京唐港航道邊灘實(shí)測(cè)橫流分析

吳福亮，唐磊，于泳，孫林云*

（1.南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；3.唐山港口實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，河北唐山063611）

京唐港航道邊灘實(shí)測(cè)橫流分析

吳福亮1，2，唐磊1，于泳3，孫林云1*

（1.南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；3.唐山港口實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，河北唐山063611）

針對(duì)唐山港京唐港區(qū)2014年8月—2015年4月航道邊灘上的實(shí)測(cè)潮流資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)上述流速流向資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)橫流流速和累積頻率進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，京唐港航道邊灘上潮流主要為往復(fù)流，流向與岸線大致平行，流速集中在0.25~0.5 m/s；航道邊灘上橫流流速主要集中在0.25~0.5 m/s；擋沙潛堤堤頂挑流增大了潮流、橫流的表層流速；航道邊灘橫流流速與累積頻率有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，擬合曲線相關(guān)程度高，可為港區(qū)船舶調(diào)度或航道寬度設(shè)計(jì)等提供參考。

京唐港；實(shí)測(cè)；潮流；橫流；累積頻率；擬合曲線

唐山港京唐港區(qū)位于渤海北岸的大清河口和灤河口之間，東經(jīng)119°，北緯39°，港口附近岸線大致呈NE—SW走向，是我國(guó)發(fā)育最典型的沙壩-瀉湖海岸[1]。港口工程自1989年開工，經(jīng)過多年的建設(shè)運(yùn)營(yíng)，目前京唐港已經(jīng)是介于秦皇島港和天津港之間的新興北方大港。同時(shí)京唐港也是我國(guó)第一個(gè)在泥沙運(yùn)動(dòng)較活躍的細(xì)沙粉沙質(zhì)海岸建設(shè)的大中型港口，港口工程采用挖入式形式，并建有雙環(huán)抱防浪擋沙堤，進(jìn)港航道為疏浚航道，航道走向?yàn)?35°~315°[2]。

環(huán)抱式港區(qū)航道橫流是航道運(yùn)營(yíng)和設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，一直以來是設(shè)計(jì)和研究人員關(guān)注的重點(diǎn)，通常采用實(shí)測(cè)資料分析、物理模型分析、數(shù)學(xué)模型分析3種方法進(jìn)行研究，其中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析是最可靠的研究方法[3]。以往潮流和橫流更多的是分析大、中、小潮期間的短期觀測(cè)資料，本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)京唐港口門附近的航道兩側(cè)邊灘上5個(gè)測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間序列的潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究潮流和橫流在頻域上的分布規(guī)律。

1 資料來源和處理方法

在京唐港口門附近航道兩側(cè)邊灘上設(shè)有5個(gè)測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間序列的潮流數(shù)據(jù)，具體位置見圖1。每個(gè)測(cè)點(diǎn)有10層的流速測(cè)量資料，每層間隔1 m，第1層在水下1.5 m。測(cè)量?jī)x器為聲學(xué)多普勒流速儀，總測(cè)量時(shí)間為2014年8月20日—2015年4月3日，時(shí)間間隔為10 min。各測(cè)站位置和觀測(cè)時(shí)間見表1。由于篇幅限制，本文選取表、中、底3層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中表層為水下1.5 m，中層為水下6.5 m，底層為水下10.5 m。參考方國(guó)洪的方法[4]，對(duì)潮流實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)中缺漏的和不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，進(jìn)而采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)實(shí)測(cè)潮流和橫流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 潮流測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.1Location of the observed tidal current

表1 測(cè)點(diǎn)位置和時(shí)間說明Table 1The location and time of measuring points

2 京唐港潮流特性分析

2.1 流向頻率統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)各測(cè)點(diǎn)潮流流向分16個(gè)方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。L1測(cè)點(diǎn)的流向頻率分布如圖2所示，L1測(cè)點(diǎn)流向集中在ENE、E、WSW、W向，3層流向分布較為一致。L2測(cè)點(diǎn)流向集中在NE、ENE、SW、WSW向，表層流向分布相對(duì)發(fā)散；L3測(cè)點(diǎn)流向集中在NE、ENE、SW、WSW向，3層流向分布較為一致；L4測(cè)點(diǎn)流向集中在NNE、S、SSW向，3層流向分布較為一致；L5測(cè)點(diǎn)流向集中在NE、ENE、SW、WSW向，表層流向分布相對(duì)發(fā)散。

圖2 L1測(cè)點(diǎn)潮流流向頻率分布圖Fig.2The tidal current direction frequency distribution of L1 measuring points

各測(cè)點(diǎn)流向基本與航道垂直，表現(xiàn)出明顯的往復(fù)流特性。口門內(nèi)側(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)L1、L3、L4與口門外側(cè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)L2、L5中層、底層流向頻率分布并無明顯區(qū)別，但L2、L5測(cè)點(diǎn)表層流向分布相對(duì)較為發(fā)散，表明潛堤對(duì)潮流表層的流向有影響，但對(duì)中底層的流向并無明顯影響。

2.2 流速頻率統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)潮流流速分區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。L1測(cè)點(diǎn)的流速集中在0.25~0.5 m/s，平均流速分別為0.27 m/s、0.36 m/s、0.23 m/s；L2測(cè)點(diǎn)表層流速集中在0.1~ 0.25 m/s，中、底層流速集中在0.25~0.5 m/s，表、中、底3層平均流速分別為0.15 m/s、0.33 m/s、0.26 m/s；L3測(cè)點(diǎn)流速集中在0.25~0.5 m/s，平均流速分別為0.28 m/s、0.31 m/s、0.27 m/s；L4測(cè)點(diǎn)表層流速集中在0.1~0.25 m/s、0.25~0.5 m/s兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，中層、底層流速集中在0.25~0.5 m/s，表、中、底3層平均流速分別為0.36 m/s、0.41 m/s、0.32 m/s；L5測(cè)點(diǎn)表層流速集中在0.1~0.25 m/s，中層、底層流速集中在0.25~0.5 m/s，表、中、底3層平均流速分別為0.25 m/s、0.39 m/s、0.35 m/s。

由上述分析可知，各測(cè)點(diǎn)流速集中在0.25~ 0.5 m/s；口門內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)L1、L3、L4與口門外側(cè)測(cè)點(diǎn)L2、L5中、底層流速并無明顯區(qū)別，但L2、L5測(cè)點(diǎn)表層流速相對(duì)較小，可能是由于潛堤對(duì)堤頂潮流有挑流作用。

3 京唐港橫流特性分析

3.1 京唐港橫流流速大小分析

通常意義上的橫流是指航道內(nèi)水流垂直于航道軸線的分量，由于5個(gè)潮流標(biāo)均位于航道邊灘上，本次橫流定義為測(cè)點(diǎn)處水流垂直于航道軸線的分量。為分析橫流的大小頻率分布規(guī)律，對(duì)潮流標(biāo)的各層橫流大小分區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]設(shè)置橫流大小區(qū)間，結(jié)果如表2所示。

表2 橫流流速頻率統(tǒng)計(jì)分析Table 2Statistical analysis of crossflow velocity frequency

L1測(cè)點(diǎn)表、中層橫流集中在0.25~0.5 m/s，底層橫流集中在0.1~0.25 m/s，表、中、底3層平均橫流分別為0.22 m/s、0.28 m/s、0.18 m/s；L2測(cè)點(diǎn)表層橫流集中在0~0.1 m/s，中、底層橫流集中在0.25~0.5 m/s，表、中、底3層平均流速分別為0.12 m/s、0.31 m/s、0.24 m/s；L3測(cè)點(diǎn)表、中、底3層橫流集中在0.25~0.5 m/s，平均流速分別為0.27 m/s、0.30 m/s、0.26 m/s；L4測(cè)點(diǎn)表、中、底3層橫流集中在0.25~0.5 m/s，平均橫流分別為0.30 m/s、0.35 m/s、0.28 m/s；L5測(cè)點(diǎn)表層橫流集中在0.1~0.25 m/s，中、底層橫流集中在0.25~ 0.5 m/s，表、中、底3層平均橫流分別為0.21 m/s、0.35 m/s、0.31 m/s。

由上述分析可知，各測(cè)點(diǎn)橫流流速主要集中在0.25~0.5 m/s，其中口門外L2、L5測(cè)點(diǎn)的表層橫流集中在0.1~0.25 m/s，口門內(nèi)L1、L3、L4測(cè)點(diǎn)表層橫流集中在0.25~0.5 m/s，同時(shí)口門外和口門內(nèi)測(cè)點(diǎn)的中、底層橫流未見明顯差異，表明擋沙潛堤對(duì)橫流的影響主要作用在表層，堤頂挑流作用能增大堤內(nèi)表層橫流。

3.2 京唐港橫流累積頻率分析

張瑋等[6]應(yīng)用漲潮潮差與航道最大橫流的線性關(guān)系推求航道最大橫流的累積頻率曲線，本文則直接采用實(shí)測(cè)橫流進(jìn)行累積頻率分析。根據(jù)式（1）統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)表、中、底3層橫流小于或等于某一橫流值所對(duì)應(yīng)的橫流經(jīng)驗(yàn)累積頻率，圖3為L(zhǎng)1測(cè)點(diǎn)的橫流累積頻率曲線。

式中：P為經(jīng)驗(yàn)累積頻率；n為樣本容量；m為橫流小于或等于某一橫流值的樣本容量。

圖3 L1測(cè)點(diǎn)橫流累積頻率曲線和擬合曲線Fig.3Crossflow velocity cumulative frequency curve and fitting curve of L1 measuring point

經(jīng)過分析可知，各測(cè)點(diǎn)在累積頻率小于90%時(shí)，接近線性分布，故對(duì)各測(cè)點(diǎn)各層橫流累積頻率小于90%段進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表3。

表3 各測(cè)點(diǎn)90%累積頻率內(nèi)橫流相關(guān)分析結(jié)果Table 3Thecorrelationanalysisofcrossflowateachmeasuring point within the cumulative frequency of 90%

各測(cè)點(diǎn)各層橫流大小和累積頻率的擬合曲線相關(guān)性均大于0.94，屬于高度相關(guān)。經(jīng)過計(jì)算，測(cè)量期間應(yīng)用擬合公式計(jì)算出的橫流與實(shí)際橫流之間較為接近，誤差在0.05 m/s之內(nèi)。同時(shí)，對(duì)口門內(nèi)L3測(cè)點(diǎn)、口門外L5測(cè)點(diǎn)的分月橫流累計(jì)頻率進(jìn)行相關(guān)分析，綜合兩測(cè)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)序列相關(guān)分析結(jié)果，可以看出多月分析結(jié)果的斜率位于分月斜率之間，并且橫流累積頻率分月擬合曲線與多月擬合曲線較為接近。根據(jù)表中公式，可以得出累積頻率和對(duì)應(yīng)的橫流流速，進(jìn)而為港區(qū)船舶航行或航道寬度設(shè)計(jì)等提供參考。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，流速序列越長(zhǎng)，得到的擬合公式更加可靠，應(yīng)用價(jià)值也越高。

4 結(jié)語

本文針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的潮流資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)流向頻率和橫流頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1）對(duì)京唐港航道邊灘上2014年8月—2015年4月期間潮流標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別進(jìn)行了流速大小分區(qū)間頻率統(tǒng)計(jì)分析和流向統(tǒng)計(jì)分析。各測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)出明顯的往復(fù)流特性，流向集中在N—E、S—W，流速集中在0.25~0.5 m/s。各測(cè)點(diǎn)中層流速較大，表、底層流速較小，且口門內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)表層潮流速比外側(cè)流速大，可能是因?yàn)閾跎碀摰痰添斕袅鞯淖饔谩?/p>

2）對(duì)航道邊灘上橫流進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)分析，各測(cè)點(diǎn)橫流流速主要集中在0.25~0.5 m/s，其中口門內(nèi)測(cè)點(diǎn)表層橫流相對(duì)于口門外表層橫流流速較大，但中、底層橫流未見明顯差異，表明擋沙潛堤對(duì)橫流的影響主要是表層的影響，堤頂挑流作用能增大堤內(nèi)表層橫流。

3）針對(duì)90%以內(nèi)的橫流流速累積頻率，進(jìn)行相關(guān)分析并擬合公式，分析表明測(cè)量期間擬合公式的精度較高，且橫流累積頻率分月擬合曲線與多月擬合曲線較為接近。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)公式可得出各測(cè)點(diǎn)累積頻率及其對(duì)應(yīng)的橫流流速，進(jìn)而為港區(qū)船舶調(diào)度或航道寬度設(shè)計(jì)等提供參考。

[1]孫波，孫林云，劉建軍，等.京唐港自然條件及海岸泥沙運(yùn)動(dòng)分析[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2005. SUN Bo,SUN Lin-yun,LIU Jian-jun,et al.The analysis of Jingtang Port natural conditions and coastal sediment movement[R]. Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2005.

[2]季則舟，于泳，孫林云，等.唐山港京唐港區(qū)深水航道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2015. JI Ze-zhou,YU Yong,SUN Lin-yun,et al.Technology research of deepwater channel construction of Tangshan Port Jingtang District [R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2015.

[3]張瑋，李澤，劉燃，等.環(huán)抱式防波堤口門航道橫流三維特性研究[J].海洋工程，2014，32（1）：91-98. ZHANG Wei,LI Ze,LIU Ran,et al.Research on three-dimensional characteristics of cross-flow in approach channel at entrance of encircle breakwater[J].The Ocean Engineering,2014,32(1):91-98.

[4]方國(guó)洪.潮汐和潮流的分析和預(yù)報(bào)[M].北京：海洋出版社，1986：88-93. FANG Guo-hong.Analysis and prediction of tides and tidal currents[M].Beijing:China Ocean Press,1986:88-93.

[5]JTS 165—2013，海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 165—2013,Design code of general layout for sea ports[S].

[6]張瑋，李澤.基于最大橫流累積頻率的航道寬度設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2014（10）：27-30. ZHANG Wei,LI Ze.Design method of approach channel width under maximum guaranteed cross flow rate[J].China Harbour Engineering,2014(10):27-30.

Analysis on observed crossflow at the beach of Jingtang waterway

WU Fu-liang1,2,TANG Lei1,YU Yong3,SUN Lin-yun1*
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing,Jiangsu 210029,China;2.College of Harbour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;3.Tangshan Port Industrial Group Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063611,China）

Based on the observed tidal current data at the beach of Jingtang waterway on August 2014 to April 2015,we analyzed the flow velocity and direction of tidal current with the method of mathematical statistics,and analyzed the velocity and cumulative frequency of crossflow.The results show that the tidal current on the beach of Jingtang waterway is mainly reciprocating flow,the flow direction roughly parallels to the shoreline,the velocity is concentrated in 0.25 to 0.5 m/s,the velocity of crossflow on the beach is mainly concentrated in 0.25 to 0.5 m/s,submerged breakwater mainly increase the velocity of tidal current and crossflow at the surface layer,the velocity of crossflow and cumulative frequency have good corresponding relationships,the correlation degree of fitting curve is high,and it can provide the reference for shop scheduling or channel width design in the port area.

Jingtang Port；observed；tidal current；crossflow；cumulative frequency；fitting curve

U612.32；P731.21

A

2095-7874（2017）05-0015-04

10.7640/zggwjs201705004

2016-11-27

2017-02-20

吳福亮（1993—），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事海岸泥沙研究。

*通訊作者：孫林云，E-mail：linyunsun@sina.com