港口風(fēng)速儀區(qū)域使用情況分析

張建國

（天津港歐亞國際集裝箱碼頭有限公司，天津 300461）

0 引言

近年來，隨著我國沿海城市開放程度的加大，對港口的開發(fā)力度也越來越大。因為港口是我國出口貿(mào)易的主要通道，但是同時由于大風(fēng)導(dǎo)致許多港口的樓房、設(shè)備以及相關(guān)設(shè)施經(jīng)常發(fā)生意外事故，這樣不僅給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)帶來了較大損失，嚴(yán)重時甚至帶來人身安全問題，所以對于港口不同位置的風(fēng)速進(jìn)行提前測定并找到其規(guī)律已經(jīng)成為相關(guān)部門考慮的重點問題[1]。同時，國家也在這方面出臺了相關(guān)的港口防風(fēng)規(guī)定，對于港口的具體風(fēng)速安全等級作出了詳細(xì)報告分析[2]。

1 風(fēng)速儀的應(yīng)用與原理

風(fēng)速儀可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域，廣泛用于港口、高樓以及容易出現(xiàn)臺風(fēng)的海邊，為當(dāng)?shù)仄髽I(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)收入，同時隨著風(fēng)速儀的發(fā)展，現(xiàn)在的風(fēng)速儀不只是能對風(fēng)速進(jìn)行測定，而且還能對風(fēng)溫以及風(fēng)向進(jìn)行及時的測定[3]。在每一個季節(jié)以及當(dāng)測量的具體位置發(fā)生變化時，均會導(dǎo)致風(fēng)速和風(fēng)向的變化，所以在不的位置倆研究風(fēng)力的大小，更有利于人們提前去做好相關(guān)措施。當(dāng)前市場中，風(fēng)速儀的形狀是多種多樣的，但是基本上是箭的形狀，這樣在進(jìn)行風(fēng)速測定的時候，風(fēng)速儀轉(zhuǎn)向標(biāo)會隨著入大風(fēng)而轉(zhuǎn)動[4]。風(fēng)速儀主要由傳感器和測量儀兩部分組成，傳感器大部分是熱球傳感器，測量風(fēng)速全靠傳感器上部的一個玻璃球，因為在玻璃球的內(nèi)部有鎳鉻絲線圈以及兩個相互串連的熱電偶，同時存在磷銅質(zhì)，將它與熱電偶的冷端進(jìn)行相互連接[5]。最后在將此直接與空氣進(jìn)行互通，如果有電流存在于熱線圈中的時候，玻璃球的溫度會產(chǎn)生一定變化，而溫度的變化與空氣的流速有關(guān)，流速大的時候溫度則更低[6]。

根據(jù)熱平衡原理，風(fēng)速儀也可以分為恒溫風(fēng)速儀與恒流風(fēng)速儀兩大類。恒溫風(fēng)速儀具有很小的熱滯后反應(yīng)，反應(yīng)非?？?，因為它的頻率響應(yīng)非常寬，所以能夠進(jìn)行大范圍的測定[7]。目前，恒溫風(fēng)速儀在現(xiàn)在市場中已經(jīng)占據(jù)了重要地位，其應(yīng)用范圍比恒流風(fēng)速儀更廣。

2 平均風(fēng)速、瞬時風(fēng)速、風(fēng)力等級和風(fēng)壓的概念及對應(yīng)關(guān)系

一般來說，平均風(fēng)速是在幾分鐘內(nèi)對一個位置的風(fēng)速進(jìn)行多次測定然后最后取的平均值，一般規(guī)定是10 min。而瞬時風(fēng)速是指在幾秒內(nèi)的風(fēng)速測定值。最大風(fēng)速則是表示與測量平均值相差最大的風(fēng)速值，同時還有極大風(fēng)速，它表示瞬時風(fēng)速最大值。

為了更好的區(qū)分風(fēng)的大小，國家將風(fēng)按等級進(jìn)行分類，不同等級的風(fēng)大小不同[8]。

風(fēng)壓是表示風(fēng)吹打在某個物體上時，在上面形成的壓強(qiáng)大小，它直接體現(xiàn)了風(fēng)對物體造成的傷害大小。風(fēng)壓P 與風(fēng)速v 的函數(shù)關(guān)系可以表示為[9]：

式中 P——具體的風(fēng)壓，N/m2

v——具體的風(fēng)速，m/s

3 風(fēng)速情況統(tǒng)計

隨著目前對風(fēng)速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的相關(guān)要求，對風(fēng)速區(qū)域性情況進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計：歐亞、五洲和煤碼頭風(fēng)速監(jiān)測位置3 個點位間隔為2.5 km 左右，這3 個監(jiān)測點覆蓋區(qū)域5 km；數(shù)據(jù)選取近1～3 個月的業(yè)務(wù)樓頂風(fēng)速進(jìn)行對比。

3.1 歐亞風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行了近3 個月的數(shù)據(jù)采集，業(yè)務(wù)樓頂風(fēng)速最大26.68 m/s。對岸橋每天的最大風(fēng)速和業(yè)務(wù)樓頂?shù)淖畲箫L(fēng)速進(jìn)行比對，樓頂每天最大風(fēng)力與岸橋最大風(fēng)力平均差值為1.04 m/s（表1）。

表1 歐亞岸橋和業(yè)務(wù)樓頂每天的最大風(fēng)速

由表1 可以發(fā)現(xiàn)，樓頂最大風(fēng)力與岸橋最大風(fēng)力平均差值發(fā)生在6 月2 日，在大多數(shù)情況下歐亞岸橋的風(fēng)速都是要大于歐亞樓頂?shù)娘L(fēng)速，且兩處的風(fēng)速基本都在20 m/s 以下。

繪制了兩處的風(fēng)速曲線，并進(jìn)行了對比。從圖1 可以看出，總體風(fēng)速趨勢基本相同，但是對于最大風(fēng)速，岸橋上面的風(fēng)速總是大于樓頂?shù)娘L(fēng)速的。而且，相對于樓頂?shù)淖畲箫L(fēng)速，岸橋的最大風(fēng)速總是有一定的延遲，這時因為兩地所處的位置不一樣，風(fēng)速先經(jīng)過歐亞樓頂以后才經(jīng)過岸橋，所以岸橋的風(fēng)速更大。另外，通過谷歌地圖對兩地的距離進(jìn)行測量，兩地相距約1.27 km（圖2）。

3.2 五洲風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計

五洲業(yè)務(wù)樓頂?shù)慕粋€月風(fēng)速如圖3 所示：風(fēng)速最大為31.1 m/s，發(fā)生在9 月初的前幾天；最小風(fēng)速為4 m/s，且在8 月份的風(fēng)速相對比較平穩(wěn)，變化不大，最大風(fēng)速僅僅為20 m/s；而在9 月，風(fēng)速的變化相差比較大，毫無規(guī)律可言。

3.3 煤碼頭風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計

煤碼頭業(yè)務(wù)樓頂近3 個月風(fēng)速如圖4 所示：樓頂風(fēng)速最大17.4 m/s，發(fā)生在6 月初；最小風(fēng)速為4.6 m/s，發(fā)生在8 月的最后幾天，且煤碼頭的總體風(fēng)速變化非常大；在6～9 月，風(fēng)速大小錯綜復(fù)雜，不過最大風(fēng)速基本上發(fā)生在月初。

圖1 歐亞岸橋和業(yè)務(wù)樓頂?shù)娘L(fēng)速曲線

圖2 歐亞岸橋和業(yè)務(wù)樓頂?shù)木嚯x

圖3 五洲業(yè)務(wù)樓頂近一個月的風(fēng)速曲線

圖4 煤碼頭業(yè)務(wù)樓頂近3 個月的風(fēng)速曲線

3.4 3 個公司的風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對3 個公司所處位置3 個月以來的風(fēng)速大小進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，盡管它們的最大風(fēng)速情況不一樣，在前一個多月，歐亞岸橋的風(fēng)速基本是最大的，而在后一個多月五洲樓頂?shù)娘L(fēng)速最大值卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于其他3 處的風(fēng)速，但是對于同一天4個地方的風(fēng)速大小來看，它們出現(xiàn)風(fēng)速峰值的大小趨勢基本一致（圖5）。

圖5 3 個公司的風(fēng)速曲線匯總

對圖5 中風(fēng)速變化大的區(qū)域做進(jìn)一步分析，6 月5—13 日的風(fēng)速變化較小。所以，專門繪制了針對此變化區(qū)域的風(fēng)速和風(fēng)向圖（圖6）。

通過上圖的對比可看出，歐亞樓頂?shù)娘L(fēng)速基本上大于煤碼頭樓頂?shù)模颐捍a頭樓頂?shù)娘L(fēng)速變化范圍差在2 m/s 以內(nèi)。但是歐亞樓頂與煤碼頭兩處的風(fēng)向是混亂的，未能找到明顯的風(fēng)速。在8 月29 日—9 月16 日這段時間內(nèi)，風(fēng)速值區(qū)別較大，因此對這段時間的風(fēng)向、風(fēng)速進(jìn)行了對比（圖7）。

通過圖7 可以看出，五洲樓頂在這半個月內(nèi)風(fēng)速出現(xiàn)過3次大于30 m/s，且歐亞樓頂?shù)娘L(fēng)速與煤碼頭樓頂?shù)娘L(fēng)速大小基本一致，保持在約10 m/s。對比3 個位置的風(fēng)向可以看出明顯的規(guī)律，同一天出現(xiàn)的風(fēng)向是相同的。

圖6 6 月5—13 日的風(fēng)速和風(fēng)向

圖7 8 月29 日—9 月16 日的風(fēng)速和風(fēng)向

為觀察港區(qū)內(nèi)的風(fēng)速的區(qū)域特性，通過持續(xù)一段時間的跟進(jìn)，選取兩個相鄰的碼頭（歐亞和聯(lián)盟）自2019 年10 月—2020年4 月對每日瞬時最大風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比（圖8）。

通過圖8 可以知道，10 月份到11 月份兩個月之間，歐亞樓頂和聯(lián)盟樓頂每天的最大瞬時風(fēng)速數(shù)據(jù)是一樣的，它們的曲線基本重合，且最大瞬時風(fēng)速發(fā)生在11 月份，數(shù)值為25 m/s。

圖9 為2020 年1—4 月的歐亞和聯(lián)盟的數(shù)據(jù)對比情況。通過圖9 可以看出，1—4 月的最大瞬時風(fēng)速與10—11 月的情況基本一致。最大瞬時風(fēng)速發(fā)生在3 月（最大值為30 m/s），兩個碼頭的瞬時大風(fēng)整體趨勢基本相同。

圖8 2019 年10—11 月每日瞬時最大風(fēng)速數(shù)據(jù)

圖9 2020 年1—4 月歐亞和聯(lián)盟的每日瞬時最大風(fēng)速數(shù)據(jù)

總體來說，每個地方的風(fēng)速與風(fēng)速儀所處的大方有關(guān)，也與季節(jié)有很大關(guān)系，通過相關(guān)衛(wèi)星圖片可知3 個碼頭的總距離為4.96 km：煤碼頭和五洲直線距離2.64 km，五洲和歐亞距離2.32 km（圖10）。

圖10 3 個碼頭的位置與距離

4 總結(jié)

隨著港口的高樓以及施工設(shè)備與日俱增，如果不對港口周圍的環(huán)境進(jìn)行風(fēng)速以及風(fēng)向的預(yù)測，就很容易造成較大的損失。針對這種情況，本文使用風(fēng)速儀對某港口的3 個不同位置的風(fēng)速與風(fēng)向情況進(jìn)行了分析。根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)的對比可以看出，同一天出現(xiàn)的風(fēng)速峰值在3 個地方基本是一致的，但是部分大風(fēng)情況下五洲的風(fēng)速值會高于歐亞和煤碼頭，因為五洲碼頭處于歐亞與煤碼頭中間，相近的碼頭的瞬時最大風(fēng)速基本一致。同時通過歐亞樓頂與岸橋的分析，發(fā)現(xiàn)建筑物的本身高度也對風(fēng)速有一定的影響，陣風(fēng)發(fā)生的區(qū)域性、高度等綜合因素對于風(fēng)速數(shù)據(jù)有不同程度的影響。本文對類似港口的風(fēng)速分析具有一定參考性。