于守水

（青島港國(guó)際股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

船舶靠離泊過(guò)程經(jīng)過(guò)港口航道淺點(diǎn)處時(shí)，由于船舶行駛導(dǎo)致船體周圍水流發(fā)生變化，從而使船體下沉，操縱性能變差，極易發(fā)生船舶觸底、觸礁、擱淺或失控現(xiàn)象[1]。因此，為了避免這種情況的發(fā)生，航海者在進(jìn)入淺水域航道時(shí)必須提前充分了解航道內(nèi)船底與水底的安全距離。通常的做法是預(yù)先確定船舶通過(guò)淺點(diǎn)（淺水域）時(shí)的富裕水深來(lái)保證船舶的安全。

港口水深會(huì)受現(xiàn)實(shí)環(huán)境中潮汐的影響，在高低水位轉(zhuǎn)換期間，水深會(huì)發(fā)生巨大變化，不同類型船舶的富裕水深也會(huì)發(fā)生變化，獲取實(shí)時(shí)潮汐信息對(duì)富裕水深的計(jì)算尤為重要[2]。獲取港口潮汐數(shù)據(jù)，計(jì)算船舶靠離泊的實(shí)時(shí)富裕水深，可以針對(duì)不同船舶制定合理的航行方案，提高船舶入港的安全性，因此亟需建立潮汐環(huán)境下富裕水深的計(jì)算模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并計(jì)算入港船舶的富裕水深，為港口的安全生產(chǎn)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 潮汐監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 潮汐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

潮汐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用潮汐傳感器5218R，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)布等功能，能夠向靠離泊船舶提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的富裕水深信息，保證航行安全。潮汐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單便捷，既可以固定在淺水海底也可以安裝在水中某個(gè)固定的構(gòu)筑物上。數(shù)據(jù)信號(hào)主要通過(guò)傳感器收集，并將其處理成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。潮汐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電耗較小，僅需要5V～14V 的電壓即可正常工作。另外，潮汐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持4G 數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 為潮汐測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖，通過(guò)5218R 潮汐傳感器獲取港口潮汐壓力、潮位、潮壓、溫度、特定波高、最大波高和平均周期等實(shí)時(shí)潮汐信息，原始數(shù)據(jù)中通常會(huì)包括很多噪聲，如重復(fù)數(shù)據(jù)、缺失值和異常值等，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗以及數(shù)據(jù)變換的方法對(duì)原始潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為利于處理的統(tǒng)一規(guī)范格式，對(duì)處理后的潮汐信息進(jìn)行富裕水深計(jì)算需要從分潮表和專列表中獲取分潮角速率、振幅改正值和分潮初相角，還需獲取靠離泊船舶上傳的船舶下沉量信息，將獲取的信息與實(shí)時(shí)潮汐信息進(jìn)行結(jié)合計(jì)算富裕水深，并向靠離泊船舶發(fā)送。另外，系統(tǒng)會(huì)將計(jì)算出不同吃水量船舶的所有富裕水深信息以及潮汐信息存儲(chǔ)到潮汐信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖1 潮汐測(cè)量系統(tǒng)流程圖

1.2 潮汐預(yù)報(bào)系統(tǒng)

船只靠離泊時(shí)通常根據(jù)潮汐表判斷潮位，但是這種方法存在一定的局限性。潮汐的潮高受氣象等因素影響，不同的天氣會(huì)帶來(lái)增水、減水現(xiàn)象，而潮汐表主要給出的是驗(yàn)潮站處的天文潮位。島礁、岬角等復(fù)雜的地形也會(huì)對(duì)潮汐的流帶來(lái)影響，碼頭前沿水域的潮流的實(shí)際流向可能與潮汐表中潮汐流向存在差異，有些水域特定時(shí)段甚至與潮汐表中的流向相反[3]。潮汐表所給出的數(shù)據(jù)為是某驗(yàn)潮站的點(diǎn)潮汐參數(shù)，對(duì)港口區(qū)域內(nèi)特別是碼頭前沿的潮汐的潮高、潮流參數(shù)預(yù)報(bào)存在一定誤差。以青島董家口港為例，其港口潮汐為規(guī)則半日潮類型，碼頭前沿水域潮流也有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的水域范圍內(nèi)漲流與落流共存的情況。這種復(fù)雜的潮汐環(huán)境，船舶僅憑潮汐表對(duì)港區(qū)的潮汐進(jìn)行判斷，極易造成船舶靠離泊、穩(wěn)泊期間發(fā)生觸碰碼頭、斷纜等事故發(fā)生。為了避免事故的發(fā)生，港口應(yīng)該通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)向到港的船舶發(fā)送潮汐預(yù)報(bào)。

潮汐預(yù)報(bào)可以對(duì)港口對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的潮汐漲落情況進(jìn)行的推算和預(yù)報(bào)，潮汐預(yù)報(bào)主要采用調(diào)和法對(duì)潮汐潮高進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)獲取的潮汐數(shù)據(jù)提取調(diào)和常數(shù)，由調(diào)和常數(shù)計(jì)算出潮高并向靠離泊的船舶發(fā)送實(shí)時(shí)的潮位信息[4]。潮位變化取決于地球、月球和太陽(yáng)的相對(duì)位置變化，潮高表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：σ為分潮角速率，可查分潮表得到，f和（v0+u）分別為分潮的振幅改正值和格林威治1 月1 日零食分潮的初相角，可查專列表，其中u為初相角誤差，t為測(cè)站所在經(jīng)度的地方時(shí)，H為平均振幅，k為地方遲角。H、k是由地理位置決定的，對(duì)固定的地點(diǎn)近似為恒量，因此稱為調(diào)和常數(shù)。

計(jì)算調(diào)和常數(shù)通常選用特定的分潮繪出一條余弦曲線，如公式（2）所示。

疊加后的曲線即能反映出復(fù)雜的實(shí)際潮汐過(guò)程。將該式對(duì)應(yīng)分潮潮高，如公式（3）所示。

可求得調(diào)和常數(shù)如公式（4）和公式（5）所示。

其中R和Q為觀測(cè)到的實(shí)際振幅和遲角。

1.3 潮汐傳感器技術(shù)指標(biāo)

潮汐傳感器5218R 輸出參數(shù)包括潮位、潮壓、平均周期和最大周期等指標(biāo)。傳感器5218R 通過(guò)一根較長(zhǎng)的電纜采用RS422 通信方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，最大通信距離可達(dá)1200m。性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 傳感器5218R 技術(shù)指標(biāo)

2 富裕水深計(jì)算方法

船舶的富裕水深指船舶航行時(shí)船底以下必須保留的水深余量，是防止船舶拖底、觸底和擱淺的水深保留量[5]。船舶航行時(shí)如果富裕水深保留過(guò)多，那么船載過(guò)少導(dǎo)致效益受損；如果富裕水深不足，則會(huì)造成船舶擱淺。船舶過(guò)航道淺點(diǎn)時(shí)需要合理地利用高潮，短時(shí)間內(nèi)快速通過(guò)。確定合理的富裕水深，對(duì)保證船舶安全和船舶運(yùn)輸效益具有重要的意義。

富裕水深與船舶下沉量、潮高和海圖水深的關(guān)系如公式（6）所示。

2.1 海圖水深

海圖水深是海圖所載水深的起算面，又叫深度基準(zhǔn)面[6]。水深測(cè)量通常是在波濤起伏的水面上進(jìn)行的，因此同一測(cè)量點(diǎn)不同時(shí)刻的測(cè)量值都不相同，這個(gè)差值隨各個(gè)區(qū)域的潮汐漲落不同而不同，在港口區(qū)域更為明顯。為了修正測(cè)量水深中的潮高水深，必須確定一個(gè)起算面，把不同時(shí)刻測(cè)得的某點(diǎn)水深歸算到這個(gè)面上，這個(gè)面就是深度基準(zhǔn)面。通常把最低潮面的水深作為海圖水深。

2.2 潮汐潮高值

由于太陽(yáng)和月亮引力的作用，海水在不斷進(jìn)行漲潮和退潮這一周期性運(yùn)動(dòng)，習(xí)慣上把海面周期運(yùn)動(dòng)垂直方向的漲落稱為潮汐。潮汐的潮高受多種因素影響，例如氣象、河流、水域以及水質(zhì)密度等，潮汐無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生變化[7]。

潮汐監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)借助實(shí)時(shí)探測(cè)出的潮汐數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)和常數(shù)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出未來(lái)12h 的潮汐參數(shù)及潮汐變化。而潮汐表所給出的潮汐數(shù)據(jù)僅是某驗(yàn)潮站的潮汐參數(shù)，是點(diǎn)潮汐參數(shù)，對(duì)港口區(qū)域內(nèi)特別是碼頭前沿的潮汐的潮高、潮流參數(shù)預(yù)報(bào)存在一定誤差[8]。

2.3 船舶下沉量

2.3.1 船舶下沉量估算方法

船舶下沉量受到各種外在因素的影響，因此有多種針對(duì)不同因素的船舶下沉量估算方法，分為經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算公式，以下列舉了幾種船舶下沉量的估算方法。

《英版航海手冊(cè)》推薦的3 個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式如公式（7）～公式（9）。

式中：V為船速（kn）。

適合于h/d在 1.08～ 2.78，Cb在 0.50～ 0.90 的船舶在淺水水域船首下沉量，按照公式（10）和公式（11）計(jì)算。開(kāi)敞淺水水域如公式（10）所示。

受限淺水水域如公式（11）所示。

式中：h為水深（m）；d為吃水（m）；V為船速（kn）；Cb為船舶方型系數(shù)。

狹窄航道中下沉量如公式（12）所示。

式中：n2為速度回復(fù)系數(shù)，n2=A2/A1。A2為船舶水下橫截面積；A1為航道剩余橫截面積。

Hooft 計(jì)算公式表示，船首的下沉量如公式（13）所示。

式中：S1為船體平均下沉量，S2為縱傾變化引起的首傾量。

船體平均下沉量計(jì)算如公式（14）所示。

式中：Lpp為船舶垂線間長(zhǎng)（m）；▽為船舶排水體積；F2nh為水深傅汝德數(shù)。

式中：g 為重力加速度 9.807 m/s2；V為船速（m/s）；h為水深（m）。

由此可見(jiàn)，船體下沉量與水深、船舶尺度及船速有關(guān)，特別是與船速緊密相關(guān)。

縱傾變化引起的首傾量如公式（16）所示。

2.3.2 不同估算方法比較

選取具有代表性的船舶進(jìn)行分析。某船舶滿載貨物，船長(zhǎng)Lpp=299m，船寬B=45m，吃水d=18m，方形系數(shù)Cb=0.835，水深-17m，高潮潮高2.5m，港道底寬180m，假定船舶以不同的速度航行時(shí)（進(jìn)航道后實(shí)際航速要減到7 節(jié)以下。采用公式7～公式（13）進(jìn)行計(jì)算，分析比較上述各公式發(fā)現(xiàn)，方法（11）和（12）計(jì)算的在受限淺水水域和狹窄航道中的下沉量，明顯大于其他方法。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，船型越寬，吃水越大；航道越窄，船體下沉量就越大。在其他條件相同的情況下，在狹窄水域航行的船舶的下沉量近似為在開(kāi)敞水域航行船舶下沉量的2 倍。

方法（7）在船速較低時(shí)得出的下沉量偏大；方法（8）下沉量與船速保持為線性關(guān)系，實(shí)際并非如此，僅適用于某一速度段范圍內(nèi)；方法（9）沒(méi)有考慮到船型、水深等因素的影響，通過(guò)這種方法得出的下沉量誤差較大；方法（10）和（13）適用于開(kāi)敞的淺水水域，因此，方法（7）～（10）和方法（13），并不適合大型船舶下沉量的估算；方法（11）適合受限淺水水域，適用于淺水域；方法（12）考慮了船速、方形系數(shù)及所處航道寬度和深度對(duì)下沉量的影響，適合于航道內(nèi)下沉量的估算。潮汐監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要應(yīng)用于港口，港口區(qū)域典型特征為船舶種類繁多且以大型船舶為主，因此該系統(tǒng)選擇公式（12）計(jì)算港口航道內(nèi)的船舶下沉量，考慮各種因素對(duì)船舶下沉量的影響，確保計(jì)算出接近真實(shí)值的船舶富裕水深。

3 應(yīng)用

3.1 為靠離泊提供輔助決策

一些潮汐港的作業(yè)計(jì)劃受到潮汐影響較大，不考慮潮汐影響的停泊計(jì)劃和泊位分析，通常無(wú)法適用潮汐港。該系統(tǒng)將潮汐港潮汐變化考慮在內(nèi)，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取潮汐數(shù)據(jù)計(jì)算富裕水深，針對(duì)不同船舶的特點(diǎn)，為靠離泊提供輔助決策，提高港口作業(yè)的效率。潮汐監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以為船舶的靠離泊提供輔助決策。以某個(gè)港口的某條航道中的同一艘船為例，假設(shè)海圖水深固定為15m，借助潮汐監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算出不同時(shí)刻的潮汐值，根據(jù)海水水深計(jì)算出船舶下沉量以及船舶富裕水深，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，富裕水深結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2，證實(shí)系統(tǒng)適用于港口的應(yīng)用。

表2 不同潮高富裕水深結(jié)果對(duì)比

3.2 為進(jìn)出港提供安全預(yù)警分析

通過(guò)實(shí)時(shí)獲取船舶航行路線上的潮汐信息，對(duì)船舶靠離泊過(guò)程中的船舶富裕水深進(jìn)行預(yù)估，若富裕水深不能滿足船舶的吃水量要求，則向入港船舶發(fā)送預(yù)警信息，讓船舶提前做出風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，降低發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，盡可能保證人員的安全。

3.3 為科研工作提供數(shù)據(jù)支撐

富裕水深測(cè)量系統(tǒng)將計(jì)算的富裕水深以及獲取到的潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，富裕水深是對(duì)不同吃水量船舶計(jì)算得到的，且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，港口船舶數(shù)量日益增長(zhǎng)，通過(guò)富裕水深測(cè)量系統(tǒng)可以獲取大量不同類型船舶的富裕水深信息，為船舶近岸海域安全航行研究提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)也會(huì)將獲取的潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)這些實(shí)時(shí)獲取的潮汐數(shù)據(jù)，可以更加科學(xué)、準(zhǔn)確地分析潮汐的漲落規(guī)律。

4 結(jié)論

通過(guò)在港口布設(shè)的潮汐監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)獲取潮汐數(shù)據(jù)，計(jì)算船舶停離泊時(shí)的富裕水深，降低了流態(tài)復(fù)雜的港區(qū)對(duì)富裕水深計(jì)算的影響，且富裕水深計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)富裕水深誤差小于0.1m。對(duì)不同流態(tài)的港口也能合理安排船舶進(jìn)出港方案，最大限度地保證港口秩序平穩(wěn)進(jìn)行。在確保船舶安全的同時(shí)提高了船舶進(jìn)出港的效率，為未來(lái)港口船舶進(jìn)出港智能一體化提供了技術(shù)參考，為港口企業(yè)平穩(wěn)快速發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。