重現(xiàn)期高潮位在廣西全日潮岸段警戒潮位核定等應(yīng)用中的局限性分析

姜紹材，黃子眉

（國(guó)家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西北海536000）

1 引言

重現(xiàn)期高潮位是表征高潮位值的重要指標(biāo)，在各類涉海工程設(shè)計(jì)、海洋預(yù)報(bào)減災(zāi)等領(lǐng)域應(yīng)用甚廣，如我國(guó)現(xiàn)行的《警戒潮位核定規(guī)范GB/T17839—2011）》、《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GBT51015—2014）》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中均將重現(xiàn)期高潮位作為最重要的設(shè)計(jì)或計(jì)算參數(shù)之一。重現(xiàn)期高潮位通常采用第Ⅰ型極值分布律、皮爾遜Ⅲ型頻率曲線的方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于觀測(cè)資料較短的地區(qū)可采用與鄰近長(zhǎng)期驗(yàn)潮站同期數(shù)據(jù)通過(guò)極值同步差比法、高潮同步相關(guān)法、增減水同步相關(guān)法等方法計(jì)算得到[1-2]。

通過(guò)以上方法計(jì)算所得重現(xiàn)期高潮位在廣西全日潮岸段警戒潮位核定中的簡(jiǎn)單應(yīng)用存在所核定警戒潮位級(jí)別間差距過(guò)小，預(yù)警發(fā)布不具備可操作性，對(duì)應(yīng)急管理指導(dǎo)性弱，警戒潮位與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、風(fēng)暴增水強(qiáng)度相關(guān)性差等局限性，本文通過(guò)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行分析，并提出適應(yīng)于廣西沿海的警戒潮位核定方法。

2 廣西全日潮地區(qū)重現(xiàn)期高潮位特點(diǎn)與成因分析

2.1 廣西沿海潮汐特征

廣西沿海是我國(guó)少有的全日潮岸段，除東部沿海為不規(guī)則全日潮外，中西大部沿海均為規(guī)則全日潮[3]。從單站來(lái)看，廣西沿海目前具有多年連續(xù)觀測(cè)的驗(yàn)潮站共6個(gè)，分別位于白龍尾、防城港、欽州港、北海港、鐵山港和潿洲島，其中鐵山港地區(qū)為不正規(guī)全日潮，其它地區(qū)均為正規(guī)全日潮。

圖1 廣西沿海各驗(yàn)潮站分布圖

表1 廣西沿海各驗(yàn)潮站潮汐類型特征值

2.2 各站重現(xiàn)期高潮位

北海港、潿洲島兩站分別建站于1965年和1960年。白龍尾站為曾用站，具有14 a的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)已停用。其它各站建站時(shí)間較短，為5～20 a不等，各站分別采用第I型極值分布律或極值同步差比法確定重現(xiàn)期高潮位如表2。

2.3 各站重現(xiàn)期高潮位特點(diǎn)

2.3.1 同一重現(xiàn)期高潮位沿岸高于外海，東部高于西部

廣西沿海白龍尾、防城港、欽州港、北海港、鐵山港5站均為沿岸站，潿洲島站為海島站，圖3顯示了統(tǒng)一高程關(guān)系下，各主要重現(xiàn)期高潮位隨各站空間位置的變化曲線，可見(jiàn)同一重現(xiàn)期高潮位5個(gè)沿岸站均高于海島站。沿岸5個(gè)站中，重現(xiàn)期高潮位呈現(xiàn)明顯的自西向東逐漸增大的趨勢(shì)。

2.3.2 同一站點(diǎn)高潮位隨重現(xiàn)期變化小

選取警戒潮位核定、海堤設(shè)計(jì)等較常用的2年、20年、50年、100年4個(gè)重現(xiàn)期為代表，發(fā)現(xiàn)廣西沿海各站不同重現(xiàn)期間的高潮位差值普遍較小，其中2年一遇與20年一遇高潮位差值位于39～43 cm之間，20年一遇與50年一遇高潮位差值位于15～17 cm之間，50年一遇與100年一遇高潮位差值位于11～12 cm之間。

2.4 廣西重現(xiàn)期高潮位在實(shí)際應(yīng)用中的局限性

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)值級(jí)別間差距過(guò)小、無(wú)法完成四色警戒潮位核定

廣西沿海標(biāo)準(zhǔn)海堤防御標(biāo)準(zhǔn)多為20年一遇，非標(biāo)準(zhǔn)海堤多為5～10年一遇土堤、土石堤。藍(lán)色、紅色警戒潮位標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)分別采用2年一遇、5～20年一遇高潮位。各站2年一遇與20年一遇高潮位差值僅為39～43 cm。經(jīng)修正值修正后，藍(lán)色、紅色警戒潮位差值過(guò)?。ǖ陀?0 cm）。紅色警戒潮位標(biāo)準(zhǔn)值采用5年一遇高潮位的岸段，經(jīng)修正值修正后可出現(xiàn)紅色警戒潮位低于藍(lán)色警戒值的不合理情況。

表2 各站重現(xiàn)期高潮位（單位：cm）

圖2 兩站第I型極值分布律頻率曲線

圖3 重現(xiàn)期高潮位隨各站位置變化曲線圖

圖4 廣西各站與上海蘆潮港、浙江舟山不同重現(xiàn)期高潮位差值對(duì)比（上海蘆潮港和浙江舟山數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[4]）

表3 各站不同重現(xiàn)期高潮位差值表

2.4.2 預(yù)警發(fā)布不具備可操作性、對(duì)應(yīng)急管理指導(dǎo)性差

目前我國(guó)防潮、防洪習(xí)慣采用不同重現(xiàn)期潮、水位作為應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。以廣西北海市為例，《北海市洪潮應(yīng)急預(yù)案》及《合浦縣防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案》以原警戒潮位作為Ⅳ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，以10年、20年、50年一遇高潮位分別作為Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅰ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。4級(jí)間極差分別為12、10、15 cm，差值過(guò)小，預(yù)警級(jí)別確定難度大，且在浪、潮共同作用下無(wú)法有效體現(xiàn)潮位與潮災(zāi)的關(guān)系[5]，對(duì)應(yīng)急管理指導(dǎo)意義不大。

2.4.3 所核定警戒潮位與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、風(fēng)暴增水強(qiáng)度相關(guān)性差

在相似臺(tái)風(fēng)路徑下臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、風(fēng)暴增水強(qiáng)度及浪潮疊加對(duì)堤防的破壞性通常有較好的正相關(guān)性，但由于廣西全日潮岸段特殊的天文潮、風(fēng)暴增水疊加效果，重現(xiàn)期高潮位及其核定產(chǎn)生的警戒潮位與以上各指標(biāo)相關(guān)性差，造成預(yù)警級(jí)別與實(shí)際致災(zāi)等級(jí)無(wú)法有效對(duì)應(yīng)。

3 造成廣西重現(xiàn)期高潮位特點(diǎn)和局限性的原因分析

目前重現(xiàn)期高潮位計(jì)算多采用第Ⅰ型極值分布律和皮爾遜Ⅲ型頻率曲線的方法，對(duì)長(zhǎng)年連續(xù)觀測(cè)站點(diǎn)兩種方法均需以20 a以上實(shí)測(cè)年最高潮位作為經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)，頻率曲線需與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)相吻合。廣西沿海與其它東南沿海省份雖同為臺(tái)風(fēng)主要影響地區(qū)，平均每年出現(xiàn)30 cm以上增水的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮2.2次[6]，但由于廣西沿海為正規(guī)或不正規(guī)全日潮，除東部鐵山港外，每月全日潮天數(shù)多在20 d左右，半日潮天數(shù)僅10 d左右，各驗(yàn)潮站平均潮差2.35～2.58 m，最大潮差5.19～6.21 m，全日潮期間漲潮歷時(shí)達(dá)12 h左右，退潮歷時(shí)達(dá)11 h左右[7]。因此風(fēng)暴潮增水與天文高潮位疊加幾率低，每年最高潮位多為天文潮所致，以北海港為例，1965年建站以來(lái)的54 a間，年最高潮位為風(fēng)暴潮所致的僅為5次（見(jiàn)表4），其余49次均為天文潮所致。

表4 由風(fēng)暴潮所致當(dāng)年最高潮位出現(xiàn)年份統(tǒng)計(jì)表

1965—2018年北海港各年最高潮位出現(xiàn)在3.10～4.00 m之間，由于主要為天文潮所致，各年最高天文潮位變化不會(huì)過(guò)大，集中在3.10～3.70 m之間（見(jiàn)表5）。

表5 1965—2018年北海港年最高潮位出現(xiàn)頻率

重現(xiàn)期高潮位計(jì)算中的經(jīng)驗(yàn)頻率與各年最高潮位的累計(jì)頻率有關(guān)，北海港各年最高潮位累計(jì)頻率50%（即經(jīng)驗(yàn)頻率2年一遇）的高潮位為3.41 m，累計(jì)頻率5%（即經(jīng)驗(yàn)頻率20年一遇）的高潮位為3.64 m，兩者僅相差23 cm。

4 廣西沿海警戒潮位核定方法的建議

前文提到廣西沿海海堤防御水平普遍不高，且不同重現(xiàn)期間差值偏小，因此無(wú)法嚴(yán)格按照警戒潮位核定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核定，本文依據(jù)以上特點(diǎn)初步提出紅色警戒潮位的核定方法。

4.1 雙坡型海堤岸段

4.1.1 計(jì)算方法

該類型海堤堤后通常地勢(shì)低洼、開(kāi)闊，當(dāng)出現(xiàn)潰堤、漫堤時(shí)易造成大面積淹沒(méi)，同時(shí)當(dāng)風(fēng)暴潮與強(qiáng)降雨疊加時(shí)，易造成內(nèi)澇。因此該類型海堤紅色警戒潮位核定中建議采用不允許越浪條件下計(jì)算得出的堤頂高程與波浪爬高之差作為標(biāo)準(zhǔn)值，采用岸段重要等級(jí)、海堤結(jié)構(gòu)等作為修正值，并綜合考慮水閘等附屬設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)、沉降等進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算公式如下：

公式如下：

式中：Hr為紅色警戒潮位，HT為堤頂高程，Hw為不允許越浪條件下波浪爬高，h3為岸段重要等級(jí)修正值，h4為海堤結(jié)構(gòu)修正值，h5為水閘等附屬設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)、海堤沉降等調(diào)整值，以上單位全部為cm。

當(dāng)海堤采用不允許越浪設(shè)計(jì)時(shí)，式中HT-Hw可采用設(shè)計(jì)潮高與安全加高代替；Hw計(jì)算方法參照《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GBT51015—2014）》；h3計(jì)算方法參照《警戒潮位核定規(guī)范（GB/T17839—2011）》；h4計(jì)算方法建議針對(duì)土地、土石堤、石砌海堤、混凝土海堤等不同結(jié)構(gòu)綜合評(píng)估海堤運(yùn)行狀態(tài)和防御能力制定相應(yīng)參考數(shù)值；h5計(jì)算方法建議考慮水閘等設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)對(duì)警戒潮位值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，對(duì)于新建海堤需考慮其沉降量對(duì)警戒潮位進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算方法可參照《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GBT51015—2014）》堤頂高程設(shè)計(jì)中對(duì)沉降量的計(jì)算方法。

4.1.2 與國(guó)標(biāo)核定方法的差異分析

本方法與國(guó)標(biāo)核定方法相比具有其更加適應(yīng)廣西風(fēng)暴潮與堤防特點(diǎn)的方面主要有：

（1）考慮了海堤安全加高。海堤在設(shè)計(jì)過(guò)程中在設(shè)計(jì)高潮位、波浪爬高的基礎(chǔ)上還需根據(jù)海堤工程級(jí)別增加安全加高，新方法將安全加高作為實(shí)際防御的一部分，既符合實(shí)際防御能力，又解決了紅、藍(lán)色警戒潮位標(biāo)準(zhǔn)值過(guò)于接近的問(wèn)題。

（2）考慮了越浪問(wèn)題。臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮通常伴隨強(qiáng)降雨，雙坡型海堤堤后低洼，且受風(fēng)暴潮影響水閘須處于關(guān)閉狀態(tài)，堤后易澇，同時(shí)出于安全考慮，本方法考慮以不允許越浪為核定標(biāo)準(zhǔn)[8]。

（3）考慮了工程沉降。采用堤頂高程作為紅色警戒潮位核定的重要指標(biāo)，考慮了海堤工程建成后的沉降問(wèn)題。

4.2 碼頭、護(hù)岸岸段及自然岸線

4.2.1 計(jì)算方法

該類型沿海陸域高程通常不低于海岸前沿，在不考慮岸線蝕退[9]的情況下，風(fēng)暴潮災(zāi)害主要來(lái)自于漫灘淹沒(méi)，紅色警戒潮位核定建議以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合海洋災(zāi)害承災(zāi)體調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃工作進(jìn)行綜合評(píng)估[10]，即當(dāng)潮位達(dá)到某一值時(shí)會(huì)造成重大或特別重大海洋災(zāi)害損失，則該值即可設(shè)定為紅色警戒潮位標(biāo)準(zhǔn)值，并可根據(jù)岸段重要等級(jí)進(jìn)行修正。

4.2.2 與國(guó)標(biāo)核定方法的差異分析

本方法對(duì)國(guó)標(biāo)核定方法中紅色警戒潮位的定義進(jìn)行了修改，主要體現(xiàn)在：

（1）允許較輕強(qiáng)度的漫灘淹沒(méi)。國(guó)標(biāo)核定方法中紅色警戒潮位是指防護(hù)區(qū)沿岸及其附屬工程能保證安全運(yùn)行的上限潮位，本方法核定值允許超過(guò)防御能力上限，改為由是否造成重大或特大海洋災(zāi)害為標(biāo)準(zhǔn)。

（2）紅、藍(lán)色警戒潮位差值擴(kuò)大，解決了廣西沿海無(wú)法嚴(yán)格參照國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行核定的問(wèn)題。

5 結(jié)論

廣西全日潮岸段因天文潮、風(fēng)暴增水疊加概率低，傳統(tǒng)計(jì)算方法造成高潮位頻率曲線潮位值隨重現(xiàn)期變化小的特點(diǎn)，同時(shí)廣西海堤防御標(biāo)準(zhǔn)普遍不高，防潮應(yīng)急管理部門(mén)習(xí)慣采用重現(xiàn)期高潮位作為應(yīng)急響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了重現(xiàn)期高潮位的簡(jiǎn)單應(yīng)用在警戒潮位核定、防潮應(yīng)急管理中存在局限性。建議在警戒潮位核定和防潮應(yīng)急管理中打破單純以傳統(tǒng)重現(xiàn)期高潮位作為主要指標(biāo)的模式，充分考慮海堤實(shí)際防御能力、風(fēng)暴潮漫灘淹沒(méi)等。