威海長(zhǎng)會(huì)口海灣大橋橋區(qū)水域乘潮保證率分析研究

，，

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063；2.山東省威海市公路管理局，山東 威海 264200)

威海長(zhǎng)會(huì)口海灣大橋位于山東省的東部、膠州半島的南部、長(zhǎng)會(huì)口海灣內(nèi)，大橋西接文登市，東連榮成市。大橋所在的張家埠港的進(jìn)港航道總長(zhǎng)13.06 km，張家埠港至長(zhǎng)會(huì)口嘴為天然航道，長(zhǎng)約7.7 km，航道水深5 m以上，最大水深達(dá)8 m，寬度200～400 m；長(zhǎng)會(huì)口嘴至1號(hào)燈標(biāo)航道長(zhǎng)2.4 km，水深1.4 m，寬約300 m；1號(hào)燈標(biāo)以外有攔門(mén)沙，航道長(zhǎng)2 963 m，最淺處水深1.1 m，千噸級(jí)船舶需乘潮進(jìn)出港口。張家埠港灣口門(mén)處由于兩股水流均夾帶泥沙在此匯合，易形成攔門(mén)沙，嚴(yán)重制約了港口的發(fā)展。為此，在《威海長(zhǎng)會(huì)口海灣大橋工程通航安全評(píng)估研究》的基礎(chǔ)上計(jì)算和分析長(zhǎng)會(huì)口海灣大橋橋區(qū)水域(長(zhǎng)會(huì)口嘴天然航道)的乘潮保證率，為確定通過(guò)橋區(qū)水域的代表船型提供技術(shù)支撐和計(jì)算依據(jù)。

1 乘潮保證率計(jì)算

乘潮潮位是指具有一定時(shí)間間隔且對(duì)于某種設(shè)計(jì)代表船型可用以安全通航的某一高潮潮位。航道乘潮通航保證率是指船舶在高潮前后若干時(shí)間內(nèi)，可乘某一乘潮潮位Z安全進(jìn)出航道的時(shí)間累積頻率。在乘潮歷時(shí)Δt時(shí)段內(nèi)，航道水深不小于這一乘潮潮位Z。確定合適的乘潮潮位及乘潮通航保證率關(guān)系到航道疏浚量的大小，尤其是多淺段航道，往往里程較長(zhǎng)、疏浚量大。

而要計(jì)算代表船型通過(guò)橋區(qū)水域的最低乘潮潮位Zmin的乘潮歷時(shí)Δt及乘潮潮位累計(jì)頻率P(乘潮通航保證率)時(shí)，首先應(yīng)確定乘潮歷時(shí)Δt，以便在潮位過(guò)程線上量取對(duì)應(yīng)的潮位值，最后在乘潮潮位累計(jì)頻率P曲線上選取所需的累積頻率潮位值Zmin，上述計(jì)算過(guò)程可由式(1)、(2)表示。

Δt=t2-t1
Zmin=h(t2)=h(t1)

(1)

P(Zmin≥d)=p

(2)

式中：t1、t2——高潮前后時(shí)刻；

h——潮位；

d——安全通航水深；

Zmin——最低乘潮潮位；

P——潮位累積頻率。

統(tǒng)計(jì)時(shí)乘潮潮位累計(jì)頻率，應(yīng)有完整的1年或多年的實(shí)測(cè)潮位資料。

2 存在的問(wèn)題與對(duì)策

2.1 潮位資料代表年的選取

潮位資料代表年的選取在乘潮保證率的計(jì)算中是非常重要的第一步。因?yàn)殚L(zhǎng)會(huì)口海灣大橋橋區(qū)水域的潮型屬于正規(guī)的半日潮，N2、K2(虛擬天體分潮)分潮作用明顯，且由于白道升交點(diǎn)的影響較大。因此，對(duì)于不同年份，根據(jù)同一乘潮通航保證率計(jì)算的乘潮潮位存在差異。所以，觀測(cè)資料應(yīng)當(dāng)為1年以上。比較張家埠港2004年與2005年相同乘潮條件下的乘潮潮位計(jì)算值(測(cè)站基準(zhǔn)面以上)，2005年普遍偏小，其中90%乘潮通航保證率在不同乘潮歷時(shí)所對(duì)應(yīng)的乘潮潮位相差2～3 cm(見(jiàn)表1)。為了保證通過(guò)橋區(qū)的船舶在一般年份都有足夠的安全通航水深，故取乘潮通航保證率在90%時(shí)的乘潮潮位較小的2005年的潮位資料更為安全合理。

表1 張家埠港附近2004～2005年乘潮潮位表(乘潮通航保證率為90%)乘潮歷時(shí) h

2.2 代表年份控制潮位過(guò)程線的選取

在確定潮位資料代表年后，對(duì)代表年份控制潮位過(guò)程線的選取就成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。理論上對(duì)于船舶可以乘一潮進(jìn)港的多淺段航道，淺段之間存在相對(duì)距離，因而各淺段高潮時(shí)刻、高潮潮位也會(huì)存在較大的差異。為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，計(jì)算乘潮通航保證率時(shí)應(yīng)采用各淺段當(dāng)?shù)赝匠蔽贿^(guò)程線。見(jiàn)圖1所示。

t1-第1、2段間乘潮歷時(shí)；t2-第2、3段間乘潮歷時(shí)；tn-第n、n+1段間乘潮歷時(shí)；n-船舶乘一潮經(jīng)過(guò)的淺灘個(gè)數(shù)圖1 多淺段航道潮位過(guò)程線示意

各淺段所在地的年表逐時(shí)潮位資料可采用當(dāng)?shù)馗浇L(zhǎng)期潮位觀測(cè)站資料，但是并非所有淺段附近都有長(zhǎng)期潮位測(cè)量站。

《海港水文規(guī)范》規(guī)定若潮位實(shí)測(cè)資料不足1年時(shí)可采用“短期同步差法”。但“短期同步差法”是建立長(zhǎng)期站與短期站的高低潮位相關(guān)關(guān)系，適用于潮差沿程變化小、潮位變化不大的河口地區(qū)，但是對(duì)于潮差和潮位沿程變化大的半封閉型海灣地區(qū)，因計(jì)算乘潮通航保證率時(shí)所關(guān)心的是高潮位前后某一時(shí)段內(nèi)的潮位，如果潮位沿程變化很大(隨時(shí)間變化大)，高低潮位相關(guān)關(guān)系將失去使用價(jià)值；如果采用最為普遍的插值法，即通過(guò)兩個(gè)以上長(zhǎng)期驗(yàn)潮站資料，內(nèi)插出驗(yàn)潮站之間某一淺灘處的乘潮潮位或潮位累積頻率，又受制于驗(yàn)潮站數(shù)量與淺灘的地理位置分布。

考慮到以上諸多因素，采用控制潮位過(guò)程線法，控制潮位過(guò)程線法是選取某一長(zhǎng)期潮位站的1年以上潮位過(guò)程線作為計(jì)算整條多淺段航道乘潮通航保證率的控制潮位過(guò)程線。對(duì)于長(zhǎng)會(huì)口海灣大橋橋區(qū)水域，該法是以張家埠港的潮位過(guò)程線為控制潮位過(guò)程線，沿程各淺灘的乘潮潮位在此潮位過(guò)程線上量取。圖2所示為2005年5月15日基于張家埠港潮汐資料推算出的各淺灘大潮潮位曲線圖。

圖2 2005年5月15日各淺灘推算潮汐曲

基于以上的論述，計(jì)算5 000 t級(jí)淺吃水經(jīng)濟(jì)型散貨船通過(guò)各淺段的乘潮潮位及乘潮通航保證率，取其中最小值作為該段航道的乘潮通航保證率。該段航道的乘潮通航保證率取97%時(shí)，船舶通過(guò)圖2中各淺段的乘潮參數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 船舶通過(guò)橋區(qū)水域各淺段的乘潮參數(shù)值

2.3 計(jì)算方法的討論和優(yōu)選

根據(jù)交通部《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ211-99)，計(jì)算乘潮水(潮)位時(shí)，選取“每1個(gè)潮峰上”與乘潮進(jìn)出港所需的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)?shù)乃?潮)位，這意味著每次潮汐船舶就有1次進(jìn)港的機(jī)會(huì)。在潮汐性質(zhì)為半日潮型的航道，平均1 d有2個(gè)潮汐，存在2個(gè)高潮。

該算法的實(shí)質(zhì)就是計(jì)算船舶無(wú)論利用哪個(gè)高潮都能進(jìn)港的乘潮通航保證率。顯然，這種算法適用于通航密度大的航道。當(dāng)通航密度小于2艘·次/d(即船舶平均每天約有1次進(jìn)港和出港的機(jī)會(huì))，至于每天的機(jī)會(huì)要等待多長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)而言并不重要時(shí)，這種算法則趨于保守，使得乘潮潮位的計(jì)算值偏高，會(huì)造成不必要的疏浚投資。

針對(duì)長(zhǎng)會(huì)口海灣大橋潮汐特征，對(duì)于通航密度小于2艘·次/d、候潮時(shí)間相對(duì)寬松的航道，可采用船舶乘高高潮進(jìn)港計(jì)算乘潮潮位。

以張家埠港臨時(shí)潮位站2005年8月潮位過(guò)程線為例，當(dāng)乘潮歷時(shí)為1 h、乘潮潮位為3.05 m(黃海高程)時(shí)，比較兩種方法計(jì)算的乘潮通航保證率，見(jiàn)表3。

表3 不同計(jì)算方法的乘潮通航保證率計(jì)算結(jié)果 %

表3說(shuō)明采用乘高高潮法計(jì)算的乘潮通航保證率明顯高于采用乘每一高平潮的計(jì)算值。

3 結(jié)論與建議

在長(zhǎng)會(huì)口海灣大橋橋區(qū)乘潮保證率的計(jì)算中，根據(jù)該水域的實(shí)際情況，選取2005年的潮位資料作為理論計(jì)算的基礎(chǔ)，同時(shí)由于潮位沿程變化很大、缺少各淺灘的實(shí)地長(zhǎng)期潮位資料的現(xiàn)狀，采用了控制潮位過(guò)程線法選取潮位過(guò)程線，從而保證了計(jì)算的科學(xué)性和可靠性。在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合橋區(qū)水域半封閉型海灣地形和水文條件特征，考慮到橋區(qū)通航密度較小、候潮時(shí)間相對(duì)寬松，采用船舶乘高高潮進(jìn)港計(jì)算乘潮通航保證率，在同樣的乘潮保證率可以使疏浚量大大減少。在60%乘潮通航保證率下，橋區(qū)附近水域水深可以滿(mǎn)足2 000 t級(jí)船舶的滿(mǎn)載安全通航的要求，橋區(qū)附近水域還需進(jìn)行一定程度的疏浚才能滿(mǎn)足2 000 t級(jí)以上船舶滿(mǎn)載安全通航的要求。