喬光全，周合成，陸卓翔

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230)

在近岸港口航道設計中，經(jīng)常會用到乘潮水位，在已有規(guī)范中[1]，乘潮水位保證率的統(tǒng)計是以所有潮過程的乘潮水位作為樣本。對于高潮日不等海域，每日存在兩個水位差別明顯的高潮，低高潮有時甚至會低于平均海平面。因此，得到的高保證率的高潮乘潮水位較低，尤其是正規(guī)半日潮以外的海域，保證率90%的2 h乘高潮水位可能在平均海平面附近，甚至低于平均海平面[2]。誠然，該水位和設計低水位相比，在航道工程的疏浚量方面能節(jié)省不少費用，但是在來船頻率較低的港區(qū)，這種節(jié)省還可能會有進一步優(yōu)化的空間。比如，統(tǒng)計乘潮保證率時，采用乘潮水位的樣本如果僅選用每日的高高潮，可以提高乘潮水位，進一步減少疏浚量。隨著碼頭停靠船噸位越來越大、航道疏浚越來越深，疏浚費用的節(jié)省也越來越可觀。目前，針對乘潮水位樣本選取對水位影響的討論較少。基于此，本文選取了我國沿海4個代表性的不同潮型站點，選取不同的高潮樣本，采用兩種方法，對乘潮水位的計算結果進行探討，并從經(jīng)濟性和候潮時間等方面分析其利弊。為港口航道工程中乘潮水位的設計和施工提供科學的參考依據(jù)。

1 站點選擇和計算方法

本文從2018年潮汐表中[3]選取正規(guī)半日潮、不正規(guī)半日潮、不正規(guī)全日潮和正規(guī)全日潮共4種潮型進行分析，結合筆者已有的研究成果[4]，4種潮型站點分別選取廈門、湛江、鐵山港和洋浦。其中廈門屬正規(guī)半日潮，每日兩個高潮潮高基本一致，將該站作為對比站；其余3站每日有1～2個高潮，高潮日不等現(xiàn)象顯著。分析4站通過兩種樣本選取方法得到的高潮乘潮水位的水位差、通航窗口期分布以及船舶候潮時間的特征，3組特征參數(shù)的計算方法可參考文獻[2]。站點及相關潮汐參數(shù)見表1。

表1 站點及潮汐參數(shù)

2 結果分析

分別采用兩種樣本選取方法統(tǒng)計乘潮水位頻率分布。方法1采用規(guī)范中的方法，即以所有高潮過程的乘潮水位作為頻率分布統(tǒng)計樣本，每個站的樣本個數(shù)即本站的高潮個數(shù)；方法2只選取每日的高高潮作為統(tǒng)計樣本，樣本數(shù)量為365個。兩種方法統(tǒng)計得到的1～4 h乘潮水位頻率分布曲線見圖1。

圖1 不同站點的乘潮水位累積頻率曲線

由于方法2的樣本舍棄了每日的低高潮，因此圖中所有站點方法2曲線在方法1曲線之上。4個站中兩組曲線的表現(xiàn)形式大概分為3種類型：廈門站(正規(guī)半日潮)兩組曲線很接近；鐵山港和洋浦(全日潮)的兩組曲線在低保證率時差別不大，保證率超過50%后兩組曲線漸行漸遠；湛江站(不正規(guī)半日潮)的兩組曲線在整個頻率范圍內差別較大。將工程常用的乘潮時間為2～4 h、乘潮保證率為50%～90%的數(shù)據(jù)匯總于表2，表中差值表示方法2-方法1的結果。

表2 不同站點兩種方法統(tǒng)計得到的乘潮水位及差值

從表2數(shù)據(jù)可以看出，兩種方法的水位差有如下特點：不正規(guī)潮的差值最大，其次是正規(guī)全日潮，而正規(guī)半日潮的差別較小。以保證率為90%的2 h乘潮水位為例，鐵山港差值超過100 cm，湛江也超過50 cm，洋浦為40 cm，廈門是11 cm。另外，幾個站點呈現(xiàn)乘潮歷時越短或保證率越高則差值越大的趨勢。如相同歷時50%保證率的差值比90%保證率的差值小，相同保證率情況下，4 h乘潮水位的差值比2 h的差值小。這種特點在鐵山港和洋浦表現(xiàn)最明顯，廈門站差別不太大，在湛江站甚至還有相反的趨勢，這可能是因為這兩個站的差值波動比較小的原因。

不同站點潮差不一，對計算差值除以當?shù)豈SL，進行無量綱化，得到相對差值，數(shù)據(jù)列于表3。各站的相對差值在低保證率時大部分在6.0%以內，高保證率時表現(xiàn)各異。廈門站的相對差值在4.0%以內，湛江和洋浦的最大差值在15%～20%，而鐵山港在30%以上。另外，湛江和鐵山港的保證率在50%以上時，這種差值就表現(xiàn)得非常明顯，洋浦在到70%以上保證率的相對差值才到達10%以上。

表3 兩種統(tǒng)計方法的乘潮水位差值與當?shù)豈SL比值

續(xù)表3

總體來看，不同樣本選取方法對正規(guī)半日潮海區(qū)乘潮水位的影響不大，對不正規(guī)全日潮影響最大，對不正規(guī)半日潮和正規(guī)全日潮海區(qū)的影響也很明顯。

3 討論

對正規(guī)半日潮以外海域，舍棄每日低高潮統(tǒng)計乘潮水位，一方面可將水位提高0.4～1.0 m，但也會縮短通航窗口期，增加船舶進港的候潮時間。因此，從乘潮水位對這兩方面的影響進行探討。為討論問題方便，本節(jié)選用2 h-90%水位，船舶需要的航行時間也相應為2 h，其余乘潮時間和保證率的相關研究結論可參考文獻[2]。

3.1 通航窗口期頻率分布

對于通航窗口期，計算每個潮周期內的連續(xù)可通航時間。其頻率分布的統(tǒng)計樣本可以以潮周期為樣本，也可以以一日內的通航窗口時長作為樣本。為簡單起見，前者稱為潮頻率，后者稱為日頻率。由于通航時間是連續(xù)的，因此對于日頻率的統(tǒng)計樣本，本節(jié)取連續(xù)通航時間長者作為當日的通航窗口期。4個站的通航窗口期頻率分布曲線和累積頻率曲線見圖2。圖2a)、b)是頻率分布曲線，橫坐標代表通航窗口期，縱坐標表示各通航窗口期的分布頻率。統(tǒng)計中，橫坐標以0.5 h為一個統(tǒng)計分段，即0代表無窗口期的頻率，Nh代表窗口期在(N-0.5)～Nh的頻率。圖2c)、d)是累積頻率曲線，曲線上各點對應的縱坐標表示連續(xù)通航窗口期大于等于橫坐標時長的頻率。

圖2c)中深色曲線和圖2d)中淺色曲線均相交于點(2 h，90%)，與該水位的乘潮歷時和乘潮保證率一致，也就是說方法1的乘潮保證率得到的是潮頻率，方法2得到的是日頻率。從分析的4個站的頻率分布曲線來看，廈門的兩組曲線相差很小，其余3個站方法2得到的曲線明顯比方法1左移，表示通航窗口期明顯縮短，這是因為方法2得到的水位比方法1高的緣故。

圖2 不同站點通航窗口期的潮頻率和日頻率分布

提取圖2c)、d)中特征潮頻率和日頻率的通航窗口期，分析兩種方法得到的通航窗口期差值(方法1-方法2)，見表4。通航窗口期差值的中位數(shù)(累積頻率50%)和平均值各站不一，半日潮最小，不正規(guī)全日潮最大，正規(guī)全日潮和不正規(guī)半日潮其次。在4個站中，廈門在10～20 min，湛江在1.5～2.5 h，洋浦在2～3 h，鐵山港大致在3～5 h。累積頻率10%的值和平均值差別不大，兩種方法對最大窗口期和累積頻率90%的通航窗口期影響更大。

表4 特征潮頻率和日頻率的通航窗口期

3.2 船舶等候時間頻率分布

分析各站點在水位2 h-90%條件下，進港需要候潮潮位時間的頻率分布。分析結果見圖3，圖中曲線上各點縱坐標值表示候潮時間不超過橫坐標小時的頻率值，深色線表示方法1的結果，淺色線表示方法2的結果。圖中淺線都在深線的右下方，表示相同的候潮時長方法2的頻率比方法1低，即在方法2水位下的船舶等候時間明顯比方法1的長。

圖3 各站點候潮時間頻率分布

從曲線提取特征頻率的候潮時間見表5。方法2計算得到的水位會延長候潮時間，從中位數(shù)(頻率50%)和平均候潮時間以及無需候潮頻率來看，對各站的影響(表中差值)表現(xiàn)為：對廈門(正規(guī)半日潮)影響最小，其次是洋浦(正規(guī)全日潮)，對湛江和鐵山港(不正規(guī)潮)的影響最大。對頻率為90%的候潮時間，方法1得到各站均為半天左右(10～14 h)，方法2大約為1天(22～28 h)；對最長候潮時間，兩種方法計算的水位結果都是全日潮明顯短于半日潮。從無需候潮的頻率來看，也是全日潮優(yōu)于半日潮。

表5 特征頻率的候潮時間和無需候潮的頻率

3.3 工程應用

根據(jù)前文分析，統(tǒng)計乘潮水位頻率分布僅采用每日最高潮，一方面使相同保證率的乘潮水位升高，大大節(jié)約航道建設費用。比如，以2 h-90%為例，廈門抬高11 cm、湛江抬高52 cm、鐵山港抬高114 cm、洋浦抬高40 cm，除廈門外，對其他3個站的影響非常大，以30 km長300 m寬的航道工程為例，這3個站點采用方法2的水位可減少疏浚量36萬～102萬m3，疏浚費用按30元/m3估算，節(jié)省的疏浚費可達上千萬元。

另一方面，水位抬高后可縮短高潮時的通航窗口期，增加船舶候潮時間，給港口航道的運營及調度管理帶來額外工作量。本文除廈門以外的3個站，方法2能使通航窗口期平均縮短2～5 h，候潮時間平均延長5～10 h。尤其是對不正規(guī)潮海區(qū)，候潮時間大幅延長。如湛江(圖4)，假如在2018年6月6日來船，在方法2水位下，須候潮至6月11日方可進港，而在方法1水位下，候潮時間不超過24 h；對鐵山港和洋浦，根據(jù)圖4，如果在6月8日和6月9日來船，兩種水位條件下船舶候潮時間也差別很大。

圖4 代表性站點典型的大-小-大潮周期潮位歷時曲線

因此，在實際工程設計中，建議可根據(jù)前期航道工程的費用投入和來船頻率，綜合考慮乘潮水位的選取。比如，在來船頻率很低(如每月一次)、船舶可以接受進出港長時間候潮且前期費用不充足的不正規(guī)半日潮和全日潮港區(qū)，可考慮采用方法2的乘潮水位，或對方法1的水位進行科學論證后，在可接受的范圍內適當放寬。

4 結語

1)和方法1相比，方法2得到的乘潮水位提高，水位抬高后，大幅縮短高潮時的通航窗口期，顯著增加船舶候潮時間。這種影響對正規(guī)半日潮不明顯，對不正規(guī)全日潮影響最大，對不正規(guī)半日潮和正規(guī)全日潮海區(qū)的影響也很明顯。

2)建議在實際工程中，根據(jù)工程前期的費用投入和來船頻率，對兩種樣本選取方法進行科學論證，綜合考慮乘潮水位的選取，在航道港口運營方和航道使用者可接受的范圍內，對乘潮水位適當放寬，在滿足使用要求的前提下，節(jié)省項目投資。