强海流港口乘潮水位计算方法及应用

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）

摘要：对于需乘潮通航的港口航道，合理确定乘潮水位对于提高船舶通航的安全性以及提高码头营运效率具有重要影响。文章针对强海流港口提出了结合码头前水流条件综合确定乘潮水位的方法。以马迹山25万吨级矿石中转码头扩建工程中航道设计底标高的计算为例，对码头前水流条件进行了分析，提出多种船舶进港靠泊方案，并计算其相应的乘潮水位，最后经过综合比较，为提高船舶装载率及码头营运效率，采用落潮进港落潮流速最小时靠泊方案下的乘潮水位。该方法考虑了船舶航行及靠泊时的多方面安全性，可更经济合理地进行航道设计。

关键词：强海流；航道；乘潮水位

0 引言

随着船舶大型化、专业化和高速化的发展，对港口航道水深的要求越来越高。但目前沿海许多港口航道的天然水深不足以满足全天候通航的吃水要求，需对航道浅段进行疏浚或乘潮进出港。对浅段较长的航道，如采取工程措施疏浚至设计水深要花费巨额投资，而利用潮位乘潮通航可以节省工程量，从而大大降低工程造价。

通常航道和港池水域设计中采用的乘潮水位为根据船舶进港及调头、靠泊的持续时间确定乘潮历时[1]，截取每一个潮峰过程线与此延时相当的水位，并经过统计、计算，最终选取累积频率90%～95%的水位作为乘潮水位[2]。然而这种计算方法对于需乘潮进港的强海流港口来说，当进港航道较长，如果乘潮历时的选取未考虑船舶航行及调头、靠泊时的流速，由于流速的时时变化，可能遇到进港时潮流正处于涨急时，或到码头前调头、靠泊时，流速较大，不利于船舶的安全。

本文提出对于强海流港口，当需乘潮通航时，其乘潮历时及相应乘潮水位的计算除了要考虑船舶进港、调头及靠泊的持续时间以外，还要结合港内水流条件进行综合分析，选择恰当的船舶进港、靠泊时间段，既保证船舶在该乘潮水位下安全通航，又使其调头靠泊时流速处于安全范围内，从而确保船舶安全。本文以马迹山25万吨级矿石中转码头扩建工程中航道设计底标高的计算为例，来讨论该综合分析方法的应用。

1 工程概况

马迹山港位于浙江省嵊泗县泗礁岛西南约1.5 km处的马迹山岛，处于长江口和杭州湾的交汇处。为降低进口铁矿石的远洋运输成本和确保铁矿石运输安全，宝钢于2002年建成了马迹山铁矿石深水中转港。为了适应钢铁企业的发展对进口铁矿石不断增长的需求，需对马迹山矿石中转港进行扩建。扩建工程中航道选线原则为在保证船舶航行安全和满足港区运量的前提下，充分利用天然水深、现有航道和航道设施。一期进港航道自投入运营以来，通航情况良好，因此扩建工程进港航道轴线基本维持一期航道不变，将其拓宽至30万吨级与20万吨级船双向通航的航道。进港航道范围内有约6 km长度的浅段，天然水深不能满足30万吨级船舶进港要求，需要进行疏浚增深。因浅段范围较大，考虑工程的经济性，拟采取船舶乘潮进港的方式[3]。

2 港区水文特性

马迹山港区潮汐日不等现象较为明显，有高潮不等、低潮不等和涨、落潮历时不等的现象，平均涨潮历时5 h 54 min，平均落潮历时6 h 30 min。因此，马迹山海区的潮汐类型属非正规半日浅海潮。

马迹山海区的潮流性质属非正规半日浅海潮流。

3 码头前沿的潮流分析

本文所采用潮流资料为码头附近的大、中、小潮流速观测资料，分别为1995年4月24日—1995年4月25日（小潮）、1995年5月1日—1995年5月2日（大潮）三条垂线测验和2005年3月5日—3月12日两条垂线测验资料。通过对该潮流资料的分析可知，码头前沿涨急流速在1.2~ 2.2 m/s之间，发生在高潮前1.17～2.75 h之间，具体统计结果列于表1。表2为流速大于1.0 m/s的发生时间段统计，在高潮前4.55 h至高潮后0.76 h，该时段内潮流较大，船舶不宜靠泊。

表1 最大涨潮流速的发生时间统计表
Table 1Statistics of the occurrence time of the maximum flood

潮型最大涨潮流速/（m·s-1）发生时间/h大潮前一潮2.21高潮前2.75后一潮1.77高潮前1.75中潮前一潮1.65高潮前1.17后一潮2.07高潮前2.75小潮前一潮1.66高潮前1.66后一潮1.19高潮前1.33

表2 涨潮流速>1.0 m/s的时间段统计
Table 2Statisticsofthetimescaleofflood largerthan 1.0m/s

潮型发生时段大潮前一潮高潮前4.55 h—高潮前0.22 h，共4.33 h后一潮高潮前3.30 h—高潮后0.76 h，共4.06 h中潮前一潮高潮前3.03 h—高潮后0.39 h，共3.42 h后一潮高潮前3.75 h—高潮前0.19 h，共3.56 h小潮前一潮高潮前3.45 h—高潮前0.69 h，共2.76 h后一潮高潮前2.42 h—高潮前0.42 h，共2.00 h

另据潮流资料统计得出码头前沿最小涨潮流速发生的时间段在高潮后1.25～2.33 h；落急流速为0.39～0.94 m/s，一般发生在低潮前3.5 h~低潮后0.42 h；最小落潮流速为0.11～0.54 m/s，一般发生在低潮时~低潮后0.92 h。

从上述的水流资料分析可见，如果以潮流速1 m/s为界，即大于1 m/s不宜船舶靠泊，小于1 m/s宜于船舶靠泊，则由于落潮流速值小于1 m/s，该地不宜船舶靠泊的时段主要在涨潮流时段，即在高潮前4.55 h到高潮后0.76 h，共约5.31 h。不宜靠泊的时间段如图1所示。

图1 不宜靠泊的时间段
Fig.1Time scale unsuitable to berth

4 不同靠泊方案及相应乘潮水位

在本工程中，船舶进港需要乘潮的航道长度约6 km，其浅段始端距码头前沿约15 km。为了航行安全，船舶进入内航道后基本微速航行，视船舶顺流或逆流进港，并据内航道附近水流状况，船舶从航道浅段始端到达码头时间约1.3~2 h。

潮流对于大型船舶的航行、靠离泊作业有着重大影响，船舶在进行靠离泊作业时，不仅需要考虑潮位、风、波浪等因素，还要考虑潮流的影响作用[4-5]。对于非天然水深大型开敞式码头，本文以适宜船舶靠离泊的潮流情况为先决条件，进行靠离泊时机的选择，从而确定航行过程实际选取的乘潮水位。采用该方法能更好地保证船舶航行、靠离泊及装卸作业过程中的安全，更经济合理地进行航道设计。

本文根据前述码头处潮流的特征及靠泊时段适宜性的分析，对涨潮进港涨潮流速最小时靠泊、落潮进港落潮流速最小时靠泊、涨潮进港初落靠泊等多种船舶进港靠泊方案进行了比较分析，并对相应的乘潮水位进行选择。

4.1 涨潮进港涨潮流速最小时靠泊

据潮流资料统计，码头前沿最小涨潮流速发生的时间段在高潮后1.25～2.33 h。采取该靠泊方案时，船舶在高潮前后从航道浅段始端进入，约在涨潮流速最小时靠上码头。按微速航行的船舶航速计算出船舶过航道浅段始末两端时相应的乘潮历时（计算示意图如图2），计算结果列于表3。

图2 船舶过浅段相应乘潮历时计算示意图
Fig.2Schematic diagram of calculation of tide riding duration when navigating through the shallow segment

表3 船舶过浅段处相应乘潮历时（涨潮进港涨潮流速最小时靠泊）
Table 3Tide riding duration for the shallow segment（entering port at the flood and berthing at the minimum flood）h

浅段起始端浅段末端大潮前一潮1.41 0.59后一潮0.58 0.38中潮前一潮0.66 1.48后一潮1.84 0.78小潮前一潮1.35 0.51后一潮0.43 1.17潮型

从表3可以看出船舶在过航道浅段始端时，对于不同的潮型其相应乘潮历时在0.43～1.84 h之间，船舶过浅段末端时相应乘潮历时在0.38～1.48 h。

因该地潮汐性质属非正规半日潮，其浅海分潮主要反映在2个潮高不等，并据前述分析船舶过航道浅段的始末端时其乘潮历时都小于2 h，为保证航行安全，该方案下可取持续时间2 h累积频率90%的潮位。根据当地1 a的潮位资料统计计算[6]，涨潮进港涨潮流速最小时靠泊方案下乘潮水位为3.11 m（当地理论基准面，下同）。

4.2 落潮进港落潮流速最小时靠泊

按落潮流速最小时作为靠泊时间，船舶航速同样按微速航行计算航道浅段始末两端乘潮历时见表4，船舶过浅段始端时乘潮历时7.8~8.9 h，过浅段末端时乘潮历时9.2~10.6 h。浅段处乘潮水位可取乘潮历时11 h的累积率90%的潮位1.03 m。

表4 船舶过浅段处相应乘潮历时（落潮进港落潮流速最小时靠泊）
Table 4Tide riding duration for the shallow segment（entering port at the ebb and berthing at the minimum ebb）h

潮型浅段起始端浅段末端大潮前一潮7.80 9.40后一潮7.90 9.20中潮前一潮8.64 10.06后一潮8.56 9.83小潮前一潮8.60 10.20后一潮8.90 10.60

4.3 涨潮进港初落靠泊

航道浅段始末两端乘潮历时见表5，经分析涨潮进港初落靠泊时可取乘潮历时5 h累积频率90%的潮位2.63 m。

表5 船舶过浅段处相应乘潮历时（涨潮进港初落靠泊）
Table 5Tide riding duration for the shallow segment（entering port at the flood and berthing at the initial stage of ebb）h

潮型浅段起始端浅段末端大潮前一潮0.81 1.99后一潮0.56 0.67中潮前一潮1.86 3.23后一潮0.66 0.57小潮前一潮3.63 4.72后一潮0.13 1.34

5 航道设计底标高计算时的乘潮水位选择

分析可见不同靠泊方案下船舶过浅段的乘潮水位为1.03~3.11 m。经综合考虑，为提高船舶装载率，提高码头靠泊作业的时间及码头营运效率，浅段乘潮水位按落潮进港落潮流速最小时靠泊选取为1.03 m。

马迹山港扩建工程卸船码头的最大设计船型是30万吨级矿石散货船，最大满载吃水23 m，考虑到该船型实际到港艘次很少，仅占6%~7%，宝钢长期定租的4艘30万吨级船满载吃水仅为21.4 m，一期工程进港的11艘次的30万吨级船吃水在20.08~21.70 m之间，因此航道设计底标高按吃水21.4 m作为主体设计船型，大于21.4 m的船安排在高潮能够进港的设计原则进行优化。根据乘潮水位的选择，航道设计底标高按规范计算为-23.4 m。

6 结语

本文以马迹山25万吨级矿石中转码头扩建工程中航道设计底标高的计算为例，提出对于强海流港口，其乘潮水位应结合码头前沿水流条件进行选择。该方法通过分析码头前沿潮流特征，选择不同的适宜靠泊的时间段，并按涨潮进港涨潮流速最小时靠泊、落潮进港落潮流速最小时靠泊、涨潮进港初落靠泊等不同方案分别计算其乘潮历时及相应乘潮水位，最后经过综合比较，从提高码头营运效率的角度采取落潮进港落潮流速最小时靠泊方案下的乘潮水位。这种方法不仅考虑到了船舶过航道浅段安全通航所需的乘潮历时，而且考虑到了船舶在码头前调头、靠泊时流速处于安全范围，从而确保船舶航行及靠泊的多方面安全。该方法可在不同的工程设计中加以推广应用。

参考文献：

[1]JTS 165—2013，海港总体设计规范[S]. JTS 165—2013,Design code of general layout for sea ports[S].

[2]JTS 145—2015，港口与航道水文规范[S]. JTS 145—2015,Code of hydrology for harbor and waterway[S].

[3]上海宝钢集团公司马迹山矿石中转港扩建工程（航道工程部分）：初步设计[R].上海：中交上海航道勘察设计研究院有限公司.2005. The extension project of Majishan ore transfer port of Shanghai Baosteel Group(Part of channel project):basic design[R].Shanghai: CCCC-Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,2005.

[4]李冰绯，施凌.非天然水深大型开敞式码头靠泊时机与乘潮水位的确定[J].水运工程，2011（9）：77-81. LI Bing-fei,SHI Ling.On berthing time and tide-bound water level for non-natural deep water&large open wharf[J].Port and Waterway Engineering,2011(9):77-81.

[5]高明，于延平，谢宁宁，等.船舶乘潮进港时段水深及横流的推算研究[J].水运工程，2013（1）：20-24. GAO Ming,YU Yan-ping,XIE Ning-ning,et al.Calculation of water depth and cross-flow during ship′s entering the port in higher tide[J].Port and Waterway Engineering,2013(1):20-24.

[6]邱大洪.工程水文学[M].北京：人民交通出版社，1999：227-229. QIU Da-hong.Engineering hydrology[M].Beijing:China Communications Press,1999:227-229.

Calculation method and application of the tide riding water level for the port with large flow

SONG Yan,ZHANG Jia-qi
（CCCC-Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China）

Abstract：The tide riding water level has great influence on improving the safety of navigation and the operation efficiency of the wharf for the port where the ships need to take ride when navigating.In this paper,we proposed the calculation method of the tide riding water level for the port with large flow which took the flow conditions in front of the wharf into consideration.As an example,this method was applied in the extension project of Majishan 250 thousand ton ore transfer port when calculating the design channel bottom elevation.Firstly,we analyzed the flow conditions in front of the wharf,and then put forward different schemes of entering port and berthing at dock,and calculated the corresponding tide riding water levels.Through comprehensive comparison and in order to improve the ship loading rate and the operation efficiency of the wharf,we adopted the tide riding water level corresponding to the scheme of entering port at the ebb and berthing at the minimum ebb.The securities of navigation and berthing were both taken into account in this method and it can make the channel design more economical and reasonable.

Key words：large flow;channel;tide riding water level

中图分类号：U652