長航道乘潮水位計(jì)算新方法研究及應(yīng)用

黃志揚(yáng)，徐 元

(中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120)

長航道乘潮水位計(jì)算新方法研究及應(yīng)用

黃志揚(yáng)，徐 元

(中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120)

隨著航道建設(shè)規(guī)模和航道里程增加，長航道乘潮水位的計(jì)算成為航道設(shè)計(jì)遇到的新技術(shù)難題之一。針對(duì)多潮位站控制長航道乘潮水位計(jì)算問題，提出了乘潮水位計(jì)算的多站聯(lián)合典型潮曲線法。通過構(gòu)建典型潮曲線，使乘潮累積頻率、乘潮歷時(shí)、潮波傳播延時(shí)和潮波變形等關(guān)鍵要素同時(shí)呈現(xiàn)?；跇?gòu)建的典型潮曲線，進(jìn)一步探討了長航道全程同一乘潮水位、分段變乘潮水位，以及進(jìn)港、出港等不同情況下乘潮水位的設(shè)計(jì)取值方法，并以珠江崖門航道為例進(jìn)行了實(shí)例分析，進(jìn)一步說明了本方法的實(shí)用可行。

航道工程；潮波變形；乘潮水位；多站聯(lián)合典型潮曲線；長航道

Abstract: As the scale of navigation channel becomes larger, the calculation of ridable high tide level for long navigational channel is a new problem encountered. According to the calculation of ridable high tide level for the long navigational channel, the united multi-stations typical tidal curves based on the statistical analysis are presented. Many key elements such as cumulative frequency, tide rising duration, tidal propagation delay and deformation are showed in the working drawing. By the method, the same or variable ridable high tide levels for the long navigational channel are presented. The example of Yanmen Approach Channel shows the calculation method is practical and feasible.

Keywords: waterway engineering; transformation of tide wave; ridable high tide level; united multi-stations typical tidal curves; long navigational channel

沿海航道設(shè)計(jì)中，為了減小疏浚工程量，大型船舶往往采取乘潮通航方式，因此乘潮水位是沿海航道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一[1-3]。目前，關(guān)于乘潮水位計(jì)算主要采用《港口與航道水文規(guī)范》[4]中介紹的單站乘潮水位計(jì)算法。該方法為靜態(tài)法，沒有考慮潮波傳播相位差和潮波變形，其對(duì)短航道乘潮水位的計(jì)算是適用的。但對(duì)于長航道而言，潮波傳播相位差和潮波變形對(duì)潮位利用產(chǎn)生明顯影響，潮波傳播對(duì)通航的影響不可忽略[5-6]，此時(shí)規(guī)范方法存在明顯不足。

在沿海長航道的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工作者一直在尋找乘潮水位計(jì)算的新方法。2012年徐元等[7]提出了潮汐河口長航道乘潮水位計(jì)算的多站聯(lián)合法，該方法通過試算，尋求每個(gè)潮過程的最優(yōu)乘潮過程和最優(yōu)乘潮水位，然后通過頻率分析得到不同累積頻率對(duì)應(yīng)的乘潮水位。該方法一方面計(jì)算過程是通過程序?qū)崿F(xiàn)，計(jì)算過程和結(jié)果不夠直觀，另一方面其只適用于航道全程采用同一乘潮水位的情況，沒考慮長航道分段變乘潮水位的設(shè)計(jì)問題。

針對(duì)長航道乘潮水位計(jì)算中遇到的問題和目前研究存在的不足，在此提出了長航道乘潮水位計(jì)算的典型潮曲線法，并以珠江崖門進(jìn)港航道為例進(jìn)行了實(shí)例分析。

1 典型潮曲線的構(gòu)建

長航道乘潮水位計(jì)算要考慮的要素比短航道復(fù)雜得多，主要有航道、船舶和潮波三方面關(guān)鍵因素，其中航道方面要素為航道乘潮段長度和設(shè)計(jì)要求的乘潮累積頻率；船舶方面要素為設(shè)計(jì)船型的航速和航行方向；潮波方面要素為潮高、潮波傳播相位差和傳播變形等。

為了將以上諸多要素在航道設(shè)計(jì)中直觀呈現(xiàn)，在此提出了長航道乘潮水位計(jì)算的典型潮曲線法。所謂典型潮曲線，就單站而言是根據(jù)潮位站完整1年或多年潮位資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，得到航道設(shè)計(jì)乘潮累積頻率對(duì)應(yīng)的乘潮歷時(shí)與乘潮水位之間的關(guān)系曲線，該曲線形似一個(gè)漲落潮過程曲線。就多站聯(lián)合典型潮而言，是在單站典型潮曲線的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮相鄰控制潮位站間的相位差，將沿程各站典型潮聯(lián)合呈現(xiàn)。

1.1單站典型潮曲線的構(gòu)建

1)收集潮位站完整1年或多年的潮位資料，首先對(duì)全年每個(gè)高潮位(T=0)進(jìn)行累積頻率分析，得到高潮累積頻率曲線；其次按單站乘潮水位計(jì)算法[4]，統(tǒng)計(jì)不同乘潮歷時(shí)T對(duì)應(yīng)的乘潮累積頻率曲線，如圖1所示。

2)統(tǒng)計(jì)潮位的平均漲潮歷時(shí)Tf和平均落潮歷時(shí)Te。

3)根據(jù)設(shè)計(jì)船型的到港情況，確定航道設(shè)計(jì)所需的乘潮累積頻率P[8]；在圖1中可以得到，相同乘潮累積頻率P、不同乘潮歷時(shí)Ti對(duì)應(yīng)的乘潮水位hi。

按照上述方法得到某站乘潮累積頻率分別為50%、70%和90%對(duì)應(yīng)的典型潮曲線，如圖2所示。

圖1 不同乘潮歷時(shí)對(duì)應(yīng)的乘潮水位累積頻率曲線Fig. 1 Cumulative frequency curve of ridable high tide level

注：橫軸(時(shí)間軸)主要體現(xiàn)兩個(gè)點(diǎn)之間乘潮歷時(shí)的絕對(duì)時(shí)段，橫軸原點(diǎn)可以自定義；本圖以高潮位時(shí)間為橫軸原點(diǎn)。圖2 單站典型潮曲線的構(gòu)建Fig. 2 Construction of typical tidal curve for one tidal station

1.2長航道多站聯(lián)合典型潮曲線的構(gòu)建

長航道乘潮分析，首先需對(duì)航道進(jìn)行合理的乘潮分段。乘潮分段需綜合考慮航道沿程水深分布和乘潮淺段的長度，如果淺灘中部無需乘潮深槽段較長，則深槽段不考慮乘潮；另外單個(gè)乘潮分段的乘潮歷時(shí)不宜過長，一般不宜大于4 h。

以圖3概化的航道為例，該長航道有兩段淺灘(AC段、DE段)和一段深槽(DE段)，其中AC淺段相對(duì)較長。乘潮分段時(shí)，結(jié)合乘潮時(shí)間將AC段進(jìn)一步分為AB和BC兩個(gè)乘潮段，則乘潮計(jì)算時(shí)依次分為AB、BC和DE三個(gè)乘潮段。

就潮位資料而言，比較理想的是每個(gè)乘潮段中部均有長期潮位資料。但實(shí)際上往往難以滿足上述要求，對(duì)此需要結(jié)合乘潮段的劃分在乘潮段中部設(shè)置虛擬潮位站。虛擬站的潮位通過短期潮位資與長期站長期潮位相關(guān)分析得到。在此假設(shè)在圖3所示的三個(gè)乘潮段中部分別有甲、乙、丙三個(gè)長期潮位站。

圖3 長航道乘潮段劃分及潮位站點(diǎn)位置示意Fig. 3 Schematic diagram for the segment of ridable high tide level and the location of tidal observatories

圖4 多站聯(lián)合典型潮曲線的構(gòu)建Fig. 4 Construction of united multi-stations typical tidal curves

甲、乙、丙三站聯(lián)合典型潮曲線構(gòu)建方法如下：

1)確定航道的乘潮累積頻率P(如乘潮累積頻率90%)，按照前述單站典型潮曲線的構(gòu)建方法，分別繪制甲、乙、丙三站累積頻率P對(duì)應(yīng)的典型潮曲線；

2)統(tǒng)計(jì)甲、乙、丙三站相鄰站點(diǎn)高潮位時(shí)間差的年平均值t'、t″；

3)以時(shí)間為橫軸，乘潮水位為縱軸，將三個(gè)站點(diǎn)典型潮曲線繪制在同一圖上，并使相鄰站點(diǎn)乘潮高潮位間的時(shí)間差分別為t'、t″，從而得到本航道乘潮累積頻率P=90%對(duì)應(yīng)的聯(lián)合典型潮曲線如圖4所示。

2 長航道乘潮水位設(shè)計(jì)取值

2.1分段變乘潮水位取值

長航道采取分段變乘潮水位設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是，盡量利用高潮位通過關(guān)鍵性乘潮段，從而減少航道基建疏浚和后期維護(hù)疏浚費(fèi)用。因此，合理確定關(guān)鍵性乘潮段是長航道變乘潮水位設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)問題之一。關(guān)鍵性乘潮段的確定不僅要考慮水深及疏浚量的分布，而且要考慮不同區(qū)段疏浚土處理成本和后期回淤強(qiáng)度等因素。另外，工程經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析均表明，長航道大型船舶進(jìn)港(船舶航行方向與漲潮方向一致)和出港(船舶航行方向與漲潮方向相反)潮位利用存在明顯差異[7]，因此長航道乘潮水位計(jì)算進(jìn)港、出港要分別計(jì)算。

就進(jìn)港而言，以構(gòu)造的多站聯(lián)合典型潮曲線為工作圖，將通過各乘潮段的乘潮歷時(shí)TAB、TBC和TDE和通過深槽的通航歷時(shí)tCD，沿船舶進(jìn)港方向依次連續(xù)布置在橫向時(shí)間軸上，平移調(diào)整時(shí)間尺，使TBC剛好平截關(guān)鍵乘潮段(BC段)乙站典型潮曲線，即在起點(diǎn)時(shí)刻與漲潮過程相交的同時(shí)，終點(diǎn)剛好與乙站落潮過程相交，此時(shí)TBC平截得到的潮位hBC為BC乘潮段的乘潮水位，TAB起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)甲站典型潮曲線的潮位hAB為AB乘潮段的乘潮水位，TDE終點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)丙站典型潮曲線的潮位hDE為DE乘潮段的乘潮水位，如圖5所示。

通過上面的分析，得到進(jìn)港時(shí)三個(gè)乘潮段的乘潮水位hAB、hBC和hDE后，結(jié)合設(shè)計(jì)船型的設(shè)計(jì)水深，進(jìn)而可以分別到得各乘潮段的設(shè)計(jì)底標(biāo)高。根據(jù)初步確定的航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高，核算原乘潮段的長度和乘潮歷時(shí)，并與前期計(jì)算采用的乘潮段長度和乘潮歷時(shí)進(jìn)行比較，決定是否需要繼續(xù)試算。

與進(jìn)港乘潮水位計(jì)算類似，在計(jì)算出港乘潮水位時(shí)，按出港順序?qū)r(shí)間TED、tDC、TCB和TBA依次連續(xù)布置在橫向時(shí)間軸上，同樣保證高潮位時(shí)通過關(guān)鍵乘潮段CB段，即TCB平截乙站典型潮曲線。通過圖6的分析得到出港時(shí)乘潮段AB、BC和DE的乘潮水位分別為hBA、hCB和hED。對(duì)比圖5和圖6可知，受船舶航行與潮波傳播方向影響，各段進(jìn)港乘潮水位總體大于出港。

圖5 長航道進(jìn)港變?cè)O(shè)計(jì)乘潮水位計(jì)算示意Fig. 5 Variable ridable high tide levels for the long navigational channel while entering port

圖6 長航道出港變?cè)O(shè)計(jì)乘潮水位計(jì)算示意Fig. 6 Variable ridable high tide levels for the long navigational channel while leaving port

圖7 長航道進(jìn)、出港全程同一乘潮水位取值示意Fig. 7 The same ridable high tide levels for the long navigational channel while entering port or leaving port

2.2全程同一乘潮水位取值

全程同一乘潮水位設(shè)計(jì)時(shí)，在多站聯(lián)合典型潮曲線上水平量取總乘潮歷時(shí)TAE對(duì)應(yīng)的潮位，進(jìn)港時(shí)TAE起點(diǎn)位于甲站典型潮曲線的漲潮過程，終點(diǎn)位于丙站典型潮曲線的落潮過程，得到進(jìn)港時(shí)乘潮水位如圖7中的hAE所示。

出港乘潮水位計(jì)算時(shí)，TEA起點(diǎn)位于丙站乘潮的漲潮過程，終點(diǎn)位于甲站的落潮過程，對(duì)應(yīng)的乘潮水位為圖7中的hEA，出港乘潮水位hEA明顯小于進(jìn)港乘潮水位hAE。

3 案例分析

崖門進(jìn)港航道設(shè)計(jì)船型為5 000噸級(jí)散貨船，主要為從口外到雙水電廠的5 000噸級(jí)運(yùn)煤船，貨運(yùn)主要為“重載進(jìn)、輕載出”(如圖8所示)。航道建設(shè)規(guī)模按滿足5 000噸級(jí)散貨船單向乘潮通航考慮，乘潮累積頻率取90%。本航道自黃茅海口外至崖門水道(銀洲湖)雙水電廠，長度約78 km，全程總的乘潮歷時(shí)約6.3 h。

圖8 崖門進(jìn)港航道平面布置及沿程潮位站概位Fig. 8 Schematic diagram of Yanmen Approach Channel and the location of the tidal observatories

從圖9所示的航道沿程水深分布來看，航道主要淺段為河口攔門沙段和上游京背水閘～雙水電廠河段，其中攔門沙段為關(guān)鍵疏浚段。從航道淺段與潮位站之間的位置來看，攔門沙河段長期潮位站有荷包島站和虎山站，但這兩個(gè)站點(diǎn)均不位于攔門沙淺段中部。為了滿足典型潮曲線法計(jì)算的需要，在攔門沙中部位置增設(shè)攔門沙段虛擬潮位站；該站潮位根據(jù)荷包島站和虎山站2002年全年潮位資料插值得到。上游京背水閘～雙水電廠河段控制潮位站為三江口站，該站基本處于上游淺段中部，在此直接采用其2002年實(shí)測資料。根據(jù)潮位資料，統(tǒng)計(jì)得到兩站漲、落潮歷時(shí)，以及兩站高潮位出現(xiàn)平均時(shí)間差如表1所示。

圖9 航道沿程水深分布及潮位站位置Fig. 9 The depth distribution along the channel and the location of the tidal observatorys

特征值荷包島站三江口站漲潮歷時(shí)/h5．975．07落潮歷時(shí)/h6．537．43兩站高潮位年均時(shí)差/h1．9

按前述方法，繪制崖門進(jìn)港航道兩站聯(lián)合典型潮曲線，如圖10所示。采用分段變乘潮水位設(shè)計(jì)時(shí)，利用高潮位時(shí)段通過攔門沙段(關(guān)鍵疏浚段)，得到攔門沙段和上游淺段乘潮水位分別為1.78 m和1.25 m。設(shè)計(jì)船型5 000散貨船的設(shè)計(jì)水深為8.3 m，則結(jié)合各淺段的乘潮水位值得到攔門沙段、上游淺段的設(shè)計(jì)底標(biāo)高分別為-6.5 m和-7.1 m。

圖10 崖門航道分段乘潮水位取值(乘潮累積頻率90%)Fig. 10 The design value of the ridable high tide level for variable channel bed elevation of Yanmen Approach Channel (cumulative frequency of high tide level equal to 90%)

對(duì)于崖門航道，若航道全程采用同一乘潮水位，則在圖10所示的聯(lián)合典型潮曲線工作圖上量取乘潮歷時(shí)6.3 h對(duì)應(yīng)的乘潮水位為1.55 m，結(jié)合船舶設(shè)計(jì)水深進(jìn)而得到設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-6.8 m。

同樣滿足設(shè)計(jì)船型乘潮累積頻率90%，采用分段變乘潮水位設(shè)計(jì)和全程同一乘潮水位設(shè)計(jì)的疏浚工程量分別為315×104m3和429×104m3，前者比后者小114×104m3，即采取分段變乘潮水位設(shè)計(jì)后基建疏浚工程量減小約27%。根據(jù)測算，本工程疏浚綜合單價(jià)約32元/m3計(jì)，采取分段變乘潮水位設(shè)計(jì)能減小疏浚工程費(fèi)約3 600萬元。另外，采取分段變乘潮水位設(shè)計(jì)后，由于攔門沙河段水深減小，也有利于減小航道后期維護(hù)性疏浚工程量。由此可見，本航道工程采取分段變乘潮水位方案的經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié) 語

針對(duì)目前長航道乘潮水位計(jì)算遇到的問題，首次提出了長航道乘潮水位計(jì)算的典型潮曲線法。該方法不僅考慮了船舶航行過程，而且考慮了潮波傳播延時(shí)和傳播變形對(duì)潮位利用的影響。通過該方法探討了航道采用全程同一乘潮水位、分段變乘潮水位，以及進(jìn)港、出港不同情況下的乘潮水位設(shè)計(jì)取值方法，并以崖門進(jìn)港航道為例進(jìn)行了實(shí)例分析。

通過方法研究和實(shí)例分析表明，長航道采取分段變乘潮水位方案，合理安排船舶高潮位通過關(guān)鍵性乘潮段，能在不降低設(shè)計(jì)船型乘潮累積頻率的情況下，有效的減小工程基建投資和后期維護(hù)費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)效益明顯。

另外，長航道進(jìn)港乘潮水位明顯大于出港，且航道里程越長，兩者差別越明顯。因此，長航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高的確定需根據(jù)設(shè)計(jì)船型重載貨物的流向，區(qū)分進(jìn)港和出港不同情況。

致謝：在本文撰寫過程中，資料收集方面得到了中交上海航道勘察設(shè)計(jì)院有限公司唐臣高級(jí)工程師的幫助，在此表示感謝。

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Research and application of a new method for the calculation of ridable high tide level

HUANG Zhiyang, XU Yuan

(Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd., Shanghai 200120, China)

U612.32

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.03.011

1005-9865(2017)03-0083-06

2016-08-19

黃志揚(yáng)(1980-)，男，湖北赤壁人，高級(jí)工程師，主要從事港口航道設(shè)計(jì)研究工作。E-mail:shhuangzhiyang@163.com