嘉興乍浦港潮水急漲時(shí)段靠泊時(shí)間窗口分析

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(qiáng)，大潮汛期間漲潮流時(shí)段急漲潮流速度可達(dá)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(shí)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(shí)間窗口，影響碼頭泊位的利用效能。對(duì)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(shí)間窗口，逐步實(shí)行港口靠泊分類分級(jí)常態(tài)化管理勢(shì)在必行。

目前，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者注重研究潮流急漲時(shí)段對(duì)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(xì)論述強(qiáng)潮流對(duì)大型船舶靠離泊的影響。陳仕營(yíng)[5]分析在福州港松下港區(qū)離泊操縱時(shí)不同潮汐的操作。潘國(guó)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(xiǎn)。陳琛等[7]提出潮汐是長(zhǎng)江干線船舶延誤風(fēng)險(xiǎn)的影響因素。已有研究大多局限于潮汐對(duì)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(duì)此，根據(jù)嘉興乍浦港區(qū)潮流和潮汐的基本狀況，統(tǒng)計(jì)全年大潮汛、小潮汛和中潮汛資料，分析12個(gè)月的潮高、潮差和潮流的特征值，對(duì)計(jì)算靠泊時(shí)間窗口進(jìn)行建模，進(jìn)而提出急漲時(shí)段靠泊實(shí)施分類分級(jí)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(gè)水文站的潮位特征值見表1(1985國(guó)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(cè)、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(shí)測(cè)潮流狀況

2013年5月，浙江省河海測(cè)繪院對(duì)嘉興乍浦港區(qū)E區(qū)4號(hào)泊位前沿水域的水文進(jìn)行測(cè)量，其水文測(cè)驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)見圖1。

圖1 乍浦港水文垂線布置示意

實(shí)測(cè)水域分層中的流速最大值：漲潮流流速為3.70 kn，流向?yàn)?50°～253°，出現(xiàn)于CD1、CD2測(cè)站的面層；落潮流最大流速為2.40 kn，流向?yàn)?70°，出現(xiàn)于CD1測(cè)站的面層。

在各觀測(cè)點(diǎn)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(cè)站大潮汛；落潮流流速為2.00 kn(077°)，出現(xiàn)于CD2測(cè)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(diǎn)30°33′N 121° 11′E)：漲潮流流向約240°，大潮時(shí)段最大流速4.5 kn；落潮流流向約064°，大潮時(shí)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(guó)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(jì)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(jìn)行窗口時(shí)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(yùn)動(dòng)，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(shí)間稱為轉(zhuǎn)流時(shí)刻。[9]《潮汐表》適當(dāng)給出主要地方每天的轉(zhuǎn)流時(shí)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(gè)朔望月(陰歷月)中，每天的最大流速也不同。我國(guó)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(gè)農(nóng)歷月劃分為大潮汛、小潮汛和中潮汛，并統(tǒng)計(jì)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(jì)極值

2.2 一天中流速的變化

潮流的流速是隨時(shí)間變化的。在1個(gè)太陰日(1 490 min)中，對(duì)于半日潮，有4個(gè)轉(zhuǎn)流時(shí)間，間隔約為6 h。轉(zhuǎn)流時(shí)(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(shí)間的中間時(shí)刻，流速達(dá)到最大，之后又逐漸變小，至下次轉(zhuǎn)流時(shí)間流速又降至零。流速變化規(guī)律可運(yùn)用“1、2、3、3、2、1”的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(shí)段基本在低潮(轉(zhuǎn)流)后的第2～4 h；在潮流急落時(shí)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(jì)分析

雖然我國(guó)大潮汛和小潮汛實(shí)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(duì)3個(gè)時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá)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(dá)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(dá)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(shí)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(duì)九月廿九(月小，最后一天)納入的大潮汛進(jìn)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(shí)段最大流速

綜合《潮汐表》資料和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定乍浦港區(qū)潮汛時(shí)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(shí)間窗口

3.1 往復(fù)流任意時(shí)刻流速與對(duì)應(yīng)時(shí)間計(jì)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(shí)刻的潮流計(jì)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(shí)間(TS)的間隔為

T=TS2-TS1

(7)

所求任意時(shí)刻t與TS1時(shí)間的間隔為△T=t-TS1，則t時(shí)刻的流速v為

(8)

根據(jù)流速計(jì)算對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。根據(jù)在漲落潮過(guò)程中已知流速與最大流速的關(guān)系，可推出限制流速vc對(duì)應(yīng)的靠泊起訖時(shí)間t為

(9)

式(9)中：t1為靠泊限制起始時(shí)間；t2為靠泊限制結(jié)束時(shí)間；T為漲潮歷時(shí)TS2-TS1，乍浦港平均歷時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)段內(nèi)的最大流速區(qū)間達(dá)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(guó)現(xiàn)行《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]規(guī)定：對(duì)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(guó)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(shí)測(cè)流速和流向，依據(jù)行業(yè)規(guī)定、國(guó)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(shí)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(shí)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(jì)算出全年靠泊作業(yè)現(xiàn)行管控時(shí)間窗口(流速分別為3.5 kn、3.8 kn和4.0 kn對(duì)應(yīng)的時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間窗口(限制流速4 kn)

3.4 乍浦港區(qū)在潮水急漲時(shí)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(jì)算，乍浦港區(qū)在急漲后靠泊時(shí)間窗口見表9。

表9 乍浦港區(qū)急漲后靠泊時(shí)間窗口(限制時(shí)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(guò)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(jí)管理要求建議可參見表10。

通過(guò)實(shí)施(試運(yùn)行)基于研究結(jié)果的港口靠泊分類分級(jí)管控建議方案，相對(duì)于原港口靠泊規(guī)定在“陳山低平潮后1.5～3.5 h”時(shí)段的管控措施，在現(xiàn)行約束條件下的管理對(duì)策使得船舶(除危險(xiǎn)品船舶外)港口靠泊時(shí)間窗口延長(zhǎng)到中潮汛期間(月平均歷時(shí)延長(zhǎng)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(jí)管理要求

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于嘉興乍浦港區(qū)潮汐和潮流的特征極其明顯，需對(duì)港區(qū)的靠泊作業(yè)潮流特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的科學(xué)分析。只有通過(guò)合理分析之后，才能適當(dāng)拓展船舶靠泊作業(yè)時(shí)間窗口的可行性，提出科學(xué)的分類分級(jí)管控措施，從而對(duì)集中在高潮前后時(shí)段進(jìn)出港口的大型船舶進(jìn)行分段調(diào)度與安排，減小在急漲潮特定時(shí)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。