嘉興乍浦港潮水急漲時段靠泊時間窗口分析

黃仕唯， 王志明， 吳善剛

(上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

嘉興港位于杭州灣[1-2]海域，受水域地形的影響較大，是潮汐現象極其明顯的海港，其潮差大(如乍浦歷史上最大潮差近7.8 m)、潮流強，大潮汛期間漲潮流時段急漲潮流速度可達4.5 kn，船舶的靠泊安全面臨較大的威脅。嘉興海事局于2011年就港口靠泊采取“在陳山低平潮后1.5～3.5 h”時段靠泊管控措施，取得一定的安全保障效果，但也壓縮了船舶靠泊作業的時間窗口，影響碼頭泊位的利用效能。對此，為確保在港口水上作業安全的前提下，根據潮汐和潮流特征，合理利用港口潮流特征優化海事管控措施，提出以極限流速和拖船保障為基本條件的靠泊時間窗口，逐步實行港口靠泊分類分級常態化管理勢在必行。

目前，國內外有學者注重研究潮流急漲時段對靠泊作業安全的影響。胡中敬[3]在合理調度船舶的靠泊、離泊和移泊等工作中考慮潮汐、潮流的變化情況。楊桂樨[4]詳細論述強潮流對大型船舶靠離泊的影響。陳仕營[5]分析在福州港松下港區離泊操縱時不同潮汐的操作。潘國華[6]基于大風浪條件探討大型集裝箱船靠離泊作業存在的諸多潛在危險。陳琛等[7]提出潮汐是長江干線船舶延誤風險的影響因素。已有研究大多局限于潮汐對靠離泊的整體影響，缺乏大量數據的分析和比較研究。對此，根據嘉興乍浦港區潮流和潮汐的基本狀況，統計全年大潮汛、小潮汛和中潮汛資料，分析12個月的潮高、潮差和潮流的特征值，對計算靠泊時間窗口進行建模，進而提出急漲時段靠泊實施分類分級管控措施。

1 乍浦港區潮汐與潮流概況

乍浦港區位于杭州灣，其潮汐為非正規半日潮，潮差大、潮流急，最高潮位從灣口至灣頂逐步增高，最低潮位逐步下降，致使潮差逐步增大。另外，日夜潮也出現明顯的不等現象，即夏半年(春分～秋分)日潮小、夜潮大，冬半年(秋分～春分)日潮大、夜潮小。杭州灣北岸2個水文站的潮位特征值見表1(1985國家高程基準)。乍浦港區潮汐與潮流基本數據源采用泊位前沿水域實測、潮汐表和現行版海圖。

表1 杭州灣北岸各水文站潮位特征值

1.1 實測潮流狀況

2013年5月，浙江省河海測繪院對嘉興乍浦港區E區4號泊位前沿水域的水文進行測量，其水文測驗各測點見圖1。

圖1 乍浦港水文垂線布置示意

實測水域分層中的流速最大值：漲潮流流速為3.70 kn，流向為250°～253°，出現于CD1、CD2測站的面層；落潮流最大流速為2.40 kn，流向為070°，出現于CD1測站的面層。

在各觀測點的垂線上，流速最大值的平均值：漲潮流為3.10 kn(250°)，出現于CD1測站大潮汛；落潮流流速為2.00 kn(077°)，出現于CD2測站大潮汛。

1.2 現行版海圖上潮流狀況

由現行版海圖資料可知：乍浦港區泊位外側開闊水域(參考點30°33′N 121° 11′E)：漲潮流流向約240°，大潮時段最大流速4.5 kn；落潮流流向約064°，大潮時段最大流速3.3 kn。依此推算出乍浦區泊位外側開闊水域在小潮汛和中潮汛的當天最大流速見表2。

表2 乍浦港區潮流最大流速 kn

1.3 《潮汐表》中潮汐與潮流狀況

根據國家海洋信息中心2019年嘉興乍浦港區潮汐、潮流資料[8]，其全年潮汐、潮流統計極值見表3。

根據以上3類資料比較，從安全(選擇最可能的最大值)和精度要求的角度選用2019年《潮汐表》資料進行窗口時間分析和推算。

2 潮汐與潮流之間的關聯和分析

2.1 潮汐與潮流呈現的規律

潮汐現象是海面呈現周期性的漲落。潮流是伴隨著潮汐現象中的表層海水在水平方向上的運動，潮汐類型決定該處潮流的規律性。往復流與潮汐的規律性具有同步性關系：低(高)潮后海面有短暫的歇息，表層海水的流速遞減到零，流向開始調轉，該時間稱為轉流時刻。[9]《潮汐表》適當給出主要地方每天的轉流時間和最大流速相關資料。

由于潮流的流速與潮差成正比，因此在半個朔望月(陰歷月)中，每天的最大流速也不同。我國港口大潮汛一般發生在每月初三前后和十八前后，小潮汛則發生在每月初十前后和廿五前后。[8]因此，可將每個農歷月劃分為大潮汛、小潮汛和中潮汛，并統計分析潮流變化規律。

表3 2019年乍浦港區全年潮汐、潮流統計極值

2.2 一天中流速的變化

潮流的流速是隨時間變化的。在1個太陰日(1 490 min)中，對于半日潮，有4個轉流時間，間隔約為6 h。轉流時(Ts)的流速接近于零，轉流以后流速逐漸增大，到相鄰2次轉流時間的中間時刻，流速達到最大，之后又逐漸變小，至下次轉流時間流速又降至零。流速變化規律可運用“1、2、3、3、2、1”的簡諧運動表示，1 d中潮流流速推算[9]為

1) 轉流后1 h內

(1)

2) 轉流后1～<2 h

(2)

3) 轉流后2～<3 h

(3)

4) 轉流后3～<4 h

(4)

5) 轉流后4～<5 h

(5)

6) 轉流后5～6 h

(6)

式(1)～式(6)中：vm為當天潮流最大流速。

由此可見，每天潮流急漲時段基本在低潮(轉流)后的第2～4 h；在潮流急落時段基本在高潮(轉流)后的第2～4 h。

2.3 潮汐與潮流特征值的統計分析

雖然我國大潮汛和小潮汛實際發生日滯后于理論值2～3 d，但不同地方因地理位置差異而有所不同。[9]根據潮汐與潮流的關系，將農歷月劃分為“大潮汛、小潮汛和中潮汛”，對3個時段進行數據統計，結果見表4，變化規律見圖2～圖4。

由表4和圖2～圖4可知2019年乍浦各月最大流速變化情況為：

1) 大潮汛期間的最大流速為3.8～4.5 kn，其中最大流速出現在八月，達到4.5 kn；三月、四月較小，最大流速接近3.8 kn。

2) 小潮汛期間。最大流速為2.8～3.4 kn，其中最大流速出現在四月，達到3.4 kn；正月較小，最大流速只有2.77 kn。

3) 中潮汛期間。最大流速為3.4～3.8 kn，其中最大流速出現在九月，達到3.8 kn(出現在九月廿九)；正月較小，最大流速為3.41 kn。

因此，大潮汛管控時段要關注農歷七月、八月和九月。中潮汛應關注農歷九月，具體可對九月廿九(月小，最后一天)納入的大潮汛進行管控。

表4 乍浦港區全年潮流最大值及其平均最大值 kn

圖4 乍浦港區往復流每月不同時段最大流速

綜合《潮汐表》資料和實測數據，確定乍浦港區潮汛時段劃分：大潮汛為初一至初五(農歷五月—九月為上月月末至本月初六)、十五至二十；小潮汛為初八至十二、廿三至廿七；余下天數為中潮汛。

3 乍浦港區泊位靠泊作業極限時間窗口

3.1 往復流任意時刻流速與對應時間計算模型

可根據《潮汐表》提供的往復流資料建立求任意時刻的潮流計算模型[9]見圖5和式(8)與式(9)。

圖5 往復流曲線

設兩相鄰的轉流時間(TS)的間隔為

T=TS2-TS1

(7)

所求任意時刻t與TS1時間的間隔為△T=t-TS1，則t時刻的流速v為

(8)

根據流速計算對應的時刻。根據在漲落潮過程中已知流速與最大流速的關系，可推出限制流速vc對應的靠泊起訖時間t為

(9)

式(9)中：t1為靠泊限制起始時間；t2為靠泊限制結束時間；T為漲潮歷時TS2-TS1，乍浦港平均歷時5.5 h；vc為靠泊作業限制流速,kn；vm為當天潮流最大流速,kn。

3.2 乍浦港區靠泊作業現行限制流速

根據乍浦港區不同月份潮流資料，依據式(8)可算出全年靠泊作業管控時間窗口內的最大流速見表5，再以此數據得出現行限制流速。

由表5可知：在乍浦港區靠泊作業管控時段窗口內的最大流速為大潮汛3.40～4.09 kn；小潮汛2.59～3.12 kn；中潮汛2.90～3.49 kn。

由上述結果可知：按乍浦港區在潮流急漲時段的靠泊作業現行限制規定(陳山潮位站低低潮后1.5～3.5 h)，乍浦港區限制時段內的最大流速區間達到3.43～4.09 kn，目前由于在小潮汛階段不限制靠泊作業，限制流速可推理為3.4 kn。

我國現行《液化天然氣碼頭設計規范》[10]規定：對船舶艙容小于8 000 m3(一般相當于50 000 總噸)的液化天然氣船，其靠泊操作可允許流速(順流)小于2 m/s(相當于3.9 kn)。國內外相關組織的推薦性意見和標準[4]確定的順碼頭方向(<10°)的限制流速的推薦值為3.0 kn，以及接近順碼頭方向(等于0°)的限制流速的推薦值為4.0 kn。

根據乍浦港區泊位前沿實測流速和流向，依據行業規定、國內外相關組織的推薦性意見和標準并結合上海海事大學課題組專業人員采用模擬器模擬得到的結果，確定嘉興乍浦港區在潮水急漲時段的限制流速區間為3.5～4.0 kn。

表5 乍浦港區全年潮流最大值及靠泊管控窗口內的最大流速 kn

3.3 乍浦港區泊位靠泊作業限流管控時間窗口推算與分布

根據乍浦港區不同月份潮流資料，依據式(9)計算出全年靠泊作業現行管控時間窗口(流速分別為3.5 kn、3.8 kn和4.0 kn對應的時間)，具體見表6～表8。

表6 乍浦港區全年潮流最大值及靠泊限制時間窗口(限制流速3.5 kn)

表7 乍浦港區全年潮流最大值及靠泊限制時間窗口(限制流速3.8 kn)

表8 乍浦港區全年潮流最大值及靠泊限制時間窗口(限制流速4 kn)

3.4 乍浦港區在潮水急漲時段靠泊作業管控要求與建議

根據第3.2節和第3.3節的分析與計算，乍浦港區在急漲后靠泊時間窗口見表9。

表9 乍浦港區急漲后靠泊時間窗口(限制時間段) h

綜上所述，根據模擬器模擬結果，建議乍浦港區管控流速在附加約束條件下不應超過3.8 kn。因此，在潮水急漲期間，乍浦港區靠泊作業分類分級管理要求建議可參見表10。

通過實施(試運行)基于研究結果的港口靠泊分類分級管控建議方案，相對于原港口靠泊規定在“陳山低平潮后1.5～3.5 h”時段的管控措施，在現行約束條件下的管理對策使得船舶(除危險品船舶外)港口靠泊時間窗口延長到中潮汛期間(月平均歷時延長8～9 d)，大大提高港口船舶靠泊服務效率和能力。

表10 乍浦港區靠泊作業分類分級管理要求

4 結束語

鑒于嘉興乍浦港區潮汐和潮流的特征極其明顯，需對港區的靠泊作業潮流特點進行系統的科學分析。只有通過合理分析之后，才能適當拓展船舶靠泊作業時間窗口的可行性，提出科學的分類分級管控措施，從而對集中在高潮前后時段進出港口的大型船舶進行分段調度與安排，減小在急漲潮特定時段的通航密度，減輕船舶在高平潮期間集中靠泊作業導致港作拖船資源緊張，降低泊位空置率，提高港口的服務效能。