本發(fā)明涉及一種航道設(shè)計(jì)及乘潮水位確定方法，特別是一種潮位潮流雙因素控制的航道設(shè)計(jì)及乘潮水位確定方法，屬于水運(yùn)交通科技領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

乘潮水位是沿海航道設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。早期航道建設(shè)條件相對簡單，航道設(shè)計(jì)過程中就乘潮水位的確定往往僅考慮了潮位這一單因素，這對船舶航行不受潮流影響或潮流影響較小的海域是可行的。然而隨著航道建設(shè)條件趨于復(fù)雜化，對于需通過島礁狹口、防波堤口門等大流速或差流態(tài)的航道，潮流對船舶通航的影響就不可忽視。

為了改善或減弱潮流對船舶航行的不利影響，現(xiàn)有技術(shù)中通常有兩類措施：一是采取工程措施，如島礁海域局部炸礁、優(yōu)化防波堤口門布置等；二是采取管理措施，在通航管理上考慮“潮流窗口”的影響，如避開高流速時(shí)段、選擇合理通航時(shí)機(jī)通航。

現(xiàn)有航道設(shè)計(jì)及航道通航水位的確定均忽略了潮流的影響，而就受潮流影響明顯的島礁、防波堤口門等復(fù)雜海域，潮位潮流雙因素控制下航道底標(biāo)高和乘潮水位的確定尚無成熟方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：客服現(xiàn)有航道設(shè)計(jì)僅考慮潮位單因素影響時(shí)，不能較好運(yùn)用在導(dǎo)堤口門及島礁海域等復(fù)雜海域的不足，提供一種綜合考慮潮位潮流雙因素控制的航道設(shè)計(jì)及乘潮水位確定方法。該方法設(shè)計(jì)的航道使得設(shè)計(jì)船型通航過程中既能科學(xué)合理避開潮流影響的同時(shí)，又能達(dá)到潮位利用相對最優(yōu)。

本發(fā)明特征在于包括以下步驟：

步驟一，根據(jù)航道沿程水深分布、潮流限制航段的空間位置，對研究航段進(jìn)行合理分段；

步驟二，概化船舶乘潮通航過程，建立船舶通過研究航段的通航時(shí)間尺；

步驟三，通過對潮位資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同乘潮歷時(shí)對應(yīng)的乘潮累積頻率曲線，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造考慮潮位單因素情況下設(shè)計(jì)要求乘潮累積頻率對應(yīng)的典型潮曲線；

步驟四，根據(jù)潮位、潮流同步曲線，確定潮流限制時(shí)段相對于高潮位的時(shí)間，進(jìn)一步構(gòu)造考慮潮流、潮位雙因素的乘潮典型潮曲線；

步驟五，將通航時(shí)間尺與典型潮曲線進(jìn)行匹配，分析潮位利用最優(yōu)時(shí)是否滿足限制段通航安全要求，即船舶通過潮流限制段的時(shí)間是否能避開潮流限制時(shí)段；若是，取潮位利用最優(yōu)時(shí)對應(yīng)的乘潮水位為乘潮水位設(shè)計(jì)值；若否，則進(jìn)行步驟六；

步驟六，結(jié)合潮流限制時(shí)段對兩種臨界狀態(tài)的通航過程進(jìn)行分析，選取通航安全條件下潮位利用最優(yōu)者，即兩種情況下乘潮水位較大者為乘潮水位設(shè)計(jì)值；

步驟七，根據(jù)確定的乘潮水位，減去設(shè)計(jì)船型的設(shè)計(jì)通航水深，最終得到航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：

1、本發(fā)明是一種能同時(shí)考慮潮流、潮位雙因素的航道設(shè)計(jì)及乘潮水位確定方法，克服潮流對通航有限制的復(fù)雜航道在設(shè)計(jì)乘潮水位時(shí)忽視潮流因素的不足，在避開潮流限制時(shí)段的同時(shí)，使潮位利用相對最優(yōu)。

2、本發(fā)明讓船舶航行、潮波傳播兩個(gè)動態(tài)過程，以及潮流影響窗口呈現(xiàn)于同一工作圖上，使得復(fù)雜航道設(shè)計(jì)時(shí)，潮流、潮位、船舶航行等關(guān)鍵要素同時(shí)呈現(xiàn)在圖上，使得航道設(shè)計(jì)和乘潮水位的取值更為直觀。

本發(fā)明適用于島礁狹口、防波堤口門等受潮流因素影響較大復(fù)雜航道的設(shè)計(jì)及乘潮水位的確定。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述一種潮位潮流雙因素控制的航道設(shè)計(jì)及乘潮水位確定方法的流程圖。

圖2是船舶乘潮進(jìn)港航行示意圖。

圖3是在潮位流速同步過程曲線上確定潮流限制時(shí)段示意圖，圖中潮位起算基面為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，流速?”表示落潮流速，“-”表示漲潮流速。

圖4是考慮潮流影響后的乘潮典型潮曲線。

圖5是考慮潮流影響后進(jìn)港乘潮水位取值分析示意圖。

圖6是考慮潮流影響后出港乘潮水位取值分析示意圖。

圖7是航道水深分布及通航分段示意圖。

圖8是舟山寧波港魚山作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道考慮潮流影響后典型潮曲線及乘潮水位取值分析示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例以及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明結(jié)合船舶的實(shí)際通航方式，實(shí)施方案分為船舶乘潮進(jìn)港、船舶乘潮出港兩種情況，各種情況的技術(shù)方法如下：

1.船舶乘潮進(jìn)港

步驟一，航道合理分段：如圖2所示，船舶沿漲潮方向乘潮通過ad航段，沿程經(jīng)過長期潮位站甲。根據(jù)航道水深分布和潮流限制段位置，將航道分為ab、bc和cd三個(gè)區(qū)段（其中bc為限制段），對應(yīng)長度分別為lab、lbc和lcd。

步驟二，概化通航過程，建立通航時(shí)間尺：根據(jù)船舶進(jìn)港設(shè)計(jì)航速，并考慮一定的時(shí)間富裕，得到三個(gè)區(qū)段的乘潮歷時(shí)分別為tab、tbc和tcd，組成通航時(shí)間尺，以此概化船舶乘潮進(jìn)港的通航過程。

步驟三，根據(jù)工程區(qū)潮位資料，構(gòu)造考慮潮位單因素情況下的典型潮曲線：根據(jù)潮位站完整1年及以上的潮位資料統(tǒng)計(jì)其不同乘潮歷時(shí)、不同乘潮保證率對應(yīng)的乘潮水位，然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建考慮潮位單因素情況下設(shè)計(jì)要求乘潮累積頻率p（如p取90%）對應(yīng)的典型潮曲線。

步驟四，確定潮流限制時(shí)段，構(gòu)造考慮潮流、潮位雙因素的乘潮典型潮曲線：根據(jù)明確潮流對船舶通航的限制條件，根據(jù)潮位、流速同步曲線確定潮流限制時(shí)段相對于高潮位出現(xiàn)的時(shí)間，如圖3所示；將潮流限制時(shí)段融入典型潮曲線中構(gòu)成考慮潮流、潮位雙因素的乘潮典型潮曲線，如圖4所示。

步驟五，將通航時(shí)間尺與典型潮曲線進(jìn)行匹配，分析潮位利用最優(yōu)時(shí)是否能避開潮流限制時(shí)段：首先分析僅考慮潮位利用最優(yōu)的情況（如圖5情況①所示），判斷船舶通過潮流限制段的時(shí)間tbc是否避開潮流限制時(shí)段。若是，取情況①對應(yīng)的平行截取典型潮曲線對應(yīng)的乘潮水位h1為乘潮水位設(shè)計(jì)值；若否，則進(jìn)行步驟六。

步驟六，結(jié)合潮流限制時(shí)段進(jìn)行臨界狀態(tài)的通航過程分析，選取通航安全條件下潮位利用最優(yōu)者為乘潮水位設(shè)計(jì)值：分析兩種臨界狀態(tài)的通航過程，第一種如圖5情況②所示，漲潮期間，船舶在潮流限制時(shí)段末尾駛?cè)氤绷飨拗坪蕉危玫酵ê綍r(shí)間尺與典型潮匹配對應(yīng)的乘潮水位h2；第二種如圖5情況③所示，落潮期間，船舶在潮流限制時(shí)段初始駛出潮流限制航段，得到通航時(shí)間尺與典型潮匹配對應(yīng)的乘潮水位h3。然后取情況②乘潮水位h2與情況③乘潮水位h3中較大者為乘潮水位設(shè)計(jì)值。

步驟七，根據(jù)確定的乘潮水位，減去設(shè)計(jì)船型的設(shè)計(jì)通航水深，最終得到航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高。

2.船舶乘潮出港

船舶乘潮出港時(shí)，過程與船舶乘潮進(jìn)港類似。首先參考船舶乘潮進(jìn)港過程步驟一到四構(gòu)建通航時(shí)間尺和考慮潮流、潮位雙因素的典型潮曲線，然后將通航時(shí)間尺與典型潮曲線進(jìn)行匹配，尋找滿足通航安全的最優(yōu)乘潮水位。如圖6所示，首先判斷情況①潮位利用最優(yōu)時(shí)船舶通過潮流限制段的時(shí)間tcb是否避開潮流限制時(shí)段。若是，取情況①對應(yīng)的平行截取典型潮曲線對應(yīng)的乘潮水位為乘潮水位設(shè)計(jì)值；若否，則繼續(xù)平移通航時(shí)間尺，分析②、③兩種臨界情況：情況②如圖6所示，漲潮期間，船舶在潮流限制時(shí)段末尾駛?cè)氤绷飨拗坪蕉?，得到通航時(shí)間尺與典型潮匹配對應(yīng)的乘潮水位；情況③如圖6所示，落潮期間，船舶在潮流限制時(shí)段初始駛出潮流限制航段，通航時(shí)間尺與典型潮匹配對應(yīng)的乘潮水位。然后取情況②乘潮水位與情況③乘潮水位中較大者為乘潮水位設(shè)計(jì)值。

以下是舟山寧波港魚山作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道設(shè)計(jì)的具體實(shí)施例：

舟山寧波港魚山作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道位于舟山中部，航道規(guī)劃為10萬噸級油船乘潮雙向航道。航道東接沿海東航路，西至魚山作業(yè)區(qū)港池水域，進(jìn)港船舶依次通過馬岙口外公共航道、灌門航道、馬岙內(nèi)航道和魚山航道，全長約72.1km。其中在灌門粽子山～龍王跳咀段有長約2.5km的狹口段局部時(shí)段流速較大，為潮流限制段。現(xiàn)結(jié)合舟山寧波港魚山作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道來說明本發(fā)明的具體實(shí)施步驟。（本案例只考慮進(jìn)港）

步驟一，航道合理分段：依據(jù)航道水深分布和潮流限制段位置將潮流限制段至乘潮航段按進(jìn)港方向依次分為狹口區(qū)潮流限制段、中部深槽段、乘潮淺段，結(jié)果如圖7所示。

步驟二，概化通航過程，建立通航時(shí)間尺：設(shè)計(jì)船型為10萬噸級油船，設(shè)計(jì)航速按8kn考慮，并考慮一定的時(shí)間富裕，得到設(shè)計(jì)船型通過三個(gè)區(qū)段的歷時(shí)依次為0.5h、0.8h和1.5h，如圖7所示。

步驟三，通過對潮位資料進(jìn)行累積頻率分析，構(gòu)造考慮潮位單因素情況下設(shè)計(jì)要求乘潮累積頻率對應(yīng)的典型潮曲線：首先采用乘潮區(qū)段附近長白北潮位站的潮位資料，統(tǒng)計(jì)得到該站不同乘潮歷時(shí)對應(yīng)的乘潮累積頻率曲線，并在此基礎(chǔ)上繪制考慮潮位單因素情況下設(shè)計(jì)要求乘潮累積頻率90%對應(yīng)的典型潮曲線。

步驟四，確定潮流限制時(shí)段，構(gòu)建考慮潮流、潮位雙因素的典型潮曲線：接下來需確定潮流限制條件，潮流限制時(shí)段或允許通航時(shí)段。根據(jù)《舟山灌門航道及附近海域通航安全管理規(guī)定》，大噸位船舶必須選擇流速小于1.5kn的緩流時(shí)段通過灌門航道狹口段。另外，根據(jù)結(jié)合國家海洋局第二海洋研究所《馬岙航道窄口處緩流通航專用預(yù)報(bào)表》分析成果，灌門狹口段流速小于1.5kn的可通航緩流時(shí)段出現(xiàn)在高潮前4.3h~3.3h，以及高潮后的1.2~2.3小時(shí)，其它時(shí)段為潮流限制時(shí)段。據(jù)此得到考慮狹口段潮流影響后的典型潮曲線如圖8所示。當(dāng)然由于潮波傳播速度遠(yuǎn)大于船舶航行速度，且本工程從狹口段至乘潮淺段里程不長，在此未考慮狹口段至乘潮淺段的潮波傳播延時(shí)。

步驟五，將通航時(shí)間尺與典型潮曲線進(jìn)行匹配，分析潮位利用最優(yōu)時(shí)是否滿足限制段通航安全要求：就乘潮水位設(shè)計(jì)取值而言，首先分析圖8情況①中乘潮淺段歷時(shí)1.5h平行截取典型潮曲線對應(yīng)的乘潮通航過程。該過程乘潮淺段的潮位利用最優(yōu)，為2.71m；但該通航過程設(shè)計(jì)船型通過狹口段時(shí)沒能避開潮流限制時(shí)段，因此對應(yīng)的乘潮水位不能作為本航道進(jìn)港乘潮水位的設(shè)計(jì)取值。

步驟六，結(jié)合潮流限制時(shí)段進(jìn)行臨界狀態(tài)的通航過程分析，選取通航安全條件下潮位利用最優(yōu)者為乘潮水位設(shè)計(jì)值：在此，平移通航時(shí)間尺，進(jìn)一步考慮如下兩種通航過程：

（1）圖8中情況②對應(yīng)的通航過程：漲潮期間，設(shè)計(jì)船型在狹口段潮流允許通航時(shí)段末期駛出潮流限制航段，對應(yīng)的乘潮水位為通航過程中乘潮淺段歷時(shí)（非全部通航時(shí)間）各時(shí)刻對應(yīng)典型潮曲線潮位的最小值，即圖8情況②對應(yīng)的乘潮水位2.12m。

（2）圖8中情況③對應(yīng)的通航過程：落潮期間，設(shè)計(jì)船型在狹口段潮流允許通航時(shí)段初期駛?cè)氤绷飨拗坪蕉?，對?yīng)的乘潮水位為通航過程中乘潮淺段歷時(shí)各時(shí)刻對應(yīng)典型潮曲線潮位的最小值，即圖8情況③對應(yīng)的乘潮水位1.48m。

本工程航道乘潮水位設(shè)計(jì)取值取以上兩種典型情況下乘潮水位的較大值，即取2.12m；該合理乘潮水位取值明顯小于不考慮狹口段時(shí)的乘潮水位2.71m。

步驟七，按乘潮水位設(shè)計(jì)取值2.12m，設(shè)計(jì)船型10萬噸油船的設(shè)計(jì)通航水深17.8m，得到航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-15.7m。