CN107330167B - 一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法，1确定航道关键疏浚段；2概化设计船型乘潮通航过程；3沿航道设置虚拟潮位站，推求虚拟站潮位值，并对各站潮位进行时间离散；4采用多站联合试算法推求单个潮过程的最优乘潮过程和对应各浅段的乘潮水位；5对全年所有潮过程的乘潮水位进行累积频率分析，得到各乘潮浅段的乘潮水位累积频率曲线和相应的乘潮水位设计取值。本发明能同时考虑船舶航行、潮波传播和航道水深三者耦合匹配的滩槽相间长航道变底标高乘潮水位的确定方法，克服以往长航道乘潮水位计算中全程采用同一设计底标高不能充分利用高潮位资源不足问题，并且计算精度优于现有作图法，能有效减小航道基建和维护疏浚工程量，降低工程投资。

Description

一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法

技术领域

本发明涉及一种航道设计乘潮水位的确定方法，特别是一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法，属于水运交通科技领域。

背景技术

乘潮水位是航道设计底标高确定的关键参数之一。关于乘潮水位的计算，早期由于航道里程和乘潮历时相对较短，仅需进行单站乘潮水位的计算，计算方法相对成熟。随着沿海港口规模的增加和船舶大型化，航道建设规模增加，航道乘潮区段变长，且沿程多个潮位站，现有规范方法存在明显不足。2010年徐元、黄志扬等提出了一种长航道乘潮水位多站联合计算法，该方法综合考虑了船舶航行和潮波传播两个动态过程的，很好的弥补了乘潮水位单站法的不足；但该方法没有考虑船舶航行和潮波船舶动态过程与航道水深的匹配问题，仅适用于航道全程同一设计底标高的情况。2017年黄志扬等提出了采用构造典型潮的方法计算长航道乘潮水位的方法，但该方法主要为作图法，计算精度相对较差。

对于长航道设计而言，航道全程采用同一设计底标高忽视了潮位利用与水深的匹配，潮位利用往往不是最优。比如潮汐河口航道滩槽相间，拦门沙段往往为关键疏浚段，其不仅基建疏浚量最大、而且后期维护相对困难，比较科学的乘潮方式是在尽量利用高潮位通过拦门沙河段的同时，兼顾其它浅段潮位利用。尽管上述目的和意图比较明确，但由于计算过程不仅需同时考虑船舶航行、潮波传播和水深分布等多方面因素，而且要考虑各因素间的耦合和匹配，计算难度大，至今尚无可靠计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服以往长航道乘潮水位计算中全程采用同一设计底标高不能充分利用高潮位资源的不足，提供一种能同时考虑船舶航行、潮波传播和航道水深三者耦合匹配的滩槽相间长航道变底标高乘潮水位的确定方法，能有效地降低航道疏浚工程量、后期维护疏浚工程量，节省工程投资。另外新提出方法的计算精度优于已有长航道乘潮水位构造典型潮的作图法。

本发明的具体技术方案包括以下步骤：

步骤1，根据不同浅段基建疏浚工程量大小、以及后期航道维护难易程度等，确定航道关键疏浚段；

步骤2，根据航道通航条件、乘潮长度、以及设计航速，计算设计船型通过各浅段的乘潮时间和通过深槽的通航时间；

步骤3，根据试算和统计精度的要求，在空间上等距离设置虚拟潮位站，在时间上对各长期潮位站和虚拟潮位站的潮位值进行数值离散，得到各个潮位站点相同时间间隔对应的潮位；

步骤4，采用概化的船舶进港、或出港航行过程，通过试算得到单个涨落潮过程中关键疏浚段船舶进港、或出港潮位利用最优的最优乘潮过程，以及该乘潮过程关键疏浚段和其它乘潮段对应的船舶进港、或出港乘潮水位；

步骤5，对全年或多年每个潮过程重复步骤4得到船舶进港、或出港全年或多年所有潮过程最优乘潮过程和各乘潮段对应的乘潮水位，对船舶进港、或出港全年所有潮过程各乘潮浅段的乘潮水位分别进行累积频率分析，得到进港、或出港各乘潮浅段的乘潮水位累积频率曲线和设计要求乘潮保证率对应的乘潮水位。

本发明与现有的技术相比，具有显著的技术效果和优点：

1、本发明是一种能同时考虑船舶航行、潮波传播和航道水深三者耦合匹配的滩槽相间长航道变底标高乘潮水位的确定方法，能克服以往长航道乘潮水位计算中全程采用同一设计底标高不能充分利用高潮位资源的不足，从而减小疏浚工程量、维护疏浚工程量，降低工程投资。

2、本发明在综合考虑了船舶航行和潮波传播两个动态过程的基础上，对全年每个潮位的最优乘潮水位进行累积频率分析，计算精度优于现有长航道乘潮水位的确定方法。

本发明适用于滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定。

附图说明

图1是本发明所述一种滩槽相间长航道设计乘潮水位确定方法的流程图。

图2是船舶乘潮进港及潮位站位置示意图。

图3是船舶进港乘潮过程线示意图。

图4是船舶出港乘潮过程线示意图。

图5是北港航道沿程2007年水深分布及航道控制点位置示意图。

图6是北港航道单个潮过程最优乘潮过程推算示例图。

具体实施方式

以下结合实施例以及附图对本发明作进一步的描述。

本发明结合船舶的实际通航方式，实施方案分为船舶乘潮进港、船舶乘潮出港两种情况，各种情况的技术方法如下：

情况1：船舶乘潮进港情况

如图2所示，船舶沿涨潮方向乘潮通过AF航道段，航道沿程长期潮位站为甲、乙、丙三站。首先，根据不同浅段基建疏浚工程量大小、后期航道维护难易程度等，确定CD段为关键疏浚段，AB、EF段为非关键疏浚段，BC段和DE段为水深相对较好的深槽段。然后，根据航道通航条件和乘潮长度，按一定设计航速，计算设计船型通过各浅段的乘潮时间和通过深槽的通航时间。航道各浅段分别长L _AB 、L _CD 、L _EF ，各深槽段分别长L _BC 、L _DE ，根据各段的长度和船舶设计航速，并考虑时间富裕系数k（取1.1～1.3），得到设计船型沿进港方向通过各航段的历时依次为T _AB 、T _BC 、T _CD 、T _DE 和T _EF 。

其次，将甲、乙、丙三个潮位站各站潮位值按三次样条函数拟合，并按时间间隔Δt（取5mim～10min）进行离散，得到各站间隔Δt 的潮位值。接着沿航道等距离设置虚拟潮位站，并根据长期潮位站资料推算得到各虚拟潮位站j，第i时刻对应的潮位h(i,j)。

下面进行进港乘潮试算：假想从乘潮区段起点（如图3中的j _A 站）的潮谷开始计算，每隔时间Δt出发一艘船，依次通过沿程各虚拟潮位站，完成一个乘潮试算过程；对于单个涨落潮过程的最后一个乘潮试算过程，为船舶到达乘潮区段终点j _F 站时接近该潮过程末期潮谷时刻。单个涨落潮过程中，第i时刻出发的乘潮过程，根据设计航速，在考虑一定时间富裕系数k后，通过各虚拟站j的潮位为

（i=0，1，…，I；j=j _A ，j _A + 1，…，j _F ）。

接下来确定关键疏浚段最优利用潮位：单个潮过程的共I次试算过程中，原则上有且仅有一个航次满足关键疏浚段CD段潮位利用最优，其满足式1的条件。此时关键疏浚段CD段的乘潮水位h _CD 为

（1）

式中：

i—船舶从jA站的出发时刻；

k—时间富裕系数，一般取1.1～1.3；

ΔS—相邻虚拟潮位站间的距离,km；

v—船舶航行的设计航速,km·s^-1。

通过计算得到满足式1的出发时刻为i=i ₀ ，则该时刻出发船舶乘潮通过该航道的过程为最优乘潮过程，并可得到船舶通过各虚拟站j的潮位为

。则此时对应其它非关键疏浚段（AB段、EF段）的乘潮水位为船舶通过各乘潮段的虚拟站潮位最小值，即

（j=j _A ，j _A +1,…，j _B ） (2)

（j=j _E ，j _E +1,…，j _F ） (3)

至此，已得到单个潮过程的关键疏浚段乘潮利用最优时各段乘潮水位h _CD 、h _AB 、h _EF ，可参照《海港水文》规范中单站乘潮水位的计算方法，对全年或多年每个潮过程的关键疏浚段乘潮利用最优时各段乘潮水位h _CD 、h _AB 、h _EF 按从大到小进行排序，得到CD段、AB段、EF段不同乘潮累积频率对应的乘潮水位曲线，进而可得到航道要求的乘潮保证率（规范一般取乘潮保证率90%～95%）对应的乘潮水位设计取值。

情况2：船舶乘潮出港情况

乘潮出港时，船舶航行方向与潮波传播方向相反。船舶出港乘潮水位的计算方法与进港类似，但是是沿出港方向从乘潮区段终点虚拟站（如图4中的j _F 站）的潮谷开始计算，到起点虚拟站j _A 结束。根据船舶设计航速，在考虑一定时间富裕系数k后，可得到第i时刻出发艘次船舶按出港方向到达各虚拟站j的潮位为

，如图4所示。其中，最后一个结束试算的乘潮过程为船舶到达虚拟站j _A 的时刻接近该潮过程末期潮谷时间。

接下来确定关键疏浚段最优利用潮位：对于单个涨落潮过程的共I次试算过程中，关键疏浚段CD潮位利用最优的判别式为式4，对应的出港乘潮水位h _DC 为

（4）

式中i—船舶从j _F 站对应的出发时刻；其它符号含义同前所述。

通过计算得到满足式4的出发时刻为

，则该时刻出发船舶乘潮通过该航道的过程为最优乘潮过程，并可得到船舶通过各虚拟站j的潮位为

。则出港时相应非关键疏浚段（FE段和BA段）该潮过程的乘潮水位h _FE 、h _BA 分别为

（j=j _F ，j _F －1，…，j _F ） (5)

（j=j _B ，j _B －1，…，j _A ） (6)。

最后按照前面进港乘潮水位计算，对不同乘潮段全年或多年每个潮过程出港乘潮水位分别进行累积频率分析，同样可以得到出港乘潮水位设计取值。

以下结合长江口北港航道的实施例进一步阐述本发明的具体实施步骤，本实施例中只考虑进港。

长江口北港航道目前为自然水深航道，规划建设规模为满足3.5万吨级散货船乘潮双向通航，同时兼顾5万吨级散货船减载乘潮双向通航，设计船型按重载进、轻载出考虑。航道从口外深水区穿过河口拦门沙、沿北港深槽，通过新桥通道后与长江口12.5m深水航道相连接，航道全长97.3km。

首先确定航道关键疏浚段：如图5所示的2007年水深分布来看，沿程有两处不连续浅滩，一处位于北港拦门沙段，长约50.8km，最浅水深5m；另一处位于北港入口中央沙北侧，长约11.1km，最浅水深约7.3m。两处浅滩之间为相对深槽，深槽段长约27.9km。根据航道沿程水深分布，乘潮分析时将航道分为拦门沙浅段、中部深槽段、上游浅段三个区段，其中拦门沙浅段（AC段）基建疏浚工程量大、并且为后期回淤相对较大的区段，为本航道关键疏浚段。然后确定乘潮历时：设计船型3.5万吨级散货船满载吃水11.2m，对应设计水深12.9，按设计航速10kn，并考虑一定的时间富裕后得到乘潮历时为6.5h。

其次在空间上沿航道等距离布置虚拟潮位站，为了图上表示清楚，仅显示几个关键的控制点A，B…K，如图5所示。在时间上以鸡骨礁、共青圩、堡镇和南门四个长期潮位站点2007年全年的潮位资料为原始资料，对各长期潮位站和虚拟潮位站的潮位值按三次样条函数法等以一定的时间间隔Δt进行数值离散，得到各个潮位站点各个时刻对应的潮位。

接下来确定关键疏浚段最优利用潮位：对于单个涨落潮过程，沿进港方向从乘潮区段起点A的潮谷开始计算，每隔时间Δt出发一艘船，依次通过沿程各虚拟潮位站，完成一个乘潮试算过程；对于单个涨落潮过程的最后一个乘潮试算过程，为船舶到达乘潮区段终点站H时接近该潮过程末期潮谷时刻。

按照前述方法，推算单个潮过程的最优乘潮过程和各浅段的乘潮水位，其中航道关键位置2007年6月7日实测潮位曲线，以及拦门沙段最优乘潮过程线如图6所示。该单个潮过程拦门沙浅段乘潮水位为3.31m，上游浅段乘潮水位为2.84m，两种相差0.47m。同样方法计算得到拦门沙浅段和上段浅段2007年全年每个潮过程的乘潮水位。

最后按照前面计算方法，对AC、FH段全年或多年每个潮过程出港乘潮水位分别进行累积频率分析，得出进港乘潮水位设计取值。其中该航段设计乘潮保证率取90%，则拦门沙浅段和上游浅段对应的乘潮水位分别为2.66m和2.20m。设计船型3.5万吨级散货船满载吃水11.2m，对应设计水深12.9m，结合乘潮水位计算结果，得到拦门沙浅段和上游浅段航道设计底标高分别为-10.2m和-10.7m，底标高相差0.5m。

疏浚工程量的对比：前面计算得到航道拦门沙浅段和上游浅段设计底标高分别为-10.2m和-10.7m，航道通航宽度300m，航道边坡取1:10，计算得到航道设计断面疏浚工程为5815万m³；若按全程同一设计底标高考虑，航道乘潮6.5小时、乘潮保证率90%对应的乘潮水位为2.32m，则航道设计底标高为-10.6m，航道设计断面工程量为5162万m³，如表1所示。对比表明，采用变底标高设计比同一底标高设计的断面疏浚工程量减小653万m³，减小了11.2%。另外，采取变水深设计后，拦门沙航道段浚深减小，也有利于降低后期的维护疏浚量。

表1 不同设计底标高方案航道设计断面疏浚工程量对比。

Claims (6)

1.一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，根据不同浅段基建疏浚工程量大小、以及后期航道维护难易程度在内的多种因素，确定航道关键疏浚段；

步骤2，根据航道通航条件、乘潮长度、以及设计航速，计算设计船型通过各浅段的乘潮时间和通过深槽的通航时间；

步骤3，根据试算和统计精度的要求，在空间上等距离设置虚拟潮位站，在时间上对各长期潮位站和虚拟潮位站的潮位值进行数值离散，得到各个潮位站点相同时间间隔对应的潮位；

步骤4，采用概化的船舶进港、或出港航行过程，通过试算得到单个涨落潮过程中关键疏浚段船舶进港、或出港潮位利用最优的最优乘潮过程，以及该乘潮过程关键疏浚段和其它乘潮段对应的船舶进港、或出港乘潮水位；

步骤5，对全年或多年每个潮过程重复步骤4得到船舶进港、或出港全年或多年所有潮过程最优乘潮过程和各乘潮段对应的乘潮水位，对船舶进港、或出港全年所有潮过程各乘潮浅段的乘潮水位分别进行累积频率分析，得到进港、或出港各乘潮浅段的乘潮水位累积频率曲线和设计要求乘潮保证率对应的乘潮水位。

2.根据权利要求1所述的一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法，其特征在于：在步骤1中，根据航道沿程水深分布对航道进行分段，确定航道关键疏浚段和非关键疏浚段。

3.根据权利要求1所述的一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：根据试算和统计精度的要求，在空间上航道沿程按相同距离设置虚拟潮位站，虚拟站的潮位值根据长期潮位站按距离加权插值得到，在时间上对各长期潮位站和虚拟潮位站的潮位值按三次样条函数法以5～10min的时间间隔Δt进行数值离散，得到各个潮位站点各个时刻对应的潮位。

4.根据权利要求1所述的一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法，其特征在于：在所述的步骤4中，船舶进港乘潮试算及关键疏浚段最优乘潮过程推算过程为：

设潮位站点从起点到终点依次为j _A ，j _A +1，…，j _F ，关键疏浚段为CD段，非关键疏浚段为AB段，对于单个涨落潮过程，沿进港方向从乘潮区段起点j _A 站的潮谷开始计算，每隔时间Δ t出发一艘船，出发的时刻记为i，第i时刻出发船舶依次通过沿程各虚拟潮位站，则完成一个乘潮试算过程；对于单个涨落潮过程的最后一个乘潮试算过程，为船舶到达乘潮区段终点j _F 站时接近该潮过程末期潮谷时刻，单个涨落潮过程中，第i时刻出发的乘潮过程，根据设计航速，在考虑时间富裕系数k后，通过各虚拟站j的潮位为

，其中i=0,1,…,I；j=j _A ，j _A +1,…,j _F ，对于乘潮进港，满足关键疏浚段潮位利用最优的应符合公式（1）的条件，此时关键疏浚段CD段的乘潮水位h _CD 为

（1）

公式中：

i—船舶从j _A 站的出发时刻，

k—时间富裕系数，取1.1～1.3，

ΔS—相邻虚拟潮位站间的距离，km，

v—船舶航行的设计航速，km·s^-1；

通过计算得到满足公式（1）的出发时刻为i=i ₀ ，则该乘潮过程对应的非关键疏浚段AB段的乘潮水位为船舶通过各乘潮段的虚拟站潮位最小值，即

（2）

公式中：

。

5.根据权利要求1所述的一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法，其特征在于：在所述的步骤4中，船舶出港乘潮试算及关键疏浚段最优乘潮过程推算过程为：

设潮位站点从起点到终点依次为j _F， j _F -1 _， … _， j _A ，关键疏浚段为CD段，非关键疏浚段为AB段，沿出港方向从乘潮区段终点虚拟站j _F 的潮谷开始计算，每隔时间Δt出发一艘船，依次通过沿程各虚拟潮位站，完成一个乘潮试算过程，其中，最后一个结束试算的乘潮过程为船舶到达起点站j _A 时的时刻接近该潮过程末期潮谷时间，根据船舶设计航速，在考虑时间富裕系数k后，可得到第i时刻出发艘次船舶按出港方向到达各虚拟站j的潮位为

，其中：i—船舶从j _F 站对应的出发时刻；

对于乘潮出港，船舶航行方向与潮波传播方向相反，对于单个涨落潮过程的共I次试算过程中，关键疏浚段CD潮位利用最优的判别式为公式（3），对应的出港乘潮水位h _DC 为

（3）

公式中：

i—船舶从j _F 站的出发时刻，

k—时间富裕系数，取1.1～1.3，

ΔS—相邻虚拟潮位站间的距离，km，

v—船舶航行的设计航速，km•s^-1；

通过计算得到满足公式（3）的出发时刻为

，则出港时相应非关键疏浚段BA段该潮过程的乘潮水位h _BA 为

（4）

公式中：

。

6.据权利要求1所述的一种滩槽相间长航道设计乘潮水位的确定方法，其特征在于：重复步骤4，对全年或多年的各个潮过程都进行乘潮试算，得到全年或多年所有潮过程最优乘潮过程和各乘潮浅段对应的乘潮水位；采用累积频率分析法，得到各乘潮浅段的乘潮水位累积频率曲线和设计要求乘潮保证率对应的乘潮水位。

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