船舶進出港富裕水深測量系統設計與應用

于守水

（青島港國際股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

船舶靠離泊過程經過港口航道淺點處時，由于船舶行駛導致船體周圍水流發生變化，從而使船體下沉，操縱性能變差，極易發生船舶觸底、觸礁、擱淺或失控現象[1]。因此，為了避免這種情況的發生，航海者在進入淺水域航道時必須提前充分了解航道內船底與水底的安全距離。通常的做法是預先確定船舶通過淺點（淺水域）時的富裕水深來保證船舶的安全。

港口水深會受現實環境中潮汐的影響，在高低水位轉換期間，水深會發生巨大變化，不同類型船舶的富裕水深也會發生變化，獲取實時潮汐信息對富裕水深的計算尤為重要[2]。獲取港口潮汐數據，計算船舶靠離泊的實時富裕水深，可以針對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境下富裕水深的計算模型，實時監測并計算入港船舶的富裕水深，為港口的安全生產作業提供數據支撐。

1 潮汐監測與預報系統設計

1.1 潮汐監測系統

潮汐監測系統采用潮汐傳感器5218R，具有數據采集、數據處理、數據發布等功能，能夠向靠離泊船舶提供準確實時的富裕水深信息，保證航行安全。潮汐監測系統安裝簡單便捷，既可以固定在淺水海底也可以安裝在水中某個固定的構筑物上。數據信號主要通過傳感器收集，并將其處理成統一的數據格式。潮汐監測系統電耗較小，僅需要5V～14V 的電壓即可正常工作。另外，潮汐監測系統支持4G 數據傳輸進行實時遠程數據傳輸。

圖1 為潮汐測量系統的數據流圖，通過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時潮汐信息，原始數據中通常會包括很多噪聲，如重復數據、缺失值和異常值等，通過數據清洗以及數據變換的方法對原始潮汐數據進行處理，將原始數據轉換為利于處理的統一規范格式，對處理后的潮汐信息進行富裕水深計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，將獲取的信息與實時潮汐信息進行結合計算富裕水深，并向靠離泊船舶發送。另外，系統會將計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到潮汐信息數據庫中。

圖1 潮汐測量系統流程圖

1.2 潮汐預報系統

船只靠離泊時通常根據潮汐表判斷潮位，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，不同的天氣會帶來增水、減水現象，而潮汐表主要給出的是驗潮站處的天文潮位。島礁、岬角等復雜的地形也會對潮汐的流帶來影響，碼頭前沿水域的潮流的實際流向可能與潮汐表中潮汐流向存在差異，有些水域特定時段甚至與潮汐表中的流向相反[3]。潮汐表所給出的數據為是某驗潮站的點潮汐參數，對港口區域內特別是碼頭前沿的潮汐的潮高、潮流參數預報存在一定誤差。以青島董家口港為例，其港口潮汐為規則半日潮類型，碼頭前沿水域潮流也有時會出現較大的水域范圍內漲流與落流共存的情況。這種復雜的潮汐環境，船舶僅憑潮汐表對港區的潮汐進行判斷，極易造成船舶靠離泊、穩泊期間發生觸碰碼頭、斷纜等事故發生。為了避免事故的發生，港口應該通過實測數據向到港的船舶發送潮汐預報。

潮汐預報可以對港口對未來一段時間內的潮汐漲落情況進行的推算和預報，潮汐預報主要采用調和法對潮汐潮高進行計算，通過對獲取的潮汐數據提取調和常數，由調和常數計算出潮高并向靠離泊的船舶發送實時的潮位信息[4]。潮位變化取決于地球、月球和太陽的相對位置變化，潮高表達式如公式（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為測站所在經度的地方時，H為平均振幅，k為地方遲角。H、k是由地理位置決定的，對固定的地點近似為恒量，因此稱為調和常數。

計算調和常數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雜的實際潮汐過程。將該式對應分潮潮高，如公式（3）所示。

可求得調和常數如公式（4）和公式（5）所示。

其中R和Q為觀測到的實際振幅和遲角。

1.3 潮汐傳感器技術指標

潮汐傳感器5218R 輸出參數包括潮位、潮壓、平均周期和最大周期等指標。傳感器5218R 通過一根較長的電纜采用RS422 通信方式進行實時數據傳輸，最大通信距離可達1200m。性能指標見表1。

表1 傳感器5218R 技術指標

2 富裕水深計算方法

船舶的富裕水深指船舶航行時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]。船舶航行時如果富裕水深保留過多，那么船載過少導致效益受損；如果富裕水深不足，則會造成船舶擱淺。船舶過航道淺點時需要合理地利用高潮，短時間內快速通過。確定合理的富裕水深，對保證船舶安全和船舶運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，又叫深度基準面[6]。水深測量通常是在波濤起伏的水面上進行的，因此同一測量點不同時刻的測量值都不相同，這個差值隨各個區域的潮汐漲落不同而不同，在港口區域更為明顯。為了修正測量水深中的潮高水深，必須確定一個起算面，把不同時刻測得的某點水深歸算到這個面上，這個面就是深度基準面。通常把最低潮面的水深作為海圖水深。

2.2 潮汐潮高值

由于太陽和月亮引力的作用，海水在不斷進行漲潮和退潮這一周期性運動，習慣上把海面周期運動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、水域以及水質密度等，潮汐無時無刻不在發生變化[7]。

潮汐監測和預報系統借助實時探測出的潮汐數據通過調和常數法準確預報出未來12h 的潮汐參數及潮汐變化。而潮汐表所給出的潮汐數據僅是某驗潮站的潮汐參數，是點潮汐參數，對港口區域內特別是碼頭前沿的潮汐的潮高、潮流參數預報存在一定誤差[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，因此有多種針對不同因素的船舶下沉量估算方法，分為經驗公式和計算公式，以下列舉了幾種船舶下沉量的估算方法。

《英版航海手冊》推薦的3 個經驗公式如公式（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）計算。開敞淺水水域如公式（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。

狹窄航道中下沉量如公式（12）所示。

式中：n2為速度回復系數，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。

船體平均下沉量計算如公式（14）所示。

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

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，船體下沉量與水深、船舶尺度及船速有關，特別是與船速緊密相關。

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行分析。某船舶滿載貨物，船長Lpp=299m，船寬B=45m，吃水d=18m，方形系數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（進航道后實際航速要減到7 節以下。采用公式7～公式（13）進行計算，分析比較上述各公式發現，方法（11）和（12）計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。通過分析發現，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敞水域航行船舶下沉量的2 倍。

方法（7）在船速較低時得出的下沉量偏大；方法（8）下沉量與船速保持為線性關系，實際并非如此，僅適用于某一速度段范圍內；方法（9）沒有考慮到船型、水深等因素的影響，通過這種方法得出的下沉量誤差較大；方法（10）和（13）適用于開敞的淺水水域，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、方形系數及所處航道寬度和深度對下沉量的影響，適合于航道內下沉量的估算。潮汐監測與預報系統主要應用于港口，港口區域典型特征為船舶種類繁多且以大型船舶為主，因此該系統選擇公式（12）計算港口航道內的船舶下沉量，考慮各種因素對船舶下沉量的影響，確保計算出接近真實值的船舶富裕水深。

3 應用

3.1 為靠離泊提供輔助決策

一些潮汐港的作業計劃受到潮汐影響較大，不考慮潮汐影響的停泊計劃和泊位分析，通常無法適用潮汐港。該系統將潮汐港潮汐變化考慮在內，通過實時獲取潮汐數據計算富裕水深，針對不同船舶的特點，為靠離泊提供輔助決策，提高港口作業的效率。潮汐監測和預報系統可以為船舶的靠離泊提供輔助決策。以某個港口的某條航道中的同一艘船為例，假設海圖水深固定為15m，借助潮汐監測和預報系統計算出不同時刻的潮汐值，根據海水水深計算出船舶下沉量以及船舶富裕水深，計算結果和實測結果吻合，富裕水深結果對比見表2，證實系統適用于港口的應用。

表2 不同潮高富裕水深結果對比

3.2 為進出港提供安全預警分析

通過實時獲取船舶航行路線上的潮汐信息，對船舶靠離泊過程中的船舶富裕水深進行預估，若富裕水深不能滿足船舶的吃水量要求，則向入港船舶發送預警信息，讓船舶提前做出風險規避，降低發生事故的風險，盡可能保證人員的安全。

3.3 為科研工作提供數據支撐

富裕水深測量系統將計算的富裕水深以及獲取到的潮汐數據進行存儲，富裕水深是對不同吃水量船舶計算得到的，且隨著經濟發展，港口船舶數量日益增長，通過富裕水深測量系統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據支撐。系統也會將獲取的潮汐數據進行存儲，通過這些實時獲取的潮汐數據，可以更加科學、準確地分析潮汐的漲落規律。

4 結論

通過在港口布設的潮汐監測與預報系統，能夠實時獲取潮汐數據，計算船舶停離泊時的富裕水深，降低了流態復雜的港區對富裕水深計算的影響，且富裕水深計算結果與實測富裕水深誤差小于0.1m。對不同流態的港口也能合理安排船舶進出港方案，最大限度地保證港口秩序平穩進行。在確保船舶安全的同時提高了船舶進出港的效率，為未來港口船舶進出港智能一體化提供了技術參考，為港口企業平穩快速發展奠定良好基礎。