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        嘉興乍浦港潮水急漲時段靠泊時間窗口分析

        2021-01-06 09:28:16黃仕唯王志明吳善剛
        中國航海 2020年4期
        關(guān)鍵詞:潮汐潮流時段

        黃仕唯, 王志明, 吳善剛

        (上海海事大學(xué) 商船學(xué)院, 上海 201306)

        嘉興港位于杭州灣[1-2]海域,受水域地形的影響較大,是潮汐現(xiàn)象極其明顯的海港,其潮差大(如乍浦歷史上最大潮差近7.8 m)、潮流強,大潮汛期間漲潮流時段急漲潮流速度可達4.5 kn,船舶的靠泊安全面臨較大的威脅。嘉興海事局于2011年就港口靠泊采取“在陳山低平潮后1.5~3.5 h”時段靠泊管控措施,取得一定的安全保障效果,但也壓縮了船舶靠泊作業(yè)的時間窗口,影響碼頭泊位的利用效能。對此,為確保在港口水上作業(yè)安全的前提下,根據(jù)潮汐和潮流特征,合理利用港口潮流特征優(yōu)化海事管控措施,提出以極限流速和拖船保障為基本條件的靠泊時間窗口,逐步實行港口靠泊分類分級常態(tài)化管理勢在必行。

        目前,國內(nèi)外有學(xué)者注重研究潮流急漲時段對靠泊作業(yè)安全的影響。胡中敬[3]在合理調(diào)度船舶的靠泊、離泊和移泊等工作中考慮潮汐、潮流的變化情況。楊桂樨[4]詳細論述強潮流對大型船舶靠離泊的影響。陳仕營[5]分析在福州港松下港區(qū)離泊操縱時不同潮汐的操作。潘國華[6]基于大風(fēng)浪條件探討大型集裝箱船靠離泊作業(yè)存在的諸多潛在危險。陳琛等[7]提出潮汐是長江干線船舶延誤風(fēng)險的影響因素。已有研究大多局限于潮汐對靠離泊的整體影響,缺乏大量數(shù)據(jù)的分析和比較研究。對此,根據(jù)嘉興乍浦港區(qū)潮流和潮汐的基本狀況,統(tǒng)計全年大潮汛、小潮汛和中潮汛資料,分析12個月的潮高、潮差和潮流的特征值,對計算靠泊時間窗口進行建模,進而提出急漲時段靠泊實施分類分級管控措施。

        1 乍浦港區(qū)潮汐與潮流概況

        乍浦港區(qū)位于杭州灣,其潮汐為非正規(guī)半日潮,潮差大、潮流急,最高潮位從灣口至灣頂逐步增高,最低潮位逐步下降,致使潮差逐步增大。另外,日夜潮也出現(xiàn)明顯的不等現(xiàn)象,即夏半年(春分~秋分)日潮小、夜潮大,冬半年(秋分~春分)日潮大、夜潮小。杭州灣北岸2個水文站的潮位特征值見表1(1985國家高程基準(zhǔn))。乍浦港區(qū)潮汐與潮流基本數(shù)據(jù)源采用泊位前沿水域?qū)崪y、潮汐表和現(xiàn)行版海圖。

        表1 杭州灣北岸各水文站潮位特征值

        1.1 實測潮流狀況

        2013年5月,浙江省河海測繪院對嘉興乍浦港區(qū)E區(qū)4號泊位前沿水域的水文進行測量,其水文測驗各測點見圖1。

        圖1 乍浦港水文垂線布置示意

        實測水域分層中的流速最大值:漲潮流流速為3.70 kn,流向為250°~253°,出現(xiàn)于CD1、CD2測站的面層;落潮流最大流速為2.40 kn,流向為070°,出現(xiàn)于CD1測站的面層。

        在各觀測點的垂線上,流速最大值的平均值:漲潮流為3.10 kn(250°),出現(xiàn)于CD1測站大潮汛;落潮流流速為2.00 kn(077°),出現(xiàn)于CD2測站大潮汛。

        1.2 現(xiàn)行版海圖上潮流狀況

        由現(xiàn)行版海圖資料可知:乍浦港區(qū)泊位外側(cè)開闊水域(參考點30°33′N 121° 11′E):漲潮流流向約240°,大潮時段最大流速4.5 kn;落潮流流向約064°,大潮時段最大流速3.3 kn。依此推算出乍浦區(qū)泊位外側(cè)開闊水域在小潮汛和中潮汛的當(dāng)天最大流速見表2。

        表2 乍浦港區(qū)潮流最大流速 kn

        1.3 《潮汐表》中潮汐與潮流狀況

        根據(jù)國家海洋信息中心2019年嘉興乍浦港區(qū)潮汐、潮流資料[8],其全年潮汐、潮流統(tǒng)計極值見表3。

        根據(jù)以上3類資料比較,從安全(選擇最可能的最大值)和精度要求的角度選用2019年《潮汐表》資料進行窗口時間分析和推算。

        2 潮汐與潮流之間的關(guān)聯(lián)和分析

        2.1 潮汐與潮流呈現(xiàn)的規(guī)律

        潮汐現(xiàn)象是海面呈現(xiàn)周期性的漲落。潮流是伴隨著潮汐現(xiàn)象中的表層海水在水平方向上的運動,潮汐類型決定該處潮流的規(guī)律性。往復(fù)流與潮汐的規(guī)律性具有同步性關(guān)系:低(高)潮后海面有短暫的歇息,表層海水的流速遞減到零,流向開始調(diào)轉(zhuǎn),該時間稱為轉(zhuǎn)流時刻。[9]《潮汐表》適當(dāng)給出主要地方每天的轉(zhuǎn)流時間和最大流速相關(guān)資料。

        由于潮流的流速與潮差成正比,因此在半個朔望月(陰歷月)中,每天的最大流速也不同。我國港口大潮汛一般發(fā)生在每月初三前后和十八前后,小潮汛則發(fā)生在每月初十前后和廿五前后。[8]因此,可將每個農(nóng)歷月劃分為大潮汛、小潮汛和中潮汛,并統(tǒng)計分析潮流變化規(guī)律。

        表3 2019年乍浦港區(qū)全年潮汐、潮流統(tǒng)計極值

        2.2 一天中流速的變化

        潮流的流速是隨時間變化的。在1個太陰日(1 490 min)中,對于半日潮,有4個轉(zhuǎn)流時間,間隔約為6 h。轉(zhuǎn)流時(Ts)的流速接近于零,轉(zhuǎn)流以后流速逐漸增大,到相鄰2次轉(zhuǎn)流時間的中間時刻,流速達到最大,之后又逐漸變小,至下次轉(zhuǎn)流時間流速又降至零。流速變化規(guī)律可運用“1、2、3、3、2、1”的簡諧運動表示,1 d中潮流流速推算[9]為

        1) 轉(zhuǎn)流后1 h內(nèi)

        (1)

        2) 轉(zhuǎn)流后1~<2 h

        (2)

        3) 轉(zhuǎn)流后2~<3 h

        (3)

        4) 轉(zhuǎn)流后3~<4 h

        (4)

        5) 轉(zhuǎn)流后4~<5 h

        (5)

        6) 轉(zhuǎn)流后5~6 h

        (6)

        式(1)~式(6)中:vm為當(dāng)天潮流最大流速。

        由此可見,每天潮流急漲時段基本在低潮(轉(zhuǎn)流)后的第2~4 h;在潮流急落時段基本在高潮(轉(zhuǎn)流)后的第2~4 h。

        2.3 潮汐與潮流特征值的統(tǒng)計分析

        雖然我國大潮汛和小潮汛實際發(fā)生日滯后于理論值2~3 d,但不同地方因地理位置差異而有所不同。[9]根據(jù)潮汐與潮流的關(guān)系,將農(nóng)歷月劃分為“大潮汛、小潮汛和中潮汛”,對3個時段進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,結(jié)果見表4,變化規(guī)律見圖2~圖4。

        由表4和圖2~圖4可知2019年乍浦各月最大流速變化情況為:

        1) 大潮汛期間的最大流速為3.8~4.5 kn,其中最大流速出現(xiàn)在八月,達到4.5 kn;三月、四月較小,最大流速接近3.8 kn。

        2) 小潮汛期間。最大流速為2.8~3.4 kn,其中最大流速出現(xiàn)在四月,達到3.4 kn;正月較小,最大流速只有2.77 kn。

        3) 中潮汛期間。最大流速為3.4~3.8 kn,其中最大流速出現(xiàn)在九月,達到3.8 kn(出現(xiàn)在九月廿九);正月較小,最大流速為3.41 kn。

        因此,大潮汛管控時段要關(guān)注農(nóng)歷七月、八月和九月。中潮汛應(yīng)關(guān)注農(nóng)歷九月,具體可對九月廿九(月小,最后一天)納入的大潮汛進行管控。

        表4 乍浦港區(qū)全年潮流最大值及其平均最大值 kn

        圖4 乍浦港區(qū)往復(fù)流每月不同時段最大流速

        綜合《潮汐表》資料和實測數(shù)據(jù),確定乍浦港區(qū)潮汛時段劃分:大潮汛為初一至初五(農(nóng)歷五月—九月為上月月末至本月初六)、十五至二十;小潮汛為初八至十二、廿三至廿七;余下天數(shù)為中潮汛。

        3 乍浦港區(qū)泊位靠泊作業(yè)極限時間窗口

        3.1 往復(fù)流任意時刻流速與對應(yīng)時間計算模型

        可根據(jù)《潮汐表》提供的往復(fù)流資料建立求任意時刻的潮流計算模型[9]見圖5和式(8)與式(9)。

        圖5 往復(fù)流曲線

        設(shè)兩相鄰的轉(zhuǎn)流時間(TS)的間隔為

        T=TS2-TS1

        (7)

        所求任意時刻t與TS1時間的間隔為△T=t-TS1,則t時刻的流速v為

        (8)

        根據(jù)流速計算對應(yīng)的時刻。根據(jù)在漲落潮過程中已知流速與最大流速的關(guān)系,可推出限制流速vc對應(yīng)的靠泊起訖時間t為

        (9)

        式(9)中:t1為靠泊限制起始時間;t2為靠泊限制結(jié)束時間;T為漲潮歷時TS2-TS1,乍浦港平均歷時5.5 h;vc為靠泊作業(yè)限制流速,kn;vm為當(dāng)天潮流最大流速,kn。

        3.2 乍浦港區(qū)靠泊作業(yè)現(xiàn)行限制流速

        根據(jù)乍浦港區(qū)不同月份潮流資料,依據(jù)式(8)可算出全年靠泊作業(yè)管控時間窗口內(nèi)的最大流速見表5,再以此數(shù)據(jù)得出現(xiàn)行限制流速。

        由表5可知:在乍浦港區(qū)靠泊作業(yè)管控時段窗口內(nèi)的最大流速為大潮汛3.40~4.09 kn;小潮汛2.59~3.12 kn;中潮汛2.90~3.49 kn。

        由上述結(jié)果可知:按乍浦港區(qū)在潮流急漲時段的靠泊作業(yè)現(xiàn)行限制規(guī)定(陳山潮位站低低潮后1.5~3.5 h),乍浦港區(qū)限制時段內(nèi)的最大流速區(qū)間達到3.43~4.09 kn,目前由于在小潮汛階段不限制靠泊作業(yè),限制流速可推理為3.4 kn。

        我國現(xiàn)行《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》[10]規(guī)定:對船舶艙容小于8 000 m3(一般相當(dāng)于50 000 總噸)的液化天然氣船,其靠泊操作可允許流速(順流)小于2 m/s(相當(dāng)于3.9 kn)。國內(nèi)外相關(guān)組織的推薦性意見和標(biāo)準(zhǔn)[4]確定的順碼頭方向(<10°)的限制流速的推薦值為3.0 kn,以及接近順碼頭方向(等于0°)的限制流速的推薦值為4.0 kn。

        根據(jù)乍浦港區(qū)泊位前沿實測流速和流向,依據(jù)行業(yè)規(guī)定、國內(nèi)外相關(guān)組織的推薦性意見和標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合上海海事大學(xué)課題組專業(yè)人員采用模擬器模擬得到的結(jié)果,確定嘉興乍浦港區(qū)在潮水急漲時段的限制流速區(qū)間為3.5~4.0 kn。

        表5 乍浦港區(qū)全年潮流最大值及靠泊管控窗口內(nèi)的最大流速 kn

        3.3 乍浦港區(qū)泊位靠泊作業(yè)限流管控時間窗口推算與分布

        根據(jù)乍浦港區(qū)不同月份潮流資料,依據(jù)式(9)計算出全年靠泊作業(yè)現(xiàn)行管控時間窗口(流速分別為3.5 kn、3.8 kn和4.0 kn對應(yīng)的時間),具體見表6~表8。

        表6 乍浦港區(qū)全年潮流最大值及靠泊限制時間窗口(限制流速3.5 kn)

        表7 乍浦港區(qū)全年潮流最大值及靠泊限制時間窗口(限制流速3.8 kn)

        表8 乍浦港區(qū)全年潮流最大值及靠泊限制時間窗口(限制流速4 kn)

        3.4 乍浦港區(qū)在潮水急漲時段靠泊作業(yè)管控要求與建議

        根據(jù)第3.2節(jié)和第3.3節(jié)的分析與計算,乍浦港區(qū)在急漲后靠泊時間窗口見表9。

        表9 乍浦港區(qū)急漲后靠泊時間窗口(限制時間段) h

        綜上所述,根據(jù)模擬器模擬結(jié)果,建議乍浦港區(qū)管控流速在附加約束條件下不應(yīng)超過3.8 kn。因此,在潮水急漲期間,乍浦港區(qū)靠泊作業(yè)分類分級管理要求建議可參見表10。

        通過實施(試運行)基于研究結(jié)果的港口靠泊分類分級管控建議方案,相對于原港口靠泊規(guī)定在“陳山低平潮后1.5~3.5 h”時段的管控措施,在現(xiàn)行約束條件下的管理對策使得船舶(除危險品船舶外)港口靠泊時間窗口延長到中潮汛期間(月平均歷時延長8~9 d),大大提高港口船舶靠泊服務(wù)效率和能力。

        表10 乍浦港區(qū)靠泊作業(yè)分類分級管理要求

        4 結(jié)束語

        鑒于嘉興乍浦港區(qū)潮汐和潮流的特征極其明顯,需對港區(qū)的靠泊作業(yè)潮流特點進行系統(tǒng)的科學(xué)分析。只有通過合理分析之后,才能適當(dāng)拓展船舶靠泊作業(yè)時間窗口的可行性,提出科學(xué)的分類分級管控措施,從而對集中在高潮前后時段進出港口的大型船舶進行分段調(diào)度與安排,減小在急漲潮特定時段的通航密度,減輕船舶在高平潮期間集中靠泊作業(yè)導(dǎo)致港作拖船資源緊張,降低泊位空置率,提高港口的服務(wù)效能。

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