船舶進(jìn)出港富裕水深測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)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(jīng)過港口航道淺點(diǎn)處時(shí)，由于船舶行駛導(dǎo)致船體周圍水流發(fā)生變化，從而使船體下沉，操縱性能變差，極易發(fā)生船舶觸底、觸礁、擱淺或失控現(xiàn)象[1]。因此，為了避免這種情況的發(fā)生，航海者在進(jìn)入淺水域航道時(shí)必須提前充分了解航道內(nèi)船底與水底的安全距離。通常的做法是預(yù)先確定船舶通過淺點(diǎn)（淺水域）時(shí)的富裕水深來保證船舶的安全。

港口水深會(huì)受現(xiàn)實(shí)環(huán)境中潮汐的影響，在高低水位轉(zhuǎn)換期間，水深會(huì)發(fā)生巨大變化，不同類型船舶的富裕水深也會(huì)發(fā)生變化，獲取實(shí)時(shí)潮汐信息對(duì)富裕水深的計(jì)算尤為重要[2]。獲取港口潮汐數(shù)據(jù)，計(jì)算船舶靠離泊的實(shí)時(shí)富裕水深，可以針對(duì)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(huán)境下富裕水深的計(jì)算模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測并計(jì)算入港船舶的富裕水深，為港口的安全生產(chǎn)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 潮汐監(jiān)測與預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 潮汐監(jiān)測系統(tǒng)

潮汐監(jiān)測系統(tǒng)采用潮汐傳感器5218R，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)布等功能，能夠向靠離泊船舶提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的富裕水深信息，保證航行安全。潮汐監(jiān)測系統(tǒng)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(gè)固定的構(gòu)筑物上。數(shù)據(jù)信號(hào)主要通過傳感器收集，并將其處理成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。潮汐監(jiān)測系統(tǒng)電耗較小，僅需要5V～14V 的電壓即可正常工作。另外，潮汐監(jiān)測系統(tǒng)支持4G 數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 為潮汐測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)潮汐信息，原始數(shù)據(jù)中通常會(huì)包括很多噪聲，如重復(fù)數(shù)據(jù)、缺失值和異常值等，通過數(shù)據(jù)清洗以及數(shù)據(jù)變換的方法對(duì)原始潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為利于處理的統(tǒng)一規(guī)范格式，對(duì)處理后的潮汐信息進(jìn)行富裕水深計(jì)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(shí)時(shí)潮汐信息進(jìn)行結(jié)合計(jì)算富裕水深，并向靠離泊船舶發(fā)送。另外，系統(tǒng)會(huì)將計(jì)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(chǔ)到潮汐信息數(shù)據(jù)庫中。

圖1 潮汐測量系統(tǒng)流程圖

1.2 潮汐預(yù)報(bào)系統(tǒng)

船只靠離泊時(shí)通常根據(jù)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(huì)帶來增水、減水現(xiàn)象，而潮汐表主要給出的是驗(yàn)潮站處的天文潮位。島礁、岬角等復(fù)雜的地形也會(huì)對(duì)潮汐的流帶來影響，碼頭前沿水域的潮流的實(shí)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(shí)段甚至與潮汐表中的流向相反[3]。潮汐表所給出的數(shù)據(jù)為是某驗(yàn)潮站的點(diǎn)潮汐參數(shù)，對(duì)港口區(qū)域內(nèi)特別是碼頭前沿的潮汐的潮高、潮流參數(shù)預(yù)報(bào)存在一定誤差。以青島董家口港為例，其港口潮汐為規(guī)則半日潮類型，碼頭前沿水域潮流也有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的水域范圍內(nèi)漲流與落流共存的情況。這種復(fù)雜的潮汐環(huán)境，船舶僅憑潮汐表對(duì)港區(qū)的潮汐進(jìn)行判斷，極易造成船舶靠離泊、穩(wěn)泊期間發(fā)生觸碰碼頭、斷纜等事故發(fā)生。為了避免事故的發(fā)生，港口應(yīng)該通過實(shí)測數(shù)據(jù)向到港的船舶發(fā)送潮汐預(yù)報(bào)。

潮汐預(yù)報(bào)可以對(duì)港口對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)的潮汐漲落情況進(jìn)行的推算和預(yù)報(bào)，潮汐預(yù)報(bào)主要采用調(diào)和法對(duì)潮汐潮高進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)獲取的潮汐數(shù)據(jù)提取調(diào)和常數(shù)，由調(diào)和常數(shù)計(jì)算出潮高并向靠離泊的船舶發(fā)送實(shí)時(shí)的潮位信息[4]。潮位變化取決于地球、月球和太陽的相對(duì)位置變化，潮高表達(dá)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(jīng)度的地方時(shí)，H為平均振幅，k為地方遲角。H、k是由地理位置決定的，對(duì)固定的地點(diǎn)近似為恒量，因此稱為調(diào)和常數(shù)。

計(jì)算調(diào)和常數(shù)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(fù)雜的實(shí)際潮汐過程。將該式對(duì)應(yīng)分潮潮高，如公式（3）所示。

可求得調(diào)和常數(shù)如公式（4）和公式（5）所示。

其中R和Q為觀測到的實(shí)際振幅和遲角。

1.3 潮汐傳感器技術(shù)指標(biāo)

潮汐傳感器5218R 輸出參數(shù)包括潮位、潮壓、平均周期和最大周期等指標(biāo)。傳感器5218R 通過一根較長的電纜采用RS422 通信方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，最大通信距離可達(dá)1200m。性能指標(biāo)見表1。

表1 傳感器5218R 技術(shù)指標(biāo)

2 富裕水深計(jì)算方法

船舶的富裕水深指船舶航行時(shí)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(shí)如果富裕水深保留過多，那么船載過少導(dǎo)致效益受損；如果富裕水深不足，則會(huì)造成船舶擱淺。船舶過航道淺點(diǎn)時(shí)需要合理地利用高潮，短時(shí)間內(nèi)快速通過。確定合理的富裕水深，對(duì)保證船舶安全和船舶運(yùn)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(guān)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(zhǔn)面[6]。水深測量通常是在波濤起伏的水面上進(jìn)行的，因此同一測量點(diǎn)不同時(shí)刻的測量值都不相同，這個(gè)差值隨各個(gè)區(qū)域的潮汐漲落不同而不同，在港口區(qū)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(gè)起算面，把不同時(shí)刻測得的某點(diǎn)水深歸算到這個(gè)面上，這個(gè)面就是深度基準(zhǔn)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(jìn)行漲潮和退潮這一周期性運(yùn)動(dòng)，習(xí)慣上把海面周期運(yùn)動(dòng)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(zhì)密度等，潮汐無時(shí)無刻不在發(fā)生變化[7]。

潮汐監(jiān)測和預(yù)報(bào)系統(tǒng)借助實(shí)時(shí)探測出的潮汐數(shù)據(jù)通過調(diào)和常數(shù)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出未來12h 的潮汐參數(shù)及潮汐變化。而潮汐表所給出的潮汐數(shù)據(jù)僅是某驗(yàn)潮站的潮汐參數(shù)，是點(diǎn)潮汐參數(shù)，對(duì)港口區(qū)域內(nèi)特別是碼頭前沿的潮汐的潮高、潮流參數(shù)預(yù)報(bào)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(duì)不同因素的船舶下沉量估算方法，分為經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)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(cè)》推薦的3 個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(shù)。

狹窄航道中下沉量如公式（12）所示。

式中：n2為速度回復(fù)系數(shù)，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(jì)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(jì)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(shù)。

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(guān)，特別是與船速緊密相關(guān)。

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(jìn)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(shù)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(shí)（進(jìn)航道后實(shí)際航速要減到7 節(jié)以下。采用公式7～公式（13）進(jìn)行計(jì)算，分析比較上述各公式發(fā)現(xiàn)，方法（11）和（12）計(jì)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(fā)現(xiàn)，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(shí)得出的下沉量偏大；方法（8）下沉量與船速保持為線性關(guān)系，實(shí)際并非如此，僅適用于某一速度段范圍內(nèi)；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(shù)及所處航道寬度和深度對(duì)下沉量的影響，適合于航道內(nèi)下沉量的估算。潮汐監(jiān)測與預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要應(yīng)用于港口，港口區(qū)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(tǒng)選擇公式（12）計(jì)算港口航道內(nèi)的船舶下沉量，考慮各種因素對(duì)船舶下沉量的影響，確保計(jì)算出接近真實(shí)值的船舶富裕水深。

3 應(yīng)用

3.1 為靠離泊提供輔助決策

一些潮汐港的作業(yè)計(jì)劃受到潮汐影響較大，不考慮潮汐影響的停泊計(jì)劃和泊位分析，通常無法適用潮汐港。該系統(tǒng)將潮汐港潮汐變化考慮在內(nèi)，通過實(shí)時(shí)獲取潮汐數(shù)據(jù)計(jì)算富裕水深，針對(duì)不同船舶的特點(diǎn)，為靠離泊提供輔助決策，提高港口作業(yè)的效率。潮汐監(jiān)測和預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以為船舶的靠離泊提供輔助決策。以某個(gè)港口的某條航道中的同一艘船為例，假設(shè)海圖水深固定為15m，借助潮汐監(jiān)測和預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算出不同時(shí)刻的潮汐值，根據(jù)海水水深計(jì)算出船舶下沉量以及船舶富裕水深，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果吻合，富裕水深結(jié)果對(duì)比見表2，證實(shí)系統(tǒng)適用于港口的應(yīng)用。

表2 不同潮高富裕水深結(jié)果對(duì)比

3.2 為進(jìn)出港提供安全預(yù)警分析

通過實(shí)時(shí)獲取船舶航行路線上的潮汐信息，對(duì)船舶靠離泊過程中的船舶富裕水深進(jìn)行預(yù)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(fā)送預(yù)警信息，讓船舶提前做出風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，降低發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，盡可能保證人員的安全。

3.3 為科研工作提供數(shù)據(jù)支撐

富裕水深測量系統(tǒng)將計(jì)算的富裕水深以及獲取到的潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，富裕水深是對(duì)不同吃水量船舶計(jì)算得到的，且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，港口船舶數(shù)量日益增長，通過富裕水深測量系統(tǒng)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(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)也會(huì)將獲取的潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過這些實(shí)時(shí)獲取的潮汐數(shù)據(jù)，可以更加科學(xué)、準(zhǔn)確地分析潮汐的漲落規(guī)律。

4 結(jié)論

通過在港口布設(shè)的潮汐監(jiān)測與預(yù)報(bào)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)獲取潮汐數(shù)據(jù)，計(jì)算船舶停離泊時(shí)的富裕水深，降低了流態(tài)復(fù)雜的港區(qū)對(duì)富裕水深計(jì)算的影響，且富裕水深計(jì)算結(jié)果與實(shí)測富裕水深誤差小于0.1m。對(duì)不同流態(tài)的港口也能合理安排船舶進(jìn)出港方案，最大限度地保證港口秩序平穩(wěn)進(jìn)行。在確保船舶安全的同時(shí)提高了船舶進(jìn)出港的效率，為未來港口船舶進(jìn)出港智能一體化提供了技術(shù)參考，為港口企業(yè)平穩(wěn)快速發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。