嘉兴乍浦港潮水急涨时段靠泊时间窗口分析

黄仕唯， 王志明， 吴善刚

(上海海事大学 商船学院， 上海 201306)

嘉兴港位于杭州湾[1-2]海域，受水域地形的影响较大，是潮汐现象极其明显的海港，其潮差大(如乍浦历史上最大潮差近7.8 m)、潮流强，大潮汛期间涨潮流时段急涨潮流速度可达4.5 kn，船舶的靠泊安全面临较大的威胁。嘉兴海事局于2011年就港口靠泊采取“在陈山低平潮后1.5～3.5 h”时段靠泊管控措施，取得一定的安全保障效果，但也压缩了船舶靠泊作业的时间窗口，影响码头泊位的利用效能。对此，为确保在港口水上作业安全的前提下，根据潮汐和潮流特征，合理利用港口潮流特征优化海事管控措施，提出以极限流速和拖船保障为基本条件的靠泊时间窗口，逐步实行港口靠泊分类分级常态化管理势在必行。

目前，国内外有学者注重研究潮流急涨时段对靠泊作业安全的影响。胡中敬[3]在合理调度船舶的靠泊、离泊和移泊等工作中考虑潮汐、潮流的变化情况。杨桂樨[4]详细论述强潮流对大型船舶靠离泊的影响。陈仕营[5]分析在福州港松下港区离泊操纵时不同潮汐的操作。潘国华[6]基于大风浪条件探讨大型集装箱船靠离泊作业存在的诸多潜在危险。陈琛等[7]提出潮汐是长江干线船舶延误风险的影响因素。已有研究大多局限于潮汐对靠离泊的整体影响，缺乏大量数据的分析和比较研究。对此，根据嘉兴乍浦港区潮流和潮汐的基本状况，统计全年大潮汛、小潮汛和中潮汛资料，分析12个月的潮高、潮差和潮流的特征值，对计算靠泊时间窗口进行建模，进而提出急涨时段靠泊实施分类分级管控措施。

1 乍浦港区潮汐与潮流概况

乍浦港区位于杭州湾，其潮汐为非正规半日潮，潮差大、潮流急，最高潮位从湾口至湾顶逐步增高，最低潮位逐步下降，致使潮差逐步增大。另外，日夜潮也出现明显的不等现象，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。杭州湾北岸2个水文站的潮位特征值见表1(1985国家高程基准)。乍浦港区潮汐与潮流基本数据源采用泊位前沿水域实测、潮汐表和现行版海图。

表1 杭州湾北岸各水文站潮位特征值

1.1 实测潮流状况

2013年5月，浙江省河海测绘院对嘉兴乍浦港区E区4号泊位前沿水域的水文进行测量，其水文测验各测点见图1。

图1 乍浦港水文垂线布置示意

实测水域分层中的流速最大值：涨潮流流速为3.70 kn，流向为250°～253°，出现于CD1、CD2测站的面层；落潮流最大流速为2.40 kn，流向为070°，出现于CD1测站的面层。

在各观测点的垂线上，流速最大值的平均值：涨潮流为3.10 kn(250°)，出现于CD1测站大潮汛；落潮流流速为2.00 kn(077°)，出现于CD2测站大潮汛。

1.2 现行版海图上潮流状况

由现行版海图资料可知：乍浦港区泊位外侧开阔水域(参考点30°33′N 121° 11′E)：涨潮流流向约240°，大潮时段最大流速4.5 kn；落潮流流向约064°，大潮时段最大流速3.3 kn。依此推算出乍浦区泊位外侧开阔水域在小潮汛和中潮汛的当天最大流速见表2。

表2 乍浦港区潮流最大流速 kn

1.3 《潮汐表》中潮汐与潮流状况

根据国家海洋信息中心2019年嘉兴乍浦港区潮汐、潮流资料[8]，其全年潮汐、潮流统计极值见表3。

根据以上3类资料比较，从安全(选择最可能的最大值)和精度要求的角度选用2019年《潮汐表》资料进行窗口时间分析和推算。

2 潮汐与潮流之间的关联和分析

2.1 潮汐与潮流呈现的规律

潮汐现象是海面呈现周期性的涨落。潮流是伴随着潮汐现象中的表层海水在水平方向上的运动，潮汐类型决定该处潮流的规律性。往复流与潮汐的规律性具有同步性关系：低(高)潮后海面有短暂的歇息，表层海水的流速递减到零，流向开始调转，该时间称为转流时刻。[9]《潮汐表》适当给出主要地方每天的转流时间和最大流速相关资料。

由于潮流的流速与潮差成正比，因此在半个朔望月(阴历月)中，每天的最大流速也不同。我国港口大潮汛一般发生在每月初三前后和十八前后，小潮汛则发生在每月初十前后和廿五前后。[8]因此，可将每个农历月划分为大潮汛、小潮汛和中潮汛，并统计分析潮流变化规律。

表3 2019年乍浦港区全年潮汐、潮流统计极值

2.2 一天中流速的变化

潮流的流速是随时间变化的。在1个太阴日(1 490 min)中，对于半日潮，有4个转流时间，间隔约为6 h。转流时(Ts)的流速接近于零，转流以后流速逐渐增大，到相邻2次转流时间的中间时刻，流速达到最大，之后又逐渐变小，至下次转流时间流速又降至零。流速变化规律可运用“1、2、3、3、2、1”的简谐运动表示，1 d中潮流流速推算[9]为

1) 转流后1 h内

(1)

2) 转流后1～<2 h

(2)

3) 转流后2～<3 h

(3)

4) 转流后3～<4 h

(4)

5) 转流后4～<5 h

(5)

6) 转流后5～6 h

(6)

式(1)～式(6)中：vm为当天潮流最大流速。

由此可见，每天潮流急涨时段基本在低潮(转流)后的第2～4 h；在潮流急落时段基本在高潮(转流)后的第2～4 h。

2.3 潮汐与潮流特征值的统计分析

虽然我国大潮汛和小潮汛实际发生日滞后于理论值2～3 d，但不同地方因地理位置差异而有所不同。[9]根据潮汐与潮流的关系，将农历月划分为“大潮汛、小潮汛和中潮汛”，对3个时段进行数据统计，结果见表4，变化规律见图2～图4。

由表4和图2～图4可知2019年乍浦各月最大流速变化情况为：

1) 大潮汛期间的最大流速为3.8～4.5 kn，其中最大流速出现在八月，达到4.5 kn；三月、四月较小，最大流速接近3.8 kn。

2) 小潮汛期间。最大流速为2.8～3.4 kn，其中最大流速出现在四月，达到3.4 kn；正月较小，最大流速只有2.77 kn。

3) 中潮汛期间。最大流速为3.4～3.8 kn，其中最大流速出现在九月，达到3.8 kn(出现在九月廿九)；正月较小，最大流速为3.41 kn。

因此，大潮汛管控时段要关注农历七月、八月和九月。中潮汛应关注农历九月，具体可对九月廿九(月小，最后一天)纳入的大潮汛进行管控。

表4 乍浦港区全年潮流最大值及其平均最大值 kn

图4 乍浦港区往复流每月不同时段最大流速

综合《潮汐表》资料和实测数据，确定乍浦港区潮汛时段划分：大潮汛为初一至初五(农历五月—九月为上月月末至本月初六)、十五至二十；小潮汛为初八至十二、廿三至廿七；余下天数为中潮汛。

3 乍浦港区泊位靠泊作业极限时间窗口

3.1 往复流任意时刻流速与对应时间计算模型

可根据《潮汐表》提供的往复流资料建立求任意时刻的潮流计算模型[9]见图5和式(8)与式(9)。

图5 往复流曲线

设两相邻的转流时间(TS)的间隔为

T=TS2-TS1

(7)

所求任意时刻t与TS1时间的间隔为△T=t-TS1，则t时刻的流速v为

(8)

根据流速计算对应的时刻。根据在涨落潮过程中已知流速与最大流速的关系，可推出限制流速vc对应的靠泊起讫时间t为

(9)

式(9)中：t1为靠泊限制起始时间；t2为靠泊限制结束时间；T为涨潮历时TS2-TS1，乍浦港平均历时5.5 h；vc为靠泊作业限制流速,kn；vm为当天潮流最大流速,kn。

3.2 乍浦港区靠泊作业现行限制流速

根据乍浦港区不同月份潮流资料，依据式(8)可算出全年靠泊作业管控时间窗口内的最大流速见表5，再以此数据得出现行限制流速。

由表5可知：在乍浦港区靠泊作业管控时段窗口内的最大流速为大潮汛3.40～4.09 kn；小潮汛2.59～3.12 kn；中潮汛2.90～3.49 kn。

由上述结果可知：按乍浦港区在潮流急涨时段的靠泊作业现行限制规定(陈山潮位站低低潮后1.5～3.5 h)，乍浦港区限制时段内的最大流速区间达到3.43～4.09 kn，目前由于在小潮汛阶段不限制靠泊作业，限制流速可推理为3.4 kn。

我国现行《液化天然气码头设计规范》[10]规定：对船舶舱容小于8 000 m3(一般相当于50 000 总吨)的液化天然气船，其靠泊操作可允许流速(顺流)小于2 m/s(相当于3.9 kn)。国内外相关组织的推荐性意见和标准[4]确定的顺码头方向(<10°)的限制流速的推荐值为3.0 kn，以及接近顺码头方向(等于0°)的限制流速的推荐值为4.0 kn。

根据乍浦港区泊位前沿实测流速和流向，依据行业规定、国内外相关组织的推荐性意见和标准并结合上海海事大学课题组专业人员采用模拟器模拟得到的结果，确定嘉兴乍浦港区在潮水急涨时段的限制流速区间为3.5～4.0 kn。

表5 乍浦港区全年潮流最大值及靠泊管控窗口内的最大流速 kn

3.3 乍浦港区泊位靠泊作业限流管控时间窗口推算与分布

根据乍浦港区不同月份潮流资料，依据式(9)计算出全年靠泊作业现行管控时间窗口(流速分别为3.5 kn、3.8 kn和4.0 kn对应的时间)，具体见表6～表8。

表6 乍浦港区全年潮流最大值及靠泊限制时间窗口(限制流速3.5 kn)

表7 乍浦港区全年潮流最大值及靠泊限制时间窗口(限制流速3.8 kn)

表8 乍浦港区全年潮流最大值及靠泊限制时间窗口(限制流速4 kn)

3.4 乍浦港区在潮水急涨时段靠泊作业管控要求与建议

根据第3.2节和第3.3节的分析与计算，乍浦港区在急涨后靠泊时间窗口见表9。

表9 乍浦港区急涨后靠泊时间窗口(限制时间段) h

综上所述，根据模拟器模拟结果，建议乍浦港区管控流速在附加约束条件下不应超过3.8 kn。因此，在潮水急涨期间，乍浦港区靠泊作业分类分级管理要求建议可参见表10。

通过实施(试运行)基于研究结果的港口靠泊分类分级管控建议方案，相对于原港口靠泊规定在“陈山低平潮后1.5～3.5 h”时段的管控措施，在现行约束条件下的管理对策使得船舶(除危险品船舶外)港口靠泊时间窗口延长到中潮汛期间(月平均历时延长8～9 d)，大大提高港口船舶靠泊服务效率和能力。

表10 乍浦港区靠泊作业分类分级管理要求

4 结束语

鉴于嘉兴乍浦港区潮汐和潮流的特征极其明显，需对港区的靠泊作业潮流特点进行系统的科学分析。只有通过合理分析之后，才能适当拓展船舶靠泊作业时间窗口的可行性，提出科学的分类分级管控措施，从而对集中在高潮前后时段进出港口的大型船舶进行分段调度与安排，减小在急涨潮特定时段的通航密度，减轻船舶在高平潮期间集中靠泊作业导致港作拖船资源紧张，降低泊位空置率，提高港口的服务效能。