船舶进出港富裕水深测量系统设计与应用

于守水

（青岛港国际股份有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

船舶靠离泊过程经过港口航道浅点处时，由于船舶行驶导致船体周围水流发生变化，从而使船体下沉，操纵性能变差，极易发生船舶触底、触礁、搁浅或失控现象[1]。因此，为了避免这种情况的发生，航海者在进入浅水域航道时必须提前充分了解航道内船底与水底的安全距离。通常的做法是预先确定船舶通过浅点（浅水域）时的富裕水深来保证船舶的安全。

港口水深会受现实环境中潮汐的影响，在高低水位转换期间，水深会发生巨大变化，不同类型船舶的富裕水深也会发生变化，获取实时潮汐信息对富裕水深的计算尤为重要[2]。获取港口潮汐数据，计算船舶靠离泊的实时富裕水深，可以针对不同船舶制定合理的航行方案，提高船舶入港的安全性，因此亟需建立潮汐环境下富裕水深的计算模型，实时监测并计算入港船舶的富裕水深，为港口的安全生产作业提供数据支撑。

1 潮汐监测与预报系统设计

1.1 潮汐监测系统

潮汐监测系统采用潮汐传感器5218R，具有数据采集、数据处理、数据发布等功能，能够向靠离泊船舶提供准确实时的富裕水深信息，保证航行安全。潮汐监测系统安装简单便捷，既可以固定在浅水海底也可以安装在水中某个固定的构筑物上。数据信号主要通过传感器收集，并将其处理成统一的数据格式。潮汐监测系统电耗较小，仅需要5V～14V 的电压即可正常工作。另外，潮汐监测系统支持4G 数据传输进行实时远程数据传输。

图1 为潮汐测量系统的数据流图，通过5218R 潮汐传感器获取港口潮汐压力、潮位、潮压、温度、特定波高、最大波高和平均周期等实时潮汐信息，原始数据中通常会包括很多噪声，如重复数据、缺失值和异常值等，通过数据清洗以及数据变换的方法对原始潮汐数据进行处理，将原始数据转换为利于处理的统一规范格式，对处理后的潮汐信息进行富裕水深计算需要从分潮表和专列表中获取分潮角速率、振幅改正值和分潮初相角，还需获取靠离泊船舶上传的船舶下沉量信息，将获取的信息与实时潮汐信息进行结合计算富裕水深，并向靠离泊船舶发送。另外，系统会将计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储到潮汐信息数据库中。

图1 潮汐测量系统流程图

1.2 潮汐预报系统

船只靠离泊时通常根据潮汐表判断潮位，但是这种方法存在一定的局限性。潮汐的潮高受气象等因素影响，不同的天气会带来增水、减水现象，而潮汐表主要给出的是验潮站处的天文潮位。岛礁、岬角等复杂的地形也会对潮汐的流带来影响，码头前沿水域的潮流的实际流向可能与潮汐表中潮汐流向存在差异，有些水域特定时段甚至与潮汐表中的流向相反[3]。潮汐表所给出的数据为是某验潮站的点潮汐参数，对港口区域内特别是码头前沿的潮汐的潮高、潮流参数预报存在一定误差。以青岛董家口港为例，其港口潮汐为规则半日潮类型，码头前沿水域潮流也有时会出现较大的水域范围内涨流与落流共存的情况。这种复杂的潮汐环境，船舶仅凭潮汐表对港区的潮汐进行判断，极易造成船舶靠离泊、稳泊期间发生触碰码头、断缆等事故发生。为了避免事故的发生，港口应该通过实测数据向到港的船舶发送潮汐预报。

潮汐预报可以对港口对未来一段时间内的潮汐涨落情况进行的推算和预报，潮汐预报主要采用调和法对潮汐潮高进行计算，通过对获取的潮汐数据提取调和常数，由调和常数计算出潮高并向靠离泊的船舶发送实时的潮位信息[4]。潮位变化取决于地球、月球和太阳的相对位置变化，潮高表达式如公式（1）所示。

式中：σ为分潮角速率，可查分潮表得到，f和（v0+u）分别为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，可查专列表，其中u为初相角误差，t为测站所在经度的地方时，H为平均振幅，k为地方迟角。H、k是由地理位置决定的，对固定的地点近似为恒量，因此称为调和常数。

计算调和常数通常选用特定的分潮绘出一条余弦曲线，如公式（2）所示。

叠加后的曲线即能反映出复杂的实际潮汐过程。将该式对应分潮潮高，如公式（3）所示。

可求得调和常数如公式（4）和公式（5）所示。

其中R和Q为观测到的实际振幅和迟角。

1.3 潮汐传感器技术指标

潮汐传感器5218R 输出参数包括潮位、潮压、平均周期和最大周期等指标。传感器5218R 通过一根较长的电缆采用RS422 通信方式进行实时数据传输，最大通信距离可达1200m。性能指标见表1。

表1 传感器5218R 技术指标

2 富裕水深计算方法

船舶的富裕水深指船舶航行时船底以下必须保留的水深余量，是防止船舶拖底、触底和搁浅的水深保留量[5]。船舶航行时如果富裕水深保留过多，那么船载过少导致效益受损；如果富裕水深不足，则会造成船舶搁浅。船舶过航道浅点时需要合理地利用高潮，短时间内快速通过。确定合理的富裕水深，对保证船舶安全和船舶运输效益具有重要的意义。

富裕水深与船舶下沉量、潮高和海图水深的关系如公式（6）所示。

2.1 海图水深

海图水深是海图所载水深的起算面，又叫深度基准面[6]。水深测量通常是在波涛起伏的水面上进行的，因此同一测量点不同时刻的测量值都不相同，这个差值随各个区域的潮汐涨落不同而不同，在港口区域更为明显。为了修正测量水深中的潮高水深，必须确定一个起算面，把不同时刻测得的某点水深归算到这个面上，这个面就是深度基准面。通常把最低潮面的水深作为海图水深。

2.2 潮汐潮高值

由于太阳和月亮引力的作用，海水在不断进行涨潮和退潮这一周期性运动，习惯上把海面周期运动垂直方向的涨落称为潮汐。潮汐的潮高受多种因素影响，例如气象、河流、水域以及水质密度等，潮汐无时无刻不在发生变化[7]。

潮汐监测和预报系统借助实时探测出的潮汐数据通过调和常数法准确预报出未来12h 的潮汐参数及潮汐变化。而潮汐表所给出的潮汐数据仅是某验潮站的潮汐参数，是点潮汐参数，对港口区域内特别是码头前沿的潮汐的潮高、潮流参数预报存在一定误差[8]。

2.3 船舶下沉量

2.3.1 船舶下沉量估算方法

船舶下沉量受到各种外在因素的影响，因此有多种针对不同因素的船舶下沉量估算方法，分为经验公式和计算公式，以下列举了几种船舶下沉量的估算方法。

《英版航海手册》推荐的3 个经验公式如公式（7）～公式（9）。

式中：V为船速（kn）。

适合于h/d在 1.08～ 2.78，Cb在 0.50～ 0.90 的船舶在浅水水域船首下沉量，按照公式（10）和公式（11）计算。开敞浅水水域如公式（10）所示。

受限浅水水域如公式（11）所示。

式中：h为水深（m）；d为吃水（m）；V为船速（kn）；Cb为船舶方型系数。

狭窄航道中下沉量如公式（12）所示。

式中：n2为速度回复系数，n2=A2/A1。A2为船舶水下横截面积；A1为航道剩余横截面积。

Hooft 计算公式表示，船首的下沉量如公式（13）所示。

式中：S1为船体平均下沉量，S2为纵倾变化引起的首倾量。

船体平均下沉量计算如公式（14）所示。

式中：Lpp为船舶垂线间长（m）；▽为船舶排水体积；F2nh为水深傅汝德数。

式中：g 为重力加速度 9.807 m/s2；V为船速（m/s）；h为水深（m）。

由此可见，船体下沉量与水深、船舶尺度及船速有关，特别是与船速紧密相关。

纵倾变化引起的首倾量如公式（16）所示。

2.3.2 不同估算方法比较

选取具有代表性的船舶进行分析。某船舶满载货物，船长Lpp=299m，船宽B=45m，吃水d=18m，方形系数Cb=0.835，水深-17m，高潮潮高2.5m，港道底宽180m，假定船舶以不同的速度航行时（进航道后实际航速要减到7 节以下。采用公式7～公式（13）进行计算，分析比较上述各公式发现，方法（11）和（12）计算的在受限浅水水域和狭窄航道中的下沉量，明显大于其他方法。通过分析发现，船型越宽，吃水越大；航道越窄，船体下沉量就越大。在其他条件相同的情况下，在狭窄水域航行的船舶的下沉量近似为在开敞水域航行船舶下沉量的2 倍。

方法（7）在船速较低时得出的下沉量偏大；方法（8）下沉量与船速保持为线性关系，实际并非如此，仅适用于某一速度段范围内；方法（9）没有考虑到船型、水深等因素的影响，通过这种方法得出的下沉量误差较大；方法（10）和（13）适用于开敞的浅水水域，因此，方法（7）～（10）和方法（13），并不适合大型船舶下沉量的估算；方法（11）适合受限浅水水域，适用于浅水域；方法（12）考虑了船速、方形系数及所处航道宽度和深度对下沉量的影响，适合于航道内下沉量的估算。潮汐监测与预报系统主要应用于港口，港口区域典型特征为船舶种类繁多且以大型船舶为主，因此该系统选择公式（12）计算港口航道内的船舶下沉量，考虑各种因素对船舶下沉量的影响，确保计算出接近真实值的船舶富裕水深。

3 应用

3.1 为靠离泊提供辅助决策

一些潮汐港的作业计划受到潮汐影响较大，不考虑潮汐影响的停泊计划和泊位分析，通常无法适用潮汐港。该系统将潮汐港潮汐变化考虑在内，通过实时获取潮汐数据计算富裕水深，针对不同船舶的特点，为靠离泊提供辅助决策，提高港口作业的效率。潮汐监测和预报系统可以为船舶的靠离泊提供辅助决策。以某个港口的某条航道中的同一艘船为例，假设海图水深固定为15m，借助潮汐监测和预报系统计算出不同时刻的潮汐值，根据海水水深计算出船舶下沉量以及船舶富裕水深，计算结果和实测结果吻合，富裕水深结果对比见表2，证实系统适用于港口的应用。

表2 不同潮高富裕水深结果对比

3.2 为进出港提供安全预警分析

通过实时获取船舶航行路线上的潮汐信息，对船舶靠离泊过程中的船舶富裕水深进行预估，若富裕水深不能满足船舶的吃水量要求，则向入港船舶发送预警信息，让船舶提前做出风险规避，降低发生事故的风险，尽可能保证人员的安全。

3.3 为科研工作提供数据支撑

富裕水深测量系统将计算的富裕水深以及获取到的潮汐数据进行存储，富裕水深是对不同吃水量船舶计算得到的，且随着经济发展，港口船舶数量日益增长，通过富裕水深测量系统可以获取大量不同类型船舶的富裕水深信息，为船舶近岸海域安全航行研究提供数据支撑。系统也会将获取的潮汐数据进行存储，通过这些实时获取的潮汐数据，可以更加科学、准确地分析潮汐的涨落规律。

4 结论

通过在港口布设的潮汐监测与预报系统，能够实时获取潮汐数据，计算船舶停离泊时的富裕水深，降低了流态复杂的港区对富裕水深计算的影响，且富裕水深计算结果与实测富裕水深误差小于0.1m。对不同流态的港口也能合理安排船舶进出港方案，最大限度地保证港口秩序平稳进行。在确保船舶安全的同时提高了船舶进出港的效率，为未来港口船舶进出港智能一体化提供了技术参考，为港口企业平稳快速发展奠定良好基础。