宋艷，張家琪

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海200120）

強海流港口乘潮水位計算方法及應(yīng)用

宋艷，張家琪

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海200120）

對于需乘潮通航的港口航道，合理確定乘潮水位對于提高船舶通航的安全性以及提高碼頭營運效率具有重要影響。文章針對強海流港口提出了結(jié)合碼頭前水流條件綜合確定乘潮水位的方法。以馬跡山25萬噸級礦石中轉(zhuǎn)碼頭擴建工程中航道設(shè)計底標高的計算為例，對碼頭前水流條件進行了分析，提出多種船舶進港靠泊方案，并計算其相應(yīng)的乘潮水位，最后經(jīng)過綜合比較，為提高船舶裝載率及碼頭營運效率，采用落潮進港落潮流速最小時靠泊方案下的乘潮水位。該方法考慮了船舶航行及靠泊時的多方面安全性，可更經(jīng)濟合理地進行航道設(shè)計。

強海流；航道；乘潮水位

0 引言

隨著船舶大型化、專業(yè)化和高速化的發(fā)展，對港口航道水深的要求越來越高。但目前沿海許多港口航道的天然水深不足以滿足全天候通航的吃水要求，需對航道淺段進行疏?；虺顺边M出港。對淺段較長的航道，如采取工程措施疏浚至設(shè)計水深要花費巨額投資，而利用潮位乘潮通航可以節(jié)省工程量，從而大大降低工程造價。

通常航道和港池水域設(shè)計中采用的乘潮水位為根據(jù)船舶進港及調(diào)頭、靠泊的持續(xù)時間確定乘潮歷時[1]，截取每一個潮峰過程線與此延時相當(dāng)?shù)乃?，并?jīng)過統(tǒng)計、計算，最終選取累積頻率90%～95%的水位作為乘潮水位[2]。然而這種計算方法對于需乘潮進港的強海流港口來說，當(dāng)進港航道較長，如果乘潮歷時的選取未考慮船舶航行及調(diào)頭、靠泊時的流速，由于流速的時時變化，可能遇到進港時潮流正處于漲急時，或到碼頭前調(diào)頭、靠泊時，流速較大，不利于船舶的安全。

本文提出對于強海流港口，當(dāng)需乘潮通航時，其乘潮歷時及相應(yīng)乘潮水位的計算除了要考慮船舶進港、調(diào)頭及靠泊的持續(xù)時間以外，還要結(jié)合港內(nèi)水流條件進行綜合分析，選擇恰當(dāng)?shù)拇斑M港、靠泊時間段，既保證船舶在該乘潮水位下安全通航，又使其調(diào)頭靠泊時流速處于安全范圍內(nèi)，從而確保船舶安全。本文以馬跡山25萬噸級礦石中轉(zhuǎn)碼頭擴建工程中航道設(shè)計底標高的計算為例，來討論該綜合分析方法的應(yīng)用。

1 工程概況

馬跡山港位于浙江省嵊泗縣泗礁島西南約1.5 km處的馬跡山島，處于長江口和杭州灣的交匯處。為降低進口鐵礦石的遠洋運輸成本和確保鐵礦石運輸安全，寶鋼于2002年建成了馬跡山鐵礦石深水中轉(zhuǎn)港。為了適應(yīng)鋼鐵企業(yè)的發(fā)展對進口鐵礦石不斷增長的需求，需對馬跡山礦石中轉(zhuǎn)港進行擴建。擴建工程中航道選線原則為在保證船舶航行安全和滿足港區(qū)運量的前提下，充分利用天然水深、現(xiàn)有航道和航道設(shè)施。一期進港航道自投入運營以來，通航情況良好，因此擴建工程進港航道軸線基本維持一期航道不變，將其拓寬至30萬噸級與20萬噸級船雙向通航的航道。進港航道范圍內(nèi)有約6 km長度的淺段，天然水深不能滿足30萬噸級船舶進港要求，需要進行疏浚增深。因淺段范圍較大，考慮工程的經(jīng)濟性，擬采取船舶乘潮進港的方式[3]。

2 港區(qū)水文特性

馬跡山港區(qū)潮汐日不等現(xiàn)象較為明顯，有高潮不等、低潮不等和漲、落潮歷時不等的現(xiàn)象，平均漲潮歷時5 h 54 min，平均落潮歷時6 h 30 min。因此，馬跡山海區(qū)的潮汐類型屬非正規(guī)半日淺海潮。

馬跡山海區(qū)的潮流性質(zhì)屬非正規(guī)半日淺海潮流。

3 碼頭前沿的潮流分析

本文所采用潮流資料為碼頭附近的大、中、小潮流速觀測資料，分別為1995年4月24日—1995年4月25日（小潮）、1995年5月1日—1995年5月2日（大潮）三條垂線測驗和2005年3月5日—3月12日兩條垂線測驗資料。通過對該潮流資料的分析可知，碼頭前沿漲急流速在1.2~ 2.2 m/s之間，發(fā)生在高潮前1.17～2.75 h之間，具體統(tǒng)計結(jié)果列于表1。表2為流速大于1.0 m/s的發(fā)生時間段統(tǒng)計，在高潮前4.55 h至高潮后0.76 h，該時段內(nèi)潮流較大，船舶不宜靠泊。

表1 最大漲潮流速的發(fā)生時間統(tǒng)計表Table 1Statistics of the occurrence time of the maximum flood

表2 漲潮流速>1.0 m/s的時間段統(tǒng)計Table 2Statisticsofthetimescaleofflood largerthan 1.0m/s

另據(jù)潮流資料統(tǒng)計得出碼頭前沿最小漲潮流速發(fā)生的時間段在高潮后1.25～2.33 h；落急流速為0.39～0.94 m/s，一般發(fā)生在低潮前3.5 h~低潮后0.42 h；最小落潮流速為0.11～0.54 m/s，一般發(fā)生在低潮時~低潮后0.92 h。

從上述的水流資料分析可見，如果以潮流速1 m/s為界，即大于1 m/s不宜船舶靠泊，小于1 m/s宜于船舶靠泊，則由于落潮流速值小于1 m/s，該地不宜船舶靠泊的時段主要在漲潮流時段，即在高潮前4.55 h到高潮后0.76 h，共約5.31 h。不宜靠泊的時間段如圖1所示。

圖1 不宜靠泊的時間段Fig.1Time scale unsuitable to berth

4 不同靠泊方案及相應(yīng)乘潮水位

在本工程中，船舶進港需要乘潮的航道長度約6 km，其淺段始端距碼頭前沿約15 km。為了航行安全，船舶進入內(nèi)航道后基本微速航行，視船舶順流或逆流進港，并據(jù)內(nèi)航道附近水流狀況，船舶從航道淺段始端到達碼頭時間約1.3~2 h。

潮流對于大型船舶的航行、靠離泊作業(yè)有著重大影響，船舶在進行靠離泊作業(yè)時，不僅需要考慮潮位、風(fēng)、波浪等因素，還要考慮潮流的影響作用[4-5]。對于非天然水深大型開敞式碼頭，本文以適宜船舶靠離泊的潮流情況為先決條件，進行靠離泊時機的選擇，從而確定航行過程實際選取的乘潮水位。采用該方法能更好地保證船舶航行、靠離泊及裝卸作業(yè)過程中的安全，更經(jīng)濟合理地進行航道設(shè)計。

本文根據(jù)前述碼頭處潮流的特征及靠泊時段適宜性的分析，對漲潮進港漲潮流速最小時靠泊、落潮進港落潮流速最小時靠泊、漲潮進港初落靠泊等多種船舶進港靠泊方案進行了比較分析，并對相應(yīng)的乘潮水位進行選擇。

4.1 漲潮進港漲潮流速最小時靠泊

據(jù)潮流資料統(tǒng)計，碼頭前沿最小漲潮流速發(fā)生的時間段在高潮后1.25～2.33 h。采取該靠泊方案時，船舶在高潮前后從航道淺段始端進入，約在漲潮流速最小時靠上碼頭。按微速航行的船舶航速計算出船舶過航道淺段始末兩端時相應(yīng)的乘潮歷時（計算示意圖如圖2），計算結(jié)果列于表3。

圖2 船舶過淺段相應(yīng)乘潮歷時計算示意圖Fig.2Schematic diagram of calculation of tide riding duration when navigating through the shallow segment

表3 船舶過淺段處相應(yīng)乘潮歷時（漲潮進港漲潮流速最小時靠泊）Table 3Tide riding duration for the shallow segment（entering port at the flood and berthing at the minimum flood）h

從表3可以看出船舶在過航道淺段始端時，對于不同的潮型其相應(yīng)乘潮歷時在0.43～1.84 h之間，船舶過淺段末端時相應(yīng)乘潮歷時在0.38～1.48 h。

因該地潮汐性質(zhì)屬非正規(guī)半日潮，其淺海分潮主要反映在2個潮高不等，并據(jù)前述分析船舶過航道淺段的始末端時其乘潮歷時都小于2 h，為保證航行安全，該方案下可取持續(xù)時間2 h累積頻率90%的潮位。根據(jù)當(dāng)?shù)? a的潮位資料統(tǒng)計計算[6]，漲潮進港漲潮流速最小時靠泊方案下乘潮水位為3.11 m（當(dāng)?shù)乩碚摶鶞拭?，下同）?/p>

4.2 落潮進港落潮流速最小時靠泊

按落潮流速最小時作為靠泊時間，船舶航速同樣按微速航行計算航道淺段始末兩端乘潮歷時見表4，船舶過淺段始端時乘潮歷時7.8~8.9 h，過淺段末端時乘潮歷時9.2~10.6 h。淺段處乘潮水位可取乘潮歷時11 h的累積率90%的潮位1.03 m。

表4 船舶過淺段處相應(yīng)乘潮歷時（落潮進港落潮流速最小時靠泊）Table 4Tide riding duration for the shallow segment（entering port at the ebb and berthing at the minimum ebb）h

4.3 漲潮進港初落靠泊

航道淺段始末兩端乘潮歷時見表5，經(jīng)分析漲潮進港初落靠泊時可取乘潮歷時5 h累積頻率90%的潮位2.63 m。

表5 船舶過淺段處相應(yīng)乘潮歷時（漲潮進港初落靠泊）Table 5Tide riding duration for the shallow segment（entering port at the flood and berthing at the initial stage of ebb）h

5 航道設(shè)計底標高計算時的乘潮水位選擇

分析可見不同靠泊方案下船舶過淺段的乘潮水位為1.03~3.11 m。經(jīng)綜合考慮，為提高船舶裝載率，提高碼頭靠泊作業(yè)的時間及碼頭營運效率，淺段乘潮水位按落潮進港落潮流速最小時靠泊選取為1.03 m。

馬跡山港擴建工程卸船碼頭的最大設(shè)計船型是30萬噸級礦石散貨船，最大滿載吃水23 m，考慮到該船型實際到港艘次很少，僅占6%~7%，寶鋼長期定租的4艘30萬噸級船滿載吃水僅為21.4 m，一期工程進港的11艘次的30萬噸級船吃水在20.08~21.70 m之間，因此航道設(shè)計底標高按吃水21.4 m作為主體設(shè)計船型，大于21.4 m的船安排在高潮能夠進港的設(shè)計原則進行優(yōu)化。根據(jù)乘潮水位的選擇，航道設(shè)計底標高按規(guī)范計算為-23.4 m。

6 結(jié)語

本文以馬跡山25萬噸級礦石中轉(zhuǎn)碼頭擴建工程中航道設(shè)計底標高的計算為例，提出對于強海流港口，其乘潮水位應(yīng)結(jié)合碼頭前沿水流條件進行選擇。該方法通過分析碼頭前沿潮流特征，選擇不同的適宜靠泊的時間段，并按漲潮進港漲潮流速最小時靠泊、落潮進港落潮流速最小時靠泊、漲潮進港初落靠泊等不同方案分別計算其乘潮歷時及相應(yīng)乘潮水位，最后經(jīng)過綜合比較，從提高碼頭營運效率的角度采取落潮進港落潮流速最小時靠泊方案下的乘潮水位。這種方法不僅考慮到了船舶過航道淺段安全通航所需的乘潮歷時，而且考慮到了船舶在碼頭前調(diào)頭、靠泊時流速處于安全范圍，從而確保船舶航行及靠泊的多方面安全。該方法可在不同的工程設(shè)計中加以推廣應(yīng)用。

[1]JTS 165—2013，海港總體設(shè)計規(guī)范[S]. JTS 165—2013,Design code of general layout for sea ports[S].

[2]JTS 145—2015，港口與航道水文規(guī)范[S]. JTS 145—2015,Code of hydrology for harbor and waterway[S].

[3]上海寶鋼集團公司馬跡山礦石中轉(zhuǎn)港擴建工程（航道工程部分）：初步設(shè)計[R].上海：中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司.2005. The extension project of Majishan ore transfer port of Shanghai Baosteel Group(Part of channel project):basic design[R].Shanghai: CCCC-Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,2005.

[4]李冰緋，施凌.非天然水深大型開敞式碼頭靠泊時機與乘潮水位的確定[J].水運工程，2011（9）：77-81. LI Bing-fei,SHI Ling.On berthing time and tide-bound water level for non-natural deep water&large open wharf[J].Port and Waterway Engineering,2011(9):77-81.

[5]高明，于延平，謝寧寧，等.船舶乘潮進港時段水深及橫流的推算研究[J].水運工程，2013（1）：20-24. GAO Ming,YU Yan-ping,XIE Ning-ning,et al.Calculation of water depth and cross-flow during ship′s entering the port in higher tide[J].Port and Waterway Engineering,2013(1):20-24.

[6]邱大洪.工程水文學(xué)[M].北京：人民交通出版社，1999：227-229. QIU Da-hong.Engineering hydrology[M].Beijing:China Communications Press,1999:227-229.

Calculation method and application of the tide riding water level for the port with large flow

SONG Yan,ZHANG Jia-qi
（CCCC-Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China）

The tide riding water level has great influence on improving the safety of navigation and the operation efficiency of the wharf for the port where the ships need to take ride when navigating.In this paper,we proposed the calculation method of the tide riding water level for the port with large flow which took the flow conditions in front of the wharf into consideration.As an example,this method was applied in the extension project of Majishan 250 thousand ton ore transfer port when calculating the design channel bottom elevation.Firstly,we analyzed the flow conditions in front of the wharf,and then put forward different schemes of entering port and berthing at dock,and calculated the corresponding tide riding water levels.Through comprehensive comparison and in order to improve the ship loading rate and the operation efficiency of the wharf,we adopted the tide riding water level corresponding to the scheme of entering port at the ebb and berthing at the minimum ebb.The securities of navigation and berthing were both taken into account in this method and it can make the channel design more economical and reasonable.

large flow;channel;tide riding water level

U652

A

2095-7874（2017）07-0066-03

10.7640/zggwjs201707015

2017-03-20

2017-05-17

宋艷（1975—），女，山東青島人，博士，高級工程師，港口與航道工程專業(yè)。E-mail：270036109@qq.com