唐山豐南海域潮汐特征分析

熊 偉，劉 杰*，邢 碩

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456； 2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

唐山港豐南港區(qū)位于唐山市豐南區(qū)澗河村陡河河口至黑沿子沙河河口之間，建港自然條件優(yōu)良，區(qū)位優(yōu)越?！笆濉睍r(shí)期就已列入國(guó)家口岸發(fā)展規(guī)劃、河北省沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃，是唐山港“一港三區(qū)”的重要組成部分。對(duì)該海域開(kāi)展潮位觀測(cè)，分析潮汐特性，是實(shí)現(xiàn)自然資源科學(xué)利用的重要手段，可為港口航道設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理提供重要的基礎(chǔ)資料。

2019年4月1日～2020年3月31日期間在豐南海域設(shè)置H1、H2、H3三個(gè)觀測(cè)站開(kāi)展了基于1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的周年潮位觀測(cè)工作。本文則基于這次的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)豐南海域的潮汐性質(zhì)、潮位特征值、設(shè)計(jì)高低水位、理論最低潮面、平均海平面等進(jìn)行分析計(jì)算。

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

1 潮汐調(diào)和分析模型

天文潮位是水位運(yùn)動(dòng)變化的主體， 由若干分潮綜合而成，假設(shè)分潮個(gè)數(shù)為m，則表達(dá)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(duì)于某一分潮，σ和v可以通過(guò)天體運(yùn)動(dòng)推算得到，H和g為分潮調(diào)和常數(shù)，是該分潮在某點(diǎn)振動(dòng)變化的參數(shù)。式(1)是純粹形式上的潮汐調(diào)和分析的潮高表達(dá)式。國(guó)內(nèi)很多專(zhuān)家學(xué)者在潮汐調(diào)和分析及其應(yīng)用領(lǐng)域做了大量研究，例如方國(guó)洪等學(xué)者對(duì)潮汐運(yùn)動(dòng)原理及分析做了大量研究并取得相應(yīng)成果[1-4]，王驥等學(xué)者對(duì)基準(zhǔn)面計(jì)算、余水位分離、特征值統(tǒng)計(jì)方法等做了大量研究[5-9]，本文基于這些研究成果，對(duì)豐南海域潮汐特征進(jìn)行分析，分析原理與過(guò)程不再贅述。

根據(jù)2019年4月1日～2020年3月31日期間的連續(xù)潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)(1985國(guó)家高程基準(zhǔn))，采用最小二乘法進(jìn)行潮汐調(diào)和分析，得出13個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)[10]。

2 潮汐性質(zhì)

潮汐性質(zhì)可分為正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮、正規(guī)全日潮和不正規(guī)全日潮，潮汐性質(zhì)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(shù))來(lái)判別

潮汐示性系數(shù)按下式計(jì)算

(2)

當(dāng)F≤0.5時(shí)為正規(guī)半日潮；當(dāng)0.5

采用上式計(jì)算的結(jié)果如下：H1站的潮汐示性系數(shù)F為0.59，H2站的潮汐示性系數(shù)F為0.60，H3站的潮汐示性系數(shù)F為0.63，潮汐示性系數(shù)都大于0.5小于2.0，則該海域的潮汐性質(zhì)屬于不正規(guī)半日潮。

3 潮位特征值

根據(jù)3個(gè)周年潮位站歷時(shí)1 a的潮位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(cè)期間，H1測(cè)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(shí)為5:20，平均落潮歷時(shí)為7:06，漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)，平均海平面45 cm。H2測(cè)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(shí)為5:33，平均落潮歷時(shí)為6:50，漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)，平均海平面45 cm。H3測(cè)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(shí)為5:46，平均落潮歷時(shí)為6:38，漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)，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(shì)圖Fig.2 The monthly mean sea level change trend of each station

周年潮位觀測(cè)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(jiàn)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(guān)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(diào)和分析得到的主要分潮調(diào)和常數(shù)，根據(jù)《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》(JTS131-2012)附錄F和相關(guān)文獻(xiàn)[11]的研究成果進(jìn)行理論最低潮面的計(jì)算，3個(gè)潮位觀測(cè)站所得計(jì)算結(jié)果在實(shí)測(cè)周年平均海平面之下分別為245 cm、238 cm和228 cm，基面關(guān)系圖如圖3所示。

根據(jù)搜集到的歷史資料[12]，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局于2010年6月在澗河口沿岸進(jìn)行整月潮位觀測(cè)，分析計(jì)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(cè)站H1的計(jì)算結(jié)果之間相差約2.8%，這也較好地驗(yàn)證了雙方的觀測(cè)成果。

表5 各站設(shè)計(jì)高低水位Tab.5 Design high and low water levels of each station

6 設(shè)計(jì)高、低水位

利用該海域各站連續(xù)1 a的逐時(shí)實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)，繪制歷時(shí)累積頻率曲線，在曲線上摘取1%和98%的潮位值，即為設(shè)計(jì)高水位或設(shè)計(jì)低水位。H1站的設(shè)計(jì)高水位為205 cm，設(shè)計(jì)低水位為-135 cm；H2站的設(shè)計(jì)高水位為203 cm，設(shè)計(jì)低水位為-129 cm；H3站的設(shè)計(jì)高水位為195 cm，設(shè)計(jì)低水位為-120 cm(見(jiàn)表5)。

7 結(jié)論

(1)該海域的潮汐性質(zhì)屬于不正規(guī)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(shí)為5:20，平均落潮歷時(shí)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(shí)為5:33，平均落潮歷時(shí)為6:50。H3測(cè)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(shí)為5:46，平均落潮歷時(shí)為6:38。三個(gè)觀測(cè)站的最高潮位、最低潮位等特征值的出現(xiàn)時(shí)刻基本一致，漲潮歷時(shí)都小于落潮歷時(shí)，從近岸到離岸的漲落潮歷時(shí)差逐漸減小。

(2)三個(gè)觀測(cè)站的月平均海平面變化趨勢(shì)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(shè)計(jì)高水位為205 cm，設(shè)計(jì)低水位為-135 cm；H2站的設(shè)計(jì)高水位為203 cm，設(shè)計(jì)低水位為-129 cm；H3站的設(shè)計(jì)高水位為195 cm，設(shè)計(jì)低水位為-120 cm。