唐山丰南海域潮汐特征分析

熊 伟，刘 杰*，邢 硕

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456； 2.天津水运工程勘察设计院有限公司 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456)

唐山港丰南港区位于唐山市丰南区涧河村陡河河口至黑沿子沙河河口之间，建港自然条件优良，区位优越。“十二五”时期就已列入国家口岸发展规划、河北省沿海地区发展规划，是唐山港“一港三区”的重要组成部分。对该海域开展潮位观测，分析潮汐特性，是实现自然资源科学利用的重要手段，可为港口航道设计、运营管理提供重要的基础资料。

2019年4月1日～2020年3月31日期间在丰南海域设置H1、H2、H3三个观测站开展了基于1985国家高程基准的周年潮位观测工作。本文则基于这次的观测数据，对丰南海域的潮汐性质、潮位特征值、设计高低水位、理论最低潮面、平均海平面等进行分析计算。

图1 潮位站布置示意图Fig.1 Schematic diagram of layout of tide station

1 潮汐调和分析模型

天文潮位是水位运动变化的主体， 由若干分潮综合而成，假设分潮个数为m，则表达式为

(1)

式中：MSL为平均海平面高度；H代表分潮的振幅；σ代表分潮角速率；v代表分潮的天文初相角；g代表分潮的迟角。对于某一分潮，σ和v可以通过天体运动推算得到，H和g为分潮调和常数，是该分潮在某点振动变化的参数。式(1)是纯粹形式上的潮汐调和分析的潮高表达式。国内很多专家学者在潮汐调和分析及其应用领域做了大量研究，例如方国洪等学者对潮汐运动原理及分析做了大量研究并取得相应成果[1-4]，王骥等学者对基准面计算、余水位分离、特征值统计方法等做了大量研究[5-9]，本文基于这些研究成果，对丰南海域潮汐特征进行分析，分析原理与过程不再赘述。

根据2019年4月1日～2020年3月31日期间的连续潮位观测数据(1985国家高程基准)，采用最小二乘法进行潮汐调和分析，得出13个主要分潮的调和常数[10]。

2 潮汐性质

潮汐性质可分为正规半日潮和不正规半日潮、正规全日潮和不正规全日潮，潮汐性质以主要全日分潮与主要半日分潮的平均振幅比值F(示性系数)来判别

潮汐示性系数按下式计算

(2)

当F≤0.5时为正规半日潮；当0.5

采用上式计算的结果如下：H1站的潮汐示性系数F为0.59，H2站的潮汐示性系数F为0.60，H3站的潮汐示性系数F为0.63，潮汐示性系数都大于0.5小于2.0，则该海域的潮汐性质属于不正规半日潮。

3 潮位特征值

根据3个周年潮位站历时1 a的潮位数据统计，得到各站每月和周年潮位特征值如表1～表3所示。周年观测期间，H1测站最高潮位为306 cm(2019年8月)，最低潮位为-254 cm(2020年1月)，最大潮差374 cm(2019年8月)，年平均潮差234 cm，年平均涨潮历时为5:20，平均落潮历时为7:06，涨潮历时小于落潮历时，平均海平面45 cm。H2测站最高潮位为295 cm(2019年8月)，最低潮位为-245 cm(2020年1月)，最大潮差364 cm(2019年8月)，年平均潮差224 cm，年平均涨潮历时为5:33，平均落潮历时为6:50，涨潮历时小于落潮历时，平均海平面45 cm。H3测站最高潮位为294 cm(2019年8月)，最低潮位为-236 cm(2020年1月)，最大潮差344 cm(2019年8月)，年平均潮差209 cm，年平均涨潮历时为5:46，平均落潮历时为6:38，涨潮历时小于落潮历时，平均海平面45 cm。

表1 H1站潮位特征值Tab.1 Tide level characteristic values of H1 station cm

表2 H2站潮位特征值Tab.2 Tide level characteristic values of H2 station cm

表3 H3站潮位特征值Tab.3 Tide level characteristic values of H3 station cm

4 平均海平面

图2 各站月平均海平面变化趋势图Fig.2 The monthly mean sea level change trend of each station

周年潮位观测期间(2019年4月1日～2020年3月31日)，H1站、H2站、H3站的年平均海平面均为45 cm，各站逐月平均海平面变化见表4和图2。

平均海平面的变化，主要受天文、气象等因素的影响。由表4和图2可知，各站的月平均海平面，7月、8月份较高，12月～翌年3月份较低。7月份的平均海平面最高，H1站、H2站、H3站分别为71 cm、72 cm、70 cm；12月份的平均海平面最低，H1站、H2站、H3站分别为20 cm、20 cm、22 cm。H1站、H2站、H3站月平均海平面周年差(最高月份与最低月份的差值)分别为51 cm、52 cm、48 cm。

表4 各站月平均海平面Tab.4 Monthly mean sea level of each station cm

图3 各站基面关系图Fig.3 The relationship between the base level of each station

5 理论最低潮面

采用潮汐调和分析得到的主要分潮调和常数，根据《水运工程测量规范》(JTS131-2012)附录F和相关文献[11]的研究成果进行理论最低潮面的计算，3个潮位观测站所得计算结果在实测周年平均海平面之下分别为245 cm、238 cm和228 cm，基面关系图如图3所示。

根据搜集到的历史资料[12]，长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局于2010年6月在涧河口沿岸进行整月潮位观测，分析计算得到的理论最低潮面位于平均海平面下252 cm，与本次沿岸观测站H1的计算结果之间相差约2.8%，这也较好地验证了双方的观测成果。

表5 各站设计高低水位Tab.5 Design high and low water levels of each station

6 设计高、低水位

利用该海域各站连续1 a的逐时实测潮位数据，绘制历时累积频率曲线，在曲线上摘取1%和98%的潮位值，即为设计高水位或设计低水位。H1站的设计高水位为205 cm，设计低水位为-135 cm；H2站的设计高水位为203 cm，设计低水位为-129 cm；H3站的设计高水位为195 cm，设计低水位为-120 cm(见表5)。

7 结论

(1)该海域的潮汐性质属于不正规半日潮。H1站最高潮位为306 cm，最低潮位为-254 cm，最大潮差374 cm，年平均潮差234 cm，年平均涨潮历时为5:20，平均落潮历时为7:06。H2站最高潮位为295 cm，最低潮位为-245 cm，最大潮差364 cm，年平均潮差224 cm，年平均涨潮历时为5:33，平均落潮历时为6:50。H3测站最高潮位为294 cm，最低潮位为-236 cm，最大潮差344 cm，年平均潮差209 cm，年平均涨潮历时为5:46，平均落潮历时为6:38。三个观测站的最高潮位、最低潮位等特征值的出现时刻基本一致，涨潮历时都小于落潮历时，从近岸到离岸的涨落潮历时差逐渐减小。

(2)三个观测站的月平均海平面变化趋势基本一致，且年平均海平面相同。H1站的理论最低潮面在平均海平面下245 cm；H2站的理论最低潮面在平均海平面下238 cm；H3站的理论最低潮面在平均海平面下228 cm。

(3)H1站的设计高水位为205 cm，设计低水位为-135 cm；H2站的设计高水位为203 cm，设计低水位为-129 cm；H3站的设计高水位为195 cm，设计低水位为-120 cm。