基于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的碼頭前沿潮汐潮流精細(xì)化安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張興林

國(guó)家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 浙江 溫州 325024

0 引言

本文研究的碼頭工程選擇浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電廠,該電廠位于浙江中部沿海三門灣灣口西南岸段牛山涂,行政歸屬臺(tái)州市三門縣浦壩港鎮(zhèn)（原浬浦鎮(zhèn)）,南與臺(tái)州市區(qū)相距約37 km,西北距三門縣城海游鎮(zhèn)約34 km,北距寧波市區(qū)約146 km。電廠碼頭前沿海域較為開闊,水深在-6.0 m～-11.0 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面）之間。由于地形較為復(fù)雜,水深較淺,進(jìn)出碼頭船舶需候潮進(jìn)出,因此,有必要對(duì)碼頭前沿潮汐潮流進(jìn)行精細(xì)化預(yù)報(bào),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)船舶進(jìn)出港區(qū)及最佳靠離泊時(shí)間。

為了落實(shí)此項(xiàng)工作,本文將開展基于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的碼頭前沿潮汐潮流精細(xì)化安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了滿足本文系統(tǒng)設(shè)計(jì),在開展系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)前,繪制碼頭前沿潮汐潮流精細(xì)化安全預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖,并進(jìn)行系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的布置。主要設(shè)備及其技術(shù)指標(biāo)如下表1所示:

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備及其技術(shù)指標(biāo)

其中潮位站驗(yàn)潮儀采用國(guó)家海洋技術(shù)中心研發(fā)的SCAM-3型浮子式水位計(jì),潮位觀測(cè)精度<1 cm。數(shù)據(jù)采用CDMA無線傳輸至臺(tái)州海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站接收終端,太陽(yáng)能供電方式,測(cè)點(diǎn)配備100W太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能充電器和100 AH蓄電池組合供電。潮位點(diǎn)觀測(cè)要素包括潮時(shí)、潮高。

在海流監(jiān)測(cè)中,本系統(tǒng)采用ADCP進(jìn)行觀測(cè),測(cè)量時(shí)間間隔設(shè)為30 min,層寬設(shè)為0.5 m。依據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T12763.2-2007）規(guī)定和潮流分析預(yù)報(bào)要求,按表層（水面下0.5m、5m、10m底層（海底面上0.5 m））進(jìn)行分層記錄。海流觀測(cè)之前采用檢定合格的直讀式海流計(jì)與ADCP進(jìn)行比對(duì)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)站位布設(shè)

為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求,需要進(jìn)行潮流監(jiān)測(cè)站位的布設(shè)。在碼頭前沿設(shè)置了3個(gè)海流觀測(cè)點(diǎn),分別在大、中、小潮開展連續(xù)26小時(shí)海流觀測(cè);在綜合碼頭平臺(tái)設(shè)置1個(gè)臨時(shí)潮位觀測(cè)點(diǎn),開展了連續(xù)31天的潮汐觀測(cè)。為提高預(yù)報(bào)精度,在電廠綜合碼頭東側(cè)建成1個(gè)簡(jiǎn)易潮位站,開展潮汐長(zhǎng)期觀測(cè),觀測(cè)要素包括潮高、潮時(shí),潮高測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于1 cm。測(cè)點(diǎn)位置如下圖1所示。

圖1 潮汐、海流監(jiān)測(cè)站位圖

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在完成上述站位布設(shè)后,獲取定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù),并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。在此過程中,按照最小二乘法方法,進(jìn)行O1、K1、M2、S2、M4、MS4等較為顯著分潮調(diào)和常數(shù)的獲取。同時(shí),將其與周邊長(zhǎng)期驗(yàn)潮站（健跳水文站）的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析。

根據(jù)15個(gè)主要天文分潮中,O1、K1、P1、Q1、J1屬于全日分潮,M2、S2、N2、K2屬于半日分潮,MK3屬于三分之一分潮,M4、S4、MS4屬于四分之一分潮,M6、MS6屬于六分之一分潮?？梢钥闯?M2分潮所占比重最大,電廠碼頭簡(jiǎn)易潮位站與健跳水文站1年實(shí)測(cè)潮位的調(diào)和常數(shù)振幅較為接近。

其中,主要分潮M2分潮電廠碼頭簡(jiǎn)易潮位站資料分析結(jié)果與健跳水文站1年實(shí)測(cè)潮位相差12.44cm,遲角相差27.210,調(diào)和常數(shù)差異的主要原因是地形、水深、測(cè)站位置、以及天氣系統(tǒng)綜合影響的結(jié)果。

為進(jìn)一步分析兩站潮汐特征的差異性,滿足港區(qū)作業(yè)需要,在此基礎(chǔ)上,對(duì)潮汐性質(zhì)、潮汐特征等進(jìn)行分析。分析后發(fā)現(xiàn)兩站潮汐性質(zhì)基本一致,平均高潮位及平均低潮位電廠簡(jiǎn)易站均高于健跳站,差值分別為26 cm、36 cm。

由于海流觀測(cè)時(shí)間較短,因此按《海洋調(diào)查規(guī)范第7部分:海洋調(diào)查資料處理》中潮流準(zhǔn)調(diào)和分析方法進(jìn)行分析。結(jié)果表明,碼頭前沿各站潮流性質(zhì)屬于半日潮流的類型,且淺海分潮流占較大比重。

2.3 碼頭前沿潮汐潮流預(yù)報(bào)與安全評(píng)估

電廠碼頭天文潮預(yù)報(bào)基于碼頭簡(jiǎn)易潮位站2017年1月至2018年1月一個(gè)完整日歷年份的資料,通過調(diào)和分析計(jì)算各分潮的振幅和相位,進(jìn)而計(jì)算出指定時(shí)間段的天文潮潮時(shí)、潮位。選取天氣系統(tǒng)影響本海域相對(duì)較少的月份進(jìn)行預(yù)報(bào)實(shí)測(cè)比對(duì),即取簡(jiǎn)易潮位站2019年6月逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù),與計(jì)算的天文潮位進(jìn)行比對(duì),比對(duì)后得出逐時(shí)潮位平均絕對(duì)誤差與高低潮時(shí)誤差。

由于本項(xiàng)目海流觀測(cè)為短期觀測(cè),為了提高預(yù)報(bào)精確度,在預(yù)報(bào)中適當(dāng)增加分潮數(shù)目。利用潮流準(zhǔn)調(diào)和分析所得的各分潮的調(diào)和常數(shù)計(jì)算碼頭前沿潮流情況,對(duì)海流觀測(cè)期間的流速、流向進(jìn)行回報(bào),并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。

完成對(duì)碼頭前沿潮汐潮流的預(yù)報(bào)后,天文潮潮時(shí)和潮位評(píng)估采用絕對(duì)誤差的方法,利用《準(zhǔn)確性評(píng)估方法》中高潮位和高潮時(shí)評(píng)分公式,對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估。表達(dá)式如下:

公式（1）中:X表示為高潮時(shí)或高潮位安全評(píng)分方式;A表示為預(yù)報(bào)高潮時(shí)或高潮位值;B表示為實(shí)測(cè)高潮時(shí)或高潮位值。

按照上述計(jì)算公式,計(jì)算高潮時(shí)或高潮位安全范圍,計(jì)算公式如下:

3 應(yīng)用分析

為了證明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性,在完成設(shè)計(jì)后,選擇臺(tái)二電碼頭前沿海域作為研究區(qū)域。此碼頭中的卸煤碼頭與綜合碼頭共用一座引橋,引橋的平面布置圖呈現(xiàn)“反F”形狀。碼頭前沿線布置于泥面標(biāo)高-11.5 m～-11.8 m處,其中前沿部分的方位角度在143.6°～323.5°范圍內(nèi),泊位長(zhǎng)度為292.0 m,寬度為28.0 m,碼頭面高程為8.5 m。由于主流向與碼頭之間存在開角,安全靠離泊對(duì)潮汐潮流要求較高。

本文設(shè)計(jì)的安全預(yù)警系統(tǒng)與碼頭工作站之間網(wǎng)絡(luò)對(duì)接,在確保端對(duì)端良好通信的前提下,在系統(tǒng)前端輸入登錄賬號(hào)與密碼,在顯示端操作本系統(tǒng),進(jìn)入系統(tǒng)的潮汐潮流預(yù)報(bào)界面。系統(tǒng)主要預(yù)設(shè)功能模塊包括站點(diǎn)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)品查詢、安全預(yù)警、調(diào)度管理等,可預(yù)設(shè)水深、基面關(guān)系、潮汐預(yù)警閾值、流速預(yù)警閾值、設(shè)計(jì)船型、吃水深度等相關(guān)參數(shù),直觀查詢顯示當(dāng)日、未來72小時(shí)、一月、三個(gè)月的潮汐潮流預(yù)報(bào)產(chǎn)品,以及當(dāng)前的預(yù)警狀態(tài),如下圖2所示:

圖2 碼頭前沿潮汐潮流預(yù)警曲線

當(dāng)實(shí)測(cè)潮位與預(yù)報(bào)潮位超出一定范圍,實(shí)際水深超出吃水深度,以及預(yù)測(cè)流速超出預(yù)警界限,即觸發(fā)系統(tǒng)預(yù)警。同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)報(bào)區(qū)域的碼頭走向、航道水深、碼頭水深、以及當(dāng)?shù)爻毕绷魈卣?計(jì)算最佳靠離泊推薦時(shí)間“窗口”,指導(dǎo)船方提前安排調(diào)度和作業(yè)計(jì)劃。從結(jié)果來看,預(yù)報(bào)潮位與實(shí)際潮位較為一致,潮汐安全預(yù)警基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有保障,水深和流速預(yù)警視預(yù)設(shè)值而定,可在使用中不斷優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有一定可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足大中型碼頭安全保障和安全靠離泊的需求,開展了臺(tái)二電碼頭前沿海域潮汐潮流預(yù)報(bào),在掌握碼頭前沿海域潮汐、潮流特征及變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)潮汐、潮流變化情況,預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際較為吻合。結(jié)合實(shí)際需求,設(shè)計(jì)的安全預(yù)警系統(tǒng)從技術(shù)上可實(shí)現(xiàn),在實(shí)際應(yīng)用中具有一定可行性,可為碼頭營(yíng)運(yùn)期間船只安全靠離泊提供必要的參考依據(jù)。