理論最低潮面確定方法探討

卓玉生，王 巖

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)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(guī)定有一個發(fā)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(dǎo)致國內(nèi)理論最低潮面采用值復(fù)雜多樣。同時，相同計算方法下，計算時采用不同的數(shù)據(jù)長度、年份，也可能得到不同的結(jié)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(jìn)行總結(jié)，并對其影響因素進(jìn)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(guān)概念

理論最低潮面，是根據(jù)前蘇聯(lián)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(dá)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(zhǔn)面之一，也是常用的潮高基準(zhǔn)面之一。深度基準(zhǔn)面是水深測量工作中水深的起算面，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《海道測量規(guī)范》（GB12327-1998）明確規(guī)定“以理論最低潮面作為深度基準(zhǔn)面”[2]1，其算法為弗拉基米爾斯基方法的改進(jìn)算法?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《中國海圖圖式》（GB12319-1998）也做出規(guī)定：“中國沿海地區(qū)一般采用‘理論最低潮面’作為深度基準(zhǔn)”[3]。根據(jù)國家海洋信息中心編制的潮汐表[4]說明中描述，“潮高基準(zhǔn)面與海圖深度基準(zhǔn)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(shù)值是一項重要的基礎(chǔ)性工作。確定深度基準(zhǔn)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(zhǔn)面時的基本原則。深度基準(zhǔn)面定得過高，船舶容易發(fā)生事故；深度基準(zhǔn)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(lián)弗拉基米爾斯基提出的，其計算原理概括為：利用潮位調(diào)和常數(shù)，選取振幅較大的13 個分潮，通過一些規(guī)定和算法，求取平均海面下能達(dá)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(jìn)行算法對比分析，以下內(nèi)容對算法中間過程進(jìn)行了提煉和概化，詳細(xì)過程可參見文獻(xiàn)[1]或文獻(xiàn)[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h(yuǎn)8(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(shù)表示，R、ε為輔助變量，其中R始終為正值。當(dāng)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(yīng)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(shù)：

式中φ為各分潮的相角，均可用以φK1為變量的函數(shù)表示。

根據(jù)L8對應(yīng)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(jié)變化較大的海區(qū)，可根據(jù)由一年以上潮位資料分析所得潮汐調(diào)和常數(shù)的長周期分潮Sa和Ssa來進(jìn)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(shù)，記為

式中φ為各分潮的相角，均可用以φK1為變量的函數(shù)表示。

根據(jù)L8對應(yīng)的相角(φK1)8min在其±60°范圍內(nèi)以15°間隔為樣本，分別通過查表（或通過公式）求取ε2等相關(guān)輔助角[1]，進(jìn)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(xiàn)之和，選取最小值，記為ΔL2。

該項改正也可采用海平面季節(jié)改正數(shù)。

以上三部分，L8部分算法較穩(wěn)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(xù)性，淺水分潮調(diào)和常數(shù)的較小變化，可能出現(xiàn)理論最低潮面的較大變化；ΔL2部分對“平均海面季節(jié)變化較大”沒有量化的判別，對其理解容易產(chǎn)生分歧，從而導(dǎo)致不同人使用相同潮位數(shù)據(jù)計算理論最低潮面結(jié)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(zhǔn)面一旦被正式采用，不宜輕易改變?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《海道測量規(guī)范》（GB 12327-1998）明確規(guī)定[2]：“深度基準(zhǔn)面一經(jīng)確定且在正規(guī)水深測量中已被采用者，一般不得變動”。該規(guī)定弱化了現(xiàn)行規(guī)范算法的強制執(zhí)行要求，基于此點，很多港口或海域采用的理論最低潮面數(shù)值并未因規(guī)范規(guī)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(zhǔn)面的復(fù)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(xiàn)發(fā)布了不同的改進(jìn)算法[6-8]，在此不作描述。

1956 年以前，我國采用的深度基準(zhǔn)面不統(tǒng)一，主要采用略最低低潮面作為深度基準(zhǔn)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(tǒng)一采用理論最低潮面（初期稱“理論深度基準(zhǔn)面”），其算法主要依據(jù)前蘇聯(lián)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(xué)》是早期重要的參考文獻(xiàn)。

1975 年，《海道測量規(guī)范》-水深測量（以下簡稱“75 規(guī)范”）規(guī)定:“長、短期驗潮站的深度基準(zhǔn)面，根據(jù)八個分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）的潮汐調(diào)和常數(shù)H、g值，按理論深度基準(zhǔn)面的公式計算。當(dāng)M4、MS4、M6三個淺海分潮振幅之和大于20 cm 時，還要進(jìn)行淺水分潮改正”[9]。75 規(guī)范中考慮的分潮共計11 個，規(guī)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(shù)據(jù)計算結(jié)果的唯一性，但該算法降低了深度基準(zhǔn)面的保證率。

1990 年，《海道測量規(guī)范》（GB 12327-90）（以下簡稱“90 規(guī)范”）規(guī)定:“以理論最低潮面作為深度基準(zhǔn)面”[10]。同時，90 規(guī)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(yīng)屬排版疏漏）外，與《海道測量規(guī)范》（GB 12327-98）基本一致，在此不做詳述。

1998 年，《海道測量規(guī)范》（GB 12327-1998）（以下簡稱“98 規(guī)范”）修正了90 規(guī)范理論最低潮面算法中的明顯疏漏，是現(xiàn)行國家強制標(biāo)準(zhǔn)。98規(guī)范明確規(guī)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(guī)范算法是弗拉基方法的改進(jìn)算法，改進(jìn)后的計算結(jié)果有時會與原算法有較大差異，在做國外項目時應(yīng)注意與當(dāng)?shù)氐睦碚撟畹统泵嫠惴ǖ牟顒e。

對比不同時期深度基準(zhǔn)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(zhǔn)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(yù)報值進(jìn)行調(diào)和分析，取得黃、渤海29 個站位的調(diào)和常數(shù)，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(rèn)為“平均海面季節(jié)變化較大”，“平均海面季節(jié)變化較小”情況與75 規(guī)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(jié)果對比

為方便顯示黃、渤海各站三種規(guī)范算法計算結(jié)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(jié)果與潮汐表采用值差值

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

3.2 采用不同數(shù)據(jù)資料引起的差異

1）采用不同長度的潮位數(shù)據(jù)

采用不同長度的潮位數(shù)據(jù)，調(diào)和分析結(jié)果會有差異。一般情況下，采用的潮位數(shù)據(jù)資料越長，調(diào)和分析可靠性越高，理論最低潮面計算結(jié)果穩(wěn)定性越好。

由于月球升交點作18.61 年周期變化，較多文獻(xiàn)提出引入潮汐歷元和深度基準(zhǔn)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(zhǔn)面歷元長度的規(guī)定，如美國曾將潮汐和深度基準(zhǔn)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(zhǔn)面歷元為1992～2011 年,長度為20 年[11]。我國尚未有歷元規(guī)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(qū)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(shù)值。

在此呼吁掌握長期潮位資料的權(quán)威部門，確定潮汐和深度基準(zhǔn)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(zhǔn)面保證率等數(shù)值，將會對規(guī)范國內(nèi)深度基準(zhǔn)面體系起到關(guān)鍵性作用。不宜變動深度基準(zhǔn)面時，也會對評價采用的深度基準(zhǔn)面提供依據(jù)。

2）采用不同時段的潮位數(shù)據(jù)

搜集夏威夷大學(xué)海平面中心（UHSLC）發(fā)布的連云港等8 站1975 年～1997 年連續(xù)23 年逐時實測潮位資料，分別以每年潮位資料為樣本進(jìn)行調(diào)和分析，然后分別以98 規(guī)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(jié)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(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，統(tǒng)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(jié)果見表2。

表2 各站23 年逐年計算理論最低潮面統(tǒng)計結(jié)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(xiàn)明顯差異，本例中按現(xiàn)行98 規(guī)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(fā)生變化的情況時有發(fā)生，也有驗潮站所在位置因工程建設(shè)導(dǎo)致潮汐特征改變情況出現(xiàn)。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(yīng)進(jìn)行變動前、后位置同步驗潮，對原位置潮位資料進(jìn)行必要訂正。變動前、后位置潮汐性質(zhì)變化較大情況下，應(yīng)作為兩個測站使用。

隨著我國港口建設(shè)的發(fā)展，一些長期驗潮站所在位置的潮汐性質(zhì)因地形地貌變化（如在原本開敞環(huán)境下變?yōu)楠M長通道內(nèi)部情況）也會發(fā)生變化，進(jìn)行潮汐分析時也要考慮。

3.4 調(diào)和分析的算法影響

調(diào)和分析的算法間接影響計算理論最低潮面結(jié)果。調(diào)和分析的算法中，能夠分離出的調(diào)和分潮個數(shù)和方程組求解方法不同，都會造成計算結(jié)果差異。由于現(xiàn)在的潮汐調(diào)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(jié)果檢驗

4.1 深度基準(zhǔn)面保證率驗證

深度基準(zhǔn)面保證率是常用的評價海圖深度基準(zhǔn)面是否適宜的標(biāo)準(zhǔn)之一。

深度基準(zhǔn)面保證率的計算公式為：

深度基準(zhǔn)面保證率=高于深度基準(zhǔn)面的低潮次數(shù)/低潮總次數(shù)×100 %。

通常認(rèn)為深度基準(zhǔn)面保證率的適宜數(shù)值為 95 %。也有深度基準(zhǔn)面的保證率應(yīng)大于98 %，特殊情況下不得小于95 %的說法[12]，一般要求統(tǒng)計深度基準(zhǔn)面保證率應(yīng)有一年以上的水位觀測資料。實際上，統(tǒng)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(tǒng)計深度基準(zhǔn)面保證率可能產(chǎn)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(jìn)行對照，必要時進(jìn)行同步觀測，與長期站潮位資料做相關(guān)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(jié)語

通過以上分析，在當(dāng)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(xié)調(diào)一致。

2）計算理論最低潮面；

計算時應(yīng)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(jié)果應(yīng)與附近港口或長期驗潮站采用值進(jìn)行對比分析，有條件應(yīng)進(jìn)行短期同步觀測，通過相關(guān)分析等方法，確定采用的潮位資料的代表性，必要時應(yīng)進(jìn)行修正。

4）安全性評價。

對計算的理論最低潮面結(jié)果應(yīng)進(jìn)行安全性評價。安全性和與附近港口或海域采用值的協(xié)調(diào)性沖突時，應(yīng)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(yīng)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(xié)調(diào)一致。