日高潮不等海域乘潮水位的計算方法比較

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，經常會用到乘潮水位，在已有規范中[1]，乘潮水位保證率的統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省不少費用，但是在來船頻率較低的港區，這種節省還可能會有進一步優化的空間。比如，統計乘潮保證率時，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。

1 站點選擇和計算方法

本文從2018年潮汐表中[3]選取正規半日潮、不正規半日潮、不正規全日潮和正規全日潮共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組特征參數的計算方法可參考文獻[2]。站點及相關潮汐參數見表1。

表1 站點及潮汐參數

2 結果分析

分別采用兩種樣本選取方法統計乘潮水位頻率分布。方法1采用規范中的方法，即以所有高潮過程的乘潮水位作為頻率分布統計樣本，每個站的樣本個數即本站的高潮個數；方法2只選取每日的高高潮作為統計樣本，樣本數量為365個。兩種方法統計得到的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形式大概分為3種類型：廈門站(正規半日潮)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%的數據匯總于表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計得到的乘潮水位及差值

從表2數據可以看出，兩種方法的水位差有如下特點：不正規潮的差值最大，其次是正規全日潮，而正規半日潮的差別較小。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，對計算差值除以當地MSL，進行無量綱化，得到相對差值，數據列于表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 兩種統計方法的乘潮水位差值與當地MSL比值

續表3

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

3 討論

對正規半日潮以外海域，舍棄每日低高潮統計乘潮水位，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可通航時間。其頻率分布的統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的，因此對于日頻率的統計樣本，本節取連續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。統計中，橫坐標以0.5 h為一個統計分段，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(累積頻率50%)和平均值各站不一，半日潮最小，不正規全日潮最大，正規全日潮和不正規半日潮其次。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(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)表現為：對廈門(正規半日潮)影響最小，其次是洋浦(正規全日潮)，對湛江和鐵山港(不正規潮)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

根據前文分析，統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。尤其是對不正規潮海區，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半日潮和全日潮港區，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。這種影響對正規半日潮不明顯，對不正規全日潮影響最大，對不正規半日潮和正規全日潮海區的影響也很明顯。

2)建議在實際工程中，根據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，節省項目投資。