威海长会口海湾大桥桥区水域乘潮保证率分析研究

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(1.武汉理工大学 航运学院，武汉 430063；2.山东省威海市公路管理局，山东 威海 264200)

威海长会口海湾大桥位于山东省的东部、胶州半岛的南部、长会口海湾内，大桥西接文登市，东连荣成市。大桥所在的张家埠港的进港航道总长13.06 km，张家埠港至长会口嘴为天然航道，长约7.7 km，航道水深5 m以上，最大水深达8 m，宽度200～400 m；长会口嘴至1号灯标航道长2.4 km，水深1.4 m，宽约300 m；1号灯标以外有拦门沙，航道长2 963 m，最浅处水深1.1 m，千吨级船舶需乘潮进出港口。张家埠港湾口门处由于两股水流均夹带泥沙在此汇合，易形成拦门沙，严重制约了港口的发展。为此，在《威海长会口海湾大桥工程通航安全评估研究》的基础上计算和分析长会口海湾大桥桥区水域(长会口嘴天然航道)的乘潮保证率，为确定通过桥区水域的代表船型提供技术支撑和计算依据。

1 乘潮保证率计算

乘潮潮位是指具有一定时间间隔且对于某种设计代表船型可用以安全通航的某一高潮潮位。航道乘潮通航保证率是指船舶在高潮前后若干时间内，可乘某一乘潮潮位Z安全进出航道的时间累积频率。在乘潮历时Δt时段内，航道水深不小于这一乘潮潮位Z。确定合适的乘潮潮位及乘潮通航保证率关系到航道疏浚量的大小，尤其是多浅段航道，往往里程较长、疏浚量大。

而要计算代表船型通过桥区水域的最低乘潮潮位Zmin的乘潮历时Δt及乘潮潮位累计频率P(乘潮通航保证率)时，首先应确定乘潮历时Δt，以便在潮位过程线上量取对应的潮位值，最后在乘潮潮位累计频率P曲线上选取所需的累积频率潮位值Zmin，上述计算过程可由式(1)、(2)表示。

Δt=t2-t1
Zmin=h(t2)=h(t1)

(1)

P(Zmin≥d)=p

(2)

式中：t1、t2——高潮前后时刻；

h——潮位；

d——安全通航水深；

Zmin——最低乘潮潮位；

P——潮位累积频率。

统计时乘潮潮位累计频率，应有完整的1年或多年的实测潮位资料。

2 存在的问题与对策

2.1 潮位资料代表年的选取

潮位资料代表年的选取在乘潮保证率的计算中是非常重要的第一步。因为长会口海湾大桥桥区水域的潮型属于正规的半日潮，N2、K2(虚拟天体分潮)分潮作用明显，且由于白道升交点的影响较大。因此，对于不同年份，根据同一乘潮通航保证率计算的乘潮潮位存在差异。所以，观测资料应当为1年以上。比较张家埠港2004年与2005年相同乘潮条件下的乘潮潮位计算值(测站基准面以上)，2005年普遍偏小，其中90%乘潮通航保证率在不同乘潮历时所对应的乘潮潮位相差2～3 cm(见表1)。为了保证通过桥区的船舶在一般年份都有足够的安全通航水深，故取乘潮通航保证率在90%时的乘潮潮位较小的2005年的潮位资料更为安全合理。

表1 张家埠港附近2004～2005年乘潮潮位表(乘潮通航保证率为90%)乘潮历时 h

2.2 代表年份控制潮位过程线的选取

在确定潮位资料代表年后，对代表年份控制潮位过程线的选取就成为解决问题的关键所在。理论上对于船舶可以乘一潮进港的多浅段航道，浅段之间存在相对距离，因而各浅段高潮时刻、高潮潮位也会存在较大的差异。为保证计算结果的可靠性，计算乘潮通航保证率时应采用各浅段当地同步潮位过程线。见图1所示。

t1-第1、2段间乘潮历时；t2-第2、3段间乘潮历时；tn-第n、n+1段间乘潮历时；n-船舶乘一潮经过的浅滩个数图1 多浅段航道潮位过程线示意

各浅段所在地的年表逐时潮位资料可采用当地附近长期潮位观测站资料，但是并非所有浅段附近都有长期潮位测量站。

《海港水文规范》规定若潮位实测资料不足1年时可采用“短期同步差法”。但“短期同步差法”是建立长期站与短期站的高低潮位相关关系，适用于潮差沿程变化小、潮位变化不大的河口地区，但是对于潮差和潮位沿程变化大的半封闭型海湾地区，因计算乘潮通航保证率时所关心的是高潮位前后某一时段内的潮位，如果潮位沿程变化很大(随时间变化大)，高低潮位相关关系将失去使用价值；如果采用最为普遍的插值法，即通过两个以上长期验潮站资料，内插出验潮站之间某一浅滩处的乘潮潮位或潮位累积频率，又受制于验潮站数量与浅滩的地理位置分布。

考虑到以上诸多因素，采用控制潮位过程线法，控制潮位过程线法是选取某一长期潮位站的1年以上潮位过程线作为计算整条多浅段航道乘潮通航保证率的控制潮位过程线。对于长会口海湾大桥桥区水域，该法是以张家埠港的潮位过程线为控制潮位过程线，沿程各浅滩的乘潮潮位在此潮位过程线上量取。图2所示为2005年5月15日基于张家埠港潮汐资料推算出的各浅滩大潮潮位曲线图。

图2 2005年5月15日各浅滩推算潮汐曲

基于以上的论述，计算5 000 t级浅吃水经济型散货船通过各浅段的乘潮潮位及乘潮通航保证率，取其中最小值作为该段航道的乘潮通航保证率。该段航道的乘潮通航保证率取97%时，船舶通过图2中各浅段的乘潮参数值见表2。

表2 船舶通过桥区水域各浅段的乘潮参数值

2.3 计算方法的讨论和优选

根据交通部《海港总平面设计规范》(JTJ211-99)，计算乘潮水(潮)位时，选取“每1个潮峰上”与乘潮进出港所需的持续时间相当的水(潮)位，这意味着每次潮汐船舶就有1次进港的机会。在潮汐性质为半日潮型的航道，平均1 d有2个潮汐，存在2个高潮。

该算法的实质就是计算船舶无论利用哪个高潮都能进港的乘潮通航保证率。显然，这种算法适用于通航密度大的航道。当通航密度小于2艘·次/d(即船舶平均每天约有1次进港和出港的机会)，至于每天的机会要等待多长时间相对而言并不重要时，这种算法则趋于保守，使得乘潮潮位的计算值偏高，会造成不必要的疏浚投资。

针对长会口海湾大桥潮汐特征，对于通航密度小于2艘·次/d、候潮时间相对宽松的航道，可采用船舶乘高高潮进港计算乘潮潮位。

以张家埠港临时潮位站2005年8月潮位过程线为例，当乘潮历时为1 h、乘潮潮位为3.05 m(黄海高程)时，比较两种方法计算的乘潮通航保证率，见表3。

表3 不同计算方法的乘潮通航保证率计算结果 %

表3说明采用乘高高潮法计算的乘潮通航保证率明显高于采用乘每一高平潮的计算值。

3 结论与建议

在长会口海湾大桥桥区乘潮保证率的计算中，根据该水域的实际情况，选取2005年的潮位资料作为理论计算的基础，同时由于潮位沿程变化很大、缺少各浅滩的实地长期潮位资料的现状，采用了控制潮位过程线法选取潮位过程线，从而保证了计算的科学性和可靠性。在计算结果的基础上结合桥区水域半封闭型海湾地形和水文条件特征，考虑到桥区通航密度较小、候潮时间相对宽松，采用船舶乘高高潮进港计算乘潮通航保证率，在同样的乘潮保证率可以使疏浚量大大减少。在60%乘潮通航保证率下，桥区附近水域水深可以满足2 000 t级船舶的满载安全通航的要求，桥区附近水域还需进行一定程度的疏浚才能满足2 000 t级以上船舶满载安全通航的要求。