該段時間作為重點考慮的期間。針對第二種情況，則主要考慮全年最為嚴重的幾次重大天氣過程。

表7 影響連云港5次最大風暴潮過程及年極值高潮位

表8 影響洋口港5次最大風暴潮過程及年極值高潮位

表9 影響呂泗5次最大風暴潮過程及年極值高潮位

在選取天氣過程時，亦可結(jié)合鄰近長期潮位站年極值高潮位出現(xiàn)的時間。當然，選取天氣過程具有一定的主觀性，如果計算資源充足，最好能把全年天文潮結(jié)合天氣系統(tǒng)全部計算。根據(jù)計算結(jié)果綜合分析后，列出全年排名前三—五的年極值，選取相應年極值并參考規(guī)范方法進行重現(xiàn)期分析計算。

5 結(jié)論

本文通過對《警戒潮位核定規(guī)范》中岸段等級劃分、波浪爬高復合坡度計算、數(shù)值模擬計算年極值潮位選取過程等3個方面進行了探討，指出存在的問題，并給出相應的解決方案或思路。

存在的問題分別為岸段等級劃分偏高、復合坡度計算公式不滿足適用條件、年極值高潮位選取有偏差。

針對岸段等級劃分問題，提出將判定標準區(qū)分為重點標準與非重點標準，重點標準一項達到時即判定為該等級岸段，非重點標準同時多項達到判定標準時判定為該等級岸段；另一方法是提高標準判定要求，增大判定標準的數(shù)值跨度，以達到區(qū)分岸段等級的目的。

針對復合坡度計算問題，《規(guī)范》中坡度與現(xiàn)狀存在嚴重脫節(jié)和差異，本文通過復合坡度計算公式外延，給出江蘇沿海復合坡度計算結(jié)果，供參考使用，但急需解決復合坡度、復合海堤波浪爬高等問題。

針對數(shù)值模擬年極值高潮位選取過程問題，提出應選取可能引起最高年極值高潮位的天氣過程，或計算全年天文潮結(jié)合天氣系統(tǒng)，然后選取相應年極值高潮位進行重現(xiàn)期分析計算。

當然，規(guī)范制定本身是一個系統(tǒng)工程，需對涉及的內(nèi)容進行廣泛深入研究才能給出合理結(jié)果。本文只是探討了在江蘇省沿海核定警戒潮位過程中遇到的幾個問題和初步解決的設想，具體修改完善規(guī)范還需在下一步修訂過程中進行深入研究，方能給出科學合理的結(jié)論。

[1]國家海洋局.GB/T 17839—2011警戒潮位核定規(guī)范[S].北京:中國國家標準出版社,2012.

[2]國家海洋局.GB/T 17839—1999警戒潮位核定方法[S].北京:中國國家標準出版社,1999.

[3]黃錦林,張婷,李嘉琳.沿海警戒潮位核定技術問題探討[J].海洋預報,2015,32(1):26-32.

[4]中華人民共和國交通運輸部.JTS 145-2—2013海港水文規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2013.

[5]費岳軍.寧波市沿海海洋災害風險調(diào)查及警戒潮位核定[M].北京:海洋出版社,2015.

[6]于龍梅,欒曙光.我國漁港發(fā)展現(xiàn)狀及等級劃分[J].資源開發(fā)與市場,2004,20(5):348-350.

[7]中華人民共和國水利部.SL 435-2008海堤工程設計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2009.

[8]吳宋仁.海岸動力學[M].第3版.北京:人民交通出版社,2000: 10-12.

[9]國家海洋局.GB/T 14914—2006海濱觀測規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2006.

Discussion on several problems of specification for warning water level determination

CAO Bing，WU Hui-ming，XU Chang-san，GAO Qing-qing，GAO Xin-xin，Zhu Tian-mao
（Nantong Marine Environmental Monitoring Center of State Oceanic Administration,Nantong 226002 China）

Three aspects of the“specification for warning water level determination”for Jiangsu coastal warning water level are discussed,such as grade division of warning water level determination coast,composite slope calculation method for wave run-up,selection of numerical simulation for annual extreme high tide level.It is pointed that the grading results of warning water level determination coast is slightly higher,the composite slope calculation formula does not satisfy the applicable conditions,and the selection of numerical simulation for annual extreme high tide level has deviation.The corresponding solutions are proposed to those problems,and the conclusions can be used for specification revision or warning water level determination for reference.

warning water level determination;specification;problems;solutions

P731.23

A

1003-0239（2016）05-0070-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.05.008

2015-12-18

國家海洋局東海分局青年科技基金（201508）

曹兵(1981－)，男，高級工程師，碩士，主要從事海洋環(huán)境預報工作。E-mail：semeicaobing@163.com