廈門港主航道燈浮標偏移特點分析

潘佐明 邵進興 唐基宏 周世波

一、引言

燈浮標是標示航道范圍、指示淺灘和礙航物或表示專門用途的水面助航標志，也是引導船舶航行的人工標志，對保障船舶的航行安全有著重要意義。因此，確保燈浮標布設位置正確，為船舶航行和定位提供盡可能準確的位置信息，是航海保障部門的職責之一。

一般來說，航海保障部門對外發(fā)布的燈浮標位置是該燈浮標拋設時的沉石位置，但是由于在拋設燈浮標時航標船GPS定位精度的誤差、自然條件以及人為因素影響，燈浮標沉石的實際拋設位置與對外發(fā)布的位置存在一定的誤差。此外，燈浮標是由沉石和錨鏈系留于水中，以沉石為中心做圓周運動，船舶在航行過程中視覺所看到的燈浮標位置也不是海圖上所標示的位置，即實際所見的燈浮標位置與海圖標示的燈浮標位置有一定的偏移。若燈浮標位置偏移過大而未能及時察覺，就會向船舶等發(fā)出錯誤的助航信息，將直接影響到船舶的航行安全，同時也會增加管理部門的壓力。因此，掌握燈浮標偏移特點，對于燈浮標的維護保養(yǎng)和提升燈浮標的助航效能有重要的意義。

二、燈浮標布設經(jīng)驗做法及回旋范圍

按照國際航標協(xié)會（IALA）通用系碇系統(tǒng)設計的建議和《助航指南》的相關規(guī)定，一般情況下燈浮標錨鏈長度與布設水深的關系為：水深小于50米時，燈浮標錨鏈最小布放長度為水深的2倍；水深大于50米時，燈浮標錨鏈最小布設長度為水深的1.5倍。這是燈浮標布設的經(jīng)驗法則。IALA關于標準錨碇設計的建議E107指出，燈浮標最大的回旋半徑R（值守圓半徑，如圖1所示）與燈浮標錨鏈長度L和水深H有關，在理想情況下，考慮到海平面的漲落，燈浮標使用的錨鏈長度總是幾倍于水深，因此，在風平浪靜情況下，部分錨鏈附著于海底，此時燈浮標的回旋半徑很??；而最大回旋半徑發(fā)生在風大浪急時，全部錨鏈基本上不著海底，但是由于錨鏈有自重，它不可能完全被拉直而總是存在著垂曲現(xiàn)象，實踐證明，一般來說，回旋半徑

事實上，受到浮體大小、錨鏈長度、海床底質(zhì)、水流速度、拋設時間等多方面因素的影響，燈浮標錨鏈在絕大多數(shù)情況下存在部分埋入河床之中的現(xiàn)象，因此浮標的實際回旋半徑一般要小于理論值[2]。

圖1 燈浮標值守圓半徑

三、廈門港主航道燈浮標偏移特點分析

從上述對燈浮標拋設和位置準確性影響的分析可以看出，燈浮標偏移受多方面因素的影響，并且這些影響因素中的自然條件、船行波、GPS信號誤差等帶有不確定性。因此，很難從理論上準確分析出燈浮標偏移值。而廈門港主航道燈浮標均裝有遙測遙控終端，通過這些終端可以采集到燈浮標的歷史位置數(shù)據(jù)。單個的燈浮標位置數(shù)據(jù)只是燈浮標在某一時刻位置的展示，并不能反映燈浮標的偏移特征。但是，對某一個燈浮標的大量位置數(shù)據(jù)進行集中分析，就可以從中挖掘出該燈浮標偏移的特征。

（一）典型燈浮標及其遙測歷史位置數(shù)據(jù)

廈門港位于廈門灣內(nèi)，廈門灣屬于臺灣海峽的一部分，海底地形整體趨勢為由近岸向海傾斜。廈門灣內(nèi)有廈門本島、金門島、大擔和二擔島、鼓浪嶼等島嶼，這一系列島嶼使得灣內(nèi)地形局部變化劇烈，因此屬強潮海域，潮流沖刷作用強烈，形成的潮流通道就使得灣內(nèi)燈浮標受水流影響大。同時，廈門灣口沒有遮擋，受風影響明顯，而灣內(nèi)受廈門島、大小金門島及陸地的阻擋，受風影響較弱。因此，為全面比較分析廈門港主航道燈浮標偏移規(guī)律，選取主航道入口及近廈門灣內(nèi)的兩座燈浮標（4號浮和28號浮）進行分析，燈浮標位置如圖2和圖3所示。

圖2 廈門港主航道4號浮位置圖

圖3 廈門港主航道28號浮位置圖

廈門港主航道燈浮標均已經(jīng)實現(xiàn)遙測遙控。遙測遙控系統(tǒng)是利用現(xiàn)代網(wǎng)絡、電子海圖、GPS、通信和數(shù)據(jù)處理等技術，使航標主管部門遠程、快捷地確定航標故障，采集航標的位置、電流、電壓等參數(shù)，發(fā)布航標信息，提高航標管理效率和效能。系統(tǒng)主要由數(shù)字化航標終端、信息傳輸系統(tǒng)及綜合監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成，其工作原理為：安裝在航標上的數(shù)字化航標終端測定航標燈工作狀態(tài)，通過信息傳輸系統(tǒng)將航標終端上傳的信息傳回綜合監(jiān)控系統(tǒng)[3]。廈門港主航道4號燈浮標和28號燈浮標的歷史位置數(shù)據(jù)均存儲在廈門航標處遙測遙控系統(tǒng)中，提取2019年全年的數(shù)據(jù)作為研究對象，這兩個燈浮標的具體位置和采集的遙測歷史位置點數(shù)據(jù)量見表1，這些遙測歷史位置點在海圖上的顯示見圖4。4號浮主要用于分析廈門灣口門附近受風流影響較大時燈浮標的偏移特點，28號浮主要用于分析廈門灣灣內(nèi)受風流影響較小時的燈浮標偏移特點。

表1 2019年4號浮和28號浮位置及采集的歷史位置點數(shù)據(jù)量

圖4 2019年4號浮和28號浮遙測歷史位置數(shù)據(jù)

（二）廈門港主航道典型燈浮標偏移特點分析

1.燈浮標偏移原因分析

目前的燈浮標布設作業(yè)都是按照經(jīng)驗法則和規(guī)定進行的。這種燈浮標布設作業(yè)主要是以人的經(jīng)驗為基礎，沒有考慮到作用于燈浮標上的各種阻力、燈浮標船定位誤差以及布設海域的環(huán)境條件或錨鏈的單位長度及濕重等情況對燈浮標位置的影響，由此確定的燈浮標實際位置與燈浮標的設計位置可能有較大的偏差，并且燈浮標偏移的范圍也只能根據(jù)經(jīng)驗估算。出現(xiàn)偏差或偏移的主要原因如下：（1）燈浮標的安置是人工作業(yè)，可能受作業(yè)時工人的業(yè)務能力、天氣、潮汐、定位設備誤差以及錨錠拋擲后的實際地理位置等因素影響。（2）受系鏈長度的影響，燈浮標的實際位置與錨錠或沉錘的位置不一致，而是在一定的回旋范圍內(nèi)[4]，該回旋水域的范圍只能由人根據(jù)燈浮標所在水域的風、流等條件估算，誤差較大。（3）船行波對燈浮標位置偏移的影響也是燈浮標遠離設計位置的一個重要原因，并且，由于船舶種類不同、船速不同、距燈浮標距離不同時船行波對燈浮標偏移影響的程度均不同，這就使得船行波對燈浮標位置偏移的影響程度很難通過理論計算求得。針對上述問題，本文采集廈門港主航道部分有代表性燈浮標一年時間內(nèi)的歷史位置數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史位置數(shù)據(jù)分析燈浮標的偏移特點。

2.廈門港典型燈浮標偏移特點分析

（1）風、流影響下的燈浮標偏移特點分析

燈浮標偏移主要受風、流、船行波、定位誤差等因素影響。風、流影響一般有規(guī)律可循，而其他影響因素具有隨機性，很難進行理論和經(jīng)驗分析。

①風影響下的燈浮標偏移：廈門灣常風向為ENE向，強風向為SE、SW向。季風現(xiàn)象明顯，每年從9月到翌年3月（春、冬季）盛行東北東季風，風速較大；而4—8月盛行東南風，風速較小。因此，在春季和冬季，一般情況下燈浮標有向西南向偏移趨勢，而在夏季和秋季，燈浮標有向東北向偏移趨勢。

②流影響下的燈浮標偏移：廈門灣潮汐主要是外海潮波傳入引起的，屬正規(guī)半日潮海區(qū)，平均漲潮歷時和落潮歷時基本相當。并且主航道沿線附近水域漲落潮流向和航道軸向基本一致。因此，在每個漲落潮周期內(nèi)，燈浮標受流的影響，其偏移基本上是沿航道走向往復運動。

③風、流影響下的廈門港主航道燈浮標偏移規(guī)律：從以上分析可知，在風、流的綜合作用下，在不同季節(jié)，廈門港主航道燈浮標偏移方向不一致，其偏移規(guī)律主要取決于作用在燈浮標上的風的作用力和流的作用力的大小。如果風的作用力占主導地位，則燈浮標主要向下風偏移，如果流的作用力占主導地位，則燈浮標主要沿著航道軸線方向偏移。因此，在風、流的綜合作用下，其偏移規(guī)律比較難判斷。

（2）基于燈浮標歷史位置數(shù)據(jù)的偏移特點分析

以廈門港4號燈浮標和28號燈浮標2019年全年的遙測歷史位置數(shù)據(jù)為例，分析廈門港主航道燈浮標的偏移規(guī)律。

由于廈門港是往復流，每天對燈浮標位置的影響基本一樣。而風的影響則不同，由于在不同季節(jié)廈門灣習慣風向不同，造成燈浮標受風影響在不同季節(jié)不盡相同。因此，在采用燈浮標遙測位置大數(shù)據(jù)分析燈浮標偏移特點時，將歷史燈浮標數(shù)據(jù)按照春、夏、秋、冬四個季節(jié)進行分析。圖5是不同季節(jié)4號燈浮標位置分布圖。

圖5 主航道4號燈浮標不同季節(jié)位置點分布圖

從圖5可以發(fā)現(xiàn)主航道4號燈浮標的偏移特點如下：

①在春季（1—3月份）和冬季（10—12月份）4號燈浮標偏移特點基本一致，主要是向西南側(cè)偏移，這主要是由兩個原因造成的：一是每年從9月到翌年3月（春冬季）盛行東北東季風引起該燈浮標向西南偏移；二是船行波的影響，由于4號浮位于航道西側(cè)，因此，進出港航行船行波也使得該燈浮標向西南偏移。這兩個因素的綜合作用效果就是在春季和冬季，4號浮基本上向西南偏移，極少會向著航道方向偏移。

②夏季（4—6月份）和秋季（7—9月份）4號燈浮標偏移特點基本一致，在這兩個季節(jié)，燈浮標既朝著西南方向偏移，也向著航道方向偏移，但是，在夏季燈浮標向著航道的偏移幅度要大于秋季。這個偏移特點主要是由船舶的船行波引起的。因為在夏秋季節(jié)，除臺風天氣外，一般情況下廈門灣受東南風的影響，但是風力普遍較春季和冬季小，這就使得船行波在燈浮標偏移的影響因素中起主導作用。船舶從主航道經(jīng)過，船行波使得4號浮向西南偏移，船舶過后，在回復力的作用下燈浮標又向著航道方向偏移。但是由于船行波的作用力大于回復力的作用力，這就使得4號浮向西南方偏移的幅度要大于向著航道方向的偏移幅度。

③在航道軸線方向，4號浮的偏移在各個季節(jié)沒有明顯的變化，其偏移幅度在各季節(jié)基本一致。

④主航道4號浮拋設位置距航道西邊線50米，根據(jù)各個季度4號浮的位置數(shù)據(jù)，其在各個方向上的偏移幅度（各遙測位置點距4號燈浮標對外發(fā)布的位置點的距離）最大21米，因此，燈浮標在外力作用下不會偏移到主航道內(nèi)，也不會影響到主航道內(nèi)通航船舶的航行安全。

圖6是不同季節(jié)28號燈浮標位置分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)主航道28號燈浮標的偏移特點如下：

①總體來看，28號浮在航道軸線方向偏移幅度要大于垂直于航道軸線方向的偏移幅度，特別是春季和冬季，其偏移不像4號浮受季風影響明顯。這主要是因為28號浮位于廈門灣內(nèi)，受廈門島及周邊其他島嶼和建筑物的阻擋，風對燈浮標偏移的影響程度大幅度降低，在常風向上偏移幅度較小。而流對燈浮標偏移的影響較為明顯，并且28號浮附近水域漲落潮流向與航道走向基本一致，這就使得28號浮在航道軸線方向偏移量較大。

圖6 主航道28號燈浮標不同季節(jié)位置點分布圖

②28號浮向航道外側(cè)偏移的幅度較向著航道偏移的幅度要大，這主要是由于船行波的影響，使得燈浮標遠離航道偏移。

③在航道軸線方向，28號浮向著外海方向偏移較向海滄港區(qū)方向偏移幅度大，這主要是由于在28號浮西側(cè)是廈門至漳州滾裝客船習慣航路，并且該習慣航路船舶艘次較多，這些滾裝客船的船行波使得28號浮向外海側(cè)偏移幅度明顯增大。

④在夏季和秋季（4—9月份），特別是在秋季，28號浮背離航道偏移幅度較大。從圖中可以看出，這些偏移幅度較大的燈浮標位置點比較稀疏，這說明28號浮并不是經(jīng)常有這么大的偏移幅度。究其原因，主要是在臺風影響期間，燈浮標偏移幅度較大，但是并沒有偏移進航道影響到船舶的通航安全。

四、結(jié)語

向船舶提供準確的燈浮標位置信息是保障船舶進出港航行安全的一項重要措施，也是航海保障部門的職責所在。本文結(jié)合廈門港的氣象條件，選取廈門港主航道典型燈浮標遙測位置數(shù)據(jù)，分析廈門灣口和灣內(nèi)燈浮標偏移的特點，以期為提高廈門港主航道燈浮標布設的精度和準確性提供理論支撐，更好地為船舶航行安全服務。