一种潮位潮流双因素控制的航道设计及乘潮水位确定方法

摘要

一种潮位潮流双因素控制的航道设计及乘潮水位确定方法，1对航道进行合理通航分段；2概化船舶通航过程，建立通航时间尺；3构造潮位单因素乘潮典型潮曲线；4结合潮位、潮流同步曲线，构造潮流、潮位双因素控制乘潮典型潮曲线；5匹配通航时间尺与典型潮曲线，若潮位利用最优时船舶能避开潮流限制时段，则用平行截取法确定乘潮水位；若否，则进行下一步；6进行典型通航过程分析，选取潮位利用最优者为乘潮水位；7根据乘潮水位和设计通航水深确定航道设计底标高。本发明克服现有航道底标高确定忽略潮流影响的不足，提出了潮流潮位双因素控制下航道底标高设计方法，能较好应用于潮流影响明显的岛礁、防波堤口门等航道设计及乘潮水位的确定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种航道设计及乘潮水位确定方法，特别是一种潮位潮流双因素控制的航道设计及乘潮水位确定方法，属于水运交通科技领域。

背景技术

乘潮水位是沿海航道设计的重要参数之一。早期航道建设条件相对简单，航道设计过程中就乘潮水位的确定往往仅考虑了潮位这一单因素，这对船舶航行不受潮流影响或潮流影响较小的海域是可行的。然而随着航道建设条件趋于复杂化，对于需通过岛礁狭口、防波堤口门等大流速或差流态的航道，潮流对船舶通航的影响就不可忽视。

为了改善或减弱潮流对船舶航行的不利影响，现有技术中通常有两类措施：一是采取工程措施，如岛礁海域局部炸礁、优化防波堤口门布置等；二是采取管理措施，在通航管理上考虑“潮流窗口”的影响，如避开高流速时段、选择合理通航时机通航。

现有航道设计及航道通航水位的确定均忽略了潮流的影响，而就受潮流影响明显的岛礁、防波堤口门等复杂海域，潮位潮流双因素控制下航道底标高和乘潮水位的确定尚无成熟方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：客服现有航道设计仅考虑潮位单因素影响时，不能较好运用在导堤口门及岛礁海域等复杂海域的不足，提供一种综合考虑潮位潮流双因素控制的航道设计及乘潮水位确定方法。该方法设计的航道使得设计船型通航过程中既能科学合理避开潮流影响的同时，又能达到潮位利用相对最优。

本发明特征在于包括以下步骤：

步骤一，根据航道沿程水深分布、潮流限制航段的空间位置，对研究航段进行合理分段；

步骤二，概化船舶乘潮通航过程，建立船舶通过研究航段的通航时间尺；

步骤三，通过对潮位资料进行统计分析，得到不同乘潮历时对应的乘潮累积频率曲线，并在此基础上构造考虑潮位单因素情况下设计要求乘潮累积频率对应的典型潮曲线；

步骤四，根据潮位、潮流同步曲线，确定潮流限制时段相对于高潮位的时间，进一步构造考虑潮流、潮位双因素的乘潮典型潮曲线；

步骤五，将通航时间尺与典型潮曲线进行匹配，分析潮位利用最优时是否满足限制段通航安全要求，即船舶通过潮流限制段的时间是否能避开潮流限制时段；若是，取潮位利用最优时对应的乘潮水位为乘潮水位设计值；若否，则进行步骤六；

步骤六，结合潮流限制时段对两种临界状态的通航过程进行分析，选取通航安全条件下潮位利用最优者，即两种情况下乘潮水位较大者为乘潮水位设计值；

步骤七，根据确定的乘潮水位，减去设计船型的设计通航水深，最终得到航道设计底标高。

与现有的技术相比，本发明的优点为：

1、本发明是一种能同时考虑潮流、潮位双因素的航道设计及乘潮水位确定方法，克服潮流对通航有限制的复杂航道在设计乘潮水位时忽视潮流因素的不足，在避开潮流限制时段的同时，使潮位利用相对最优。

2、本发明让船舶航行、潮波传播两个动态过程，以及潮流影响窗口呈现于同一工作图上，使得复杂航道设计时，潮流、潮位、船舶航行等关键要素同时呈现在图上，使得航道设计和乘潮水位的取值更为直观。

本发明适用于岛礁狭口、防波堤口门等受潮流因素影响较大复杂航道的设计及乘潮水位的确定。

附图说明

图1是本发明所述一种潮位潮流双因素控制的航道设计及乘潮水位确定方法的流程图。

图2是船舶乘潮进港航行示意图。

图3是在潮位流速同步过程曲线上确定潮流限制时段示意图，图中潮位起算基面为当地理论最低潮面，流速“+”表示落潮流速，“-”表示涨潮流速。

图4是考虑潮流影响后的乘潮典型潮曲线。

图5是考虑潮流影响后进港乘潮水位取值分析示意图。

图6是考虑潮流影响后出港乘潮水位取值分析示意图。

图7是航道水深分布及通航分段示意图。

图8是舟山宁波港鱼山作业区进港航道考虑潮流影响后典型潮曲线及乘潮水位取值分析示意图。

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：

1.船舶乘潮进港

步骤一，航道合理分段：如图2所示，船舶沿涨潮方向乘潮通过AD航段，沿程经过长期潮位站甲。根据航道水深分布和潮流限制段位置，将航道分为AB、BC和CD三个区段（其中BC为限制段），对应长度分别为L_AB、L_BC和L_CD。

步骤二，概化通航过程，建立通航时间尺：根据船舶进港设计航速，并考虑一定的时间富裕，得到三个区段的乘潮历时分别为T_AB、T_BC和T_CD，组成通航时间尺，以此概化船舶乘潮进港的通航过程。

步骤三，根据工程区潮位资料，构造考虑潮位单因素情况下的典型潮曲线：根据潮位站完整1年及以上的潮位资料统计其不同乘潮历时、不同乘潮保证率对应的乘潮水位，然后在此基础上构建考虑潮位单因素情况下设计要求乘潮累积频率P（如P取90%）对应的典型潮曲线。

步骤四，确定潮流限制时段，构造考虑潮流、潮位双因素的乘潮典型潮曲线：根据明确潮流对船舶通航的限制条件，根据潮位、流速同步曲线确定潮流限制时段相对于高潮位出现的时间，如图3所示；将潮流限制时段融入典型潮曲线中构成考虑潮流、潮位双因素的乘潮典型潮曲线，如图4所示。

步骤五，将通航时间尺与典型潮曲线进行匹配，分析潮位利用最优时是否能避开潮流限制时段：首先分析仅考虑潮位利用最优的情况（如图5情况①所示），判断船舶通过潮流限制段的时间T_BC是否避开潮流限制时段。若是，取情况①对应的平行截取典型潮曲线对应的乘潮水位h₁为乘潮水位设计值；若否，则进行步骤六。

步骤六，结合潮流限制时段进行临界状态的通航过程分析，选取通航安全条件下潮位利用最优者为乘潮水位设计值：分析两种临界状态的通航过程，第一种如图5情况②所示，涨潮期间，船舶在潮流限制时段末尾驶入潮流限制航段，得到通航时间尺与典型潮匹配对应的乘潮水位h₂；第二种如图5情况③所示，落潮期间，船舶在潮流限制时段初始驶出潮流限制航段，得到通航时间尺与典型潮匹配对应的乘潮水位h₃。然后取情况②乘潮水位h₂与情况③乘潮水位h₃中较大者为乘潮水位设计值。

步骤七，根据确定的乘潮水位，减去设计船型的设计通航水深，最终得到航道设计底标高。

2.船舶乘潮出港

船舶乘潮出港时，过程与船舶乘潮进港类似。首先参考船舶乘潮进港过程步骤一到四构建通航时间尺和考虑潮流、潮位双因素的典型潮曲线，然后将通航时间尺与典型潮曲线进行匹配，寻找满足通航安全的最优乘潮水位。如图6所示，首先判断情况①潮位利用最优时船舶通过潮流限制段的时间T_CB是否避开潮流限制时段。若是，取情况①对应的平行截取典型潮曲线对应的乘潮水位为乘潮水位设计值；若否，则继续平移通航时间尺，分析②、③两种临界情况：情况②如图6所示，涨潮期间，船舶在潮流限制时段末尾驶入潮流限制航段，得到通航时间尺与典型潮匹配对应的乘潮水位；情况③如图6所示，落潮期间，船舶在潮流限制时段初始驶出潮流限制航段，通航时间尺与典型潮匹配对应的乘潮水位。然后取情况②乘潮水位与情况③乘潮水位中较大者为乘潮水位设计值。

以下是舟山宁波港鱼山作业区进港航道设计的具体实施例：

舟山宁波港鱼山作业区进港航道位于舟山中部，航道规划为10万吨级油船乘潮双向航道。航道东接沿海东航路，西至鱼山作业区港池水域，进港船舶依次通过马岙口外公共航道、灌门航道、马岙内航道和鱼山航道，全长约72.1km。其中在灌门粽子山～龙王跳咀段有长约2.5km的狭口段局部时段流速较大，为潮流限制段。现结合舟山宁波港鱼山作业区进港航道来说明本发明的具体实施步骤。（本案例只考虑进港）

步骤一，航道合理分段：依据航道水深分布和潮流限制段位置将潮流限制段至乘潮航段按进港方向依次分为狭口区潮流限制段、中部深槽段、乘潮浅段，结果如图7所示。

步骤二，概化通航过程，建立通航时间尺：设计船型为10万吨级油船，设计航速按8kn考虑，并考虑一定的时间富裕，得到设计船型通过三个区段的历时依次为0.5h、0.8h和1.5h，如图7所示。

步骤三，通过对潮位资料进行累积频率分析，构造考虑潮位单因素情况下设计要求乘潮累积频率对应的典型潮曲线：首先采用乘潮区段附近长白北潮位站的潮位资料，统计得到该站不同乘潮历时对应的乘潮累积频率曲线，并在此基础上绘制考虑潮位单因素情况下设计要求乘潮累积频率90%对应的典型潮曲线。

步骤四，确定潮流限制时段，构建考虑潮流、潮位双因素的典型潮曲线：接下来需确定潮流限制条件，潮流限制时段或允许通航时段。根据《舟山灌门航道及附近海域通航安全管理规定》，大吨位船舶必须选择流速小于1.5kn的缓流时段通过灌门航道狭口段。另外，根据结合国家海洋局第二海洋研究所《马岙航道窄口处缓流通航专用预报表》分析成果，灌门狭口段流速小于1.5kn的可通航缓流时段出现在高潮前4.3h~3.3h，以及高潮后的1.2~2.3小时，其它时段为潮流限制时段。据此得到考虑狭口段潮流影响后的典型潮曲线如图8所示。当然由于潮波传播速度远大于船舶航行速度，且本工程从狭口段至乘潮浅段里程不长，在此未考虑狭口段至乘潮浅段的潮波传播延时。

步骤五，将通航时间尺与典型潮曲线进行匹配，分析潮位利用最优时是否满足限制段通航安全要求：就乘潮水位设计取值而言，首先分析图8情况①中乘潮浅段历时1.5h平行截取典型潮曲线对应的乘潮通航过程。该过程乘潮浅段的潮位利用最优，为2.71m；但该通航过程设计船型通过狭口段时没能避开潮流限制时段，因此对应的乘潮水位不能作为本航道进港乘潮水位的设计取值。

步骤六，结合潮流限制时段进行临界状态的通航过程分析，选取通航安全条件下潮位利用最优者为乘潮水位设计值：在此，平移通航时间尺，进一步考虑如下两种通航过程：

（1）图8中情况②对应的通航过程：涨潮期间，设计船型在狭口段潮流允许通航时段末期驶出潮流限制航段，对应的乘潮水位为通航过程中乘潮浅段历时（非全部通航时间）各时刻对应典型潮曲线潮位的最小值，即图8情况②对应的乘潮水位2.12m。

（2）图8中情况③对应的通航过程：落潮期间，设计船型在狭口段潮流允许通航时段初期驶入潮流限制航段，对应的乘潮水位为通航过程中乘潮浅段历时各时刻对应典型潮曲线潮位的最小值，即图8情况③对应的乘潮水位1.48m。

本工程航道乘潮水位设计取值取以上两种典型情况下乘潮水位的较大值，即取2.12m；该合理乘潮水位取值明显小于不考虑狭口段时的乘潮水位2.71m。

步骤七，按乘潮水位设计取值2.12m，设计船型10万吨油船的设计通航水深17.8m，得到航道设计底标高为-15.7m。