海港候潮錨地錨位數(shù)計(jì)算

連石水， 盧永昌， 孫繼斌， 喬光全

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 廣州510230)

1 候潮錨地錨位數(shù)的研究現(xiàn)狀

港口經(jīng)過十多年高速發(fā)展， 岸線資源變得越來越緊張， 大量碼頭需要通過開挖航道和港池建港。 為減少水域疏浚， 降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，壓減工程投資， 船舶通航密度較小或大噸位的碼頭一般選擇乘潮進(jìn)出港， 并相應(yīng)配置候潮錨地，確保船舶進(jìn)出港安全。

在走訪海事、 港口管理及使用單位和收集資料的基礎(chǔ)上， 總結(jié)得出以下關(guān)于錨位數(shù)的確定方法:

1)海事、 港口管理及使用單位普遍認(rèn)為錨位數(shù)與泊位數(shù)比例至少為1∶2， 當(dāng)大風(fēng)天氣時(shí)最佳比例為1∶1。 此方法僅適用于避風(fēng)錨地的錨位數(shù)計(jì)算[1]。

2)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]均提出錨位數(shù)可根據(jù)反映船舶到港規(guī)律的排隊(duì)論模型進(jìn)行計(jì)算， 公式是基于船舶到港時(shí)間和裝卸作業(yè)時(shí)間服從一定數(shù)學(xué)分布規(guī)律推算得到，并與泊位數(shù)有密切關(guān)系， 適用于待泊錨地的錨位數(shù)計(jì)算。

3)《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》還提出“連續(xù)惡劣天數(shù)法” 和仿真分析方法， 前者過于籠統(tǒng)， 用于避風(fēng)情況下錨位數(shù)計(jì)算， 沒有體現(xiàn)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的影響，且考慮船舶到港是均勻的， 結(jié)果偏大； 仿真分析方法可用于候潮錨地錨位數(shù)計(jì)算， 但過于繁瑣。

2 候潮錨地錨位數(shù)計(jì)算方法

2.1 影響候潮錨地錨位數(shù)因素分析

通常情況下， 設(shè)置候潮錨地的碼頭靠船頻率較低， 來船密度小， 一般不存在需要等待泊位的情況。 因此， 可忽略船舶在港裝卸時(shí)間和泊位數(shù)的影響， 主要考慮船舶到港規(guī)律和潮汐特征影響。

通過調(diào)查了解， 允許夜間通航時(shí)， 只要潮位合適即可進(jìn)出港， 但有些海域或部分貨船夜間不允許進(jìn)出港， 需要做更長(zhǎng)時(shí)間等待， 為此還應(yīng)考慮港口管理的有關(guān)要求。

綜上， 候潮錨地錨位數(shù)應(yīng)綜合考慮船舶到潮汐特征、 航道乘潮保證率、 航道管理、 乘潮船舶數(shù)量及船舶到港時(shí)間規(guī)律等因素， 候潮錨地錨位數(shù)Mω1及在港乘潮船舶的保證率Qω1為:

式中: ω1為保證率90%～99%時(shí)對(duì)應(yīng)在港乘潮船舶數(shù)量； ε1為潮汐特征影響系數(shù)； ε2為航道管理影響系數(shù)；Qω1為在港有ω1艘乘潮船舶的保證率，即到港少于和等于ω1艘乘潮船舶的概率之和， 參照待泊錨地錨位數(shù)計(jì)算時(shí)保證率， 取90%～99%；P(k)為在港有k艘乘潮船舶的狀態(tài)概率。

2.2 船舶到港規(guī)律及在港船舶狀態(tài)概率

《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》提出， 根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量的資料證實(shí)， 我國(guó)大連港(1979 年)、 秦皇島港煤船(1980 年)、 秦皇島港散糧船(I982—1984 年)、青島港(1982 年)、 上海港散糧船(1982—1983 年)、黃埔港件雜貨泊位(1981 年)、 天津港(2011 年)的船舶到達(dá)均服從泊松分布。

《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》也認(rèn)為船舶到港符合泊松分布規(guī)律。

張懷慧等[4]推導(dǎo)得出， 船舶到港規(guī)律服從二項(xiàng)分布， 其數(shù)學(xué)物理意義明確， 符合船舶到港分布的“客觀規(guī)律”。 假定λ 為平均每天到達(dá)的乘潮船舶數(shù)量、n為t時(shí)間內(nèi)到港船舶總數(shù)， 當(dāng)n＞10、λ∕n≤0.1 時(shí)， 泊松分布是二項(xiàng)分布的一種近似，事實(shí)上， 到港船舶數(shù)量遠(yuǎn)大于10 艘， 通常情況下， 到港船舶服從泊松分布。 考慮到計(jì)算便捷，通常采用泊松分布計(jì)算， 其結(jié)果足夠精確。

魯凡[5]通過案例分析得到， 船舶到港時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布假設(shè)， 即每天到港船舶數(shù)量服從泊松分析， 并且擬合得非常好。

劉敬賢等[6]根據(jù)天津港船舶交管中心(VTS 中心)提供的2003-01-01—2005-12-30 進(jìn)出主航道船舶的記錄資料(進(jìn)出天津港主航道船舶數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析均以天為統(tǒng)計(jì)最小時(shí)間單位)， 統(tǒng)計(jì)每天到(出)港船舶數(shù)量作為分析船舶進(jìn)出主航道、進(jìn)出港口概率分布的樣本， 在統(tǒng)計(jì)過程中， 分進(jìn)港和出港兩個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 可以用正態(tài)分布密度函數(shù)曲線、泊松分布密度函數(shù)曲線來擬合統(tǒng)計(jì)， 其擬合程度較為理想。 通過卡方檢驗(yàn)法， 正態(tài)分布的擬合程度優(yōu)于泊松分布的擬合程度。

為簡(jiǎn)化計(jì)算， 將需要乘潮進(jìn)出港船舶到港規(guī)律近似認(rèn)為與港口所有船舶到港規(guī)律一致， 服從泊松分布， 則在港有k艘乘潮船舶的狀態(tài)概率:

式中: λ 為平均每天到達(dá)的乘潮船舶數(shù)量。

2.3 潮汐特征影響系數(shù)

船舶通航窗口期和等待時(shí)間見圖1， 對(duì)于任意時(shí)刻Ti在特定水位H=HN條件下， 計(jì)算每個(gè)潮周期和每個(gè)自然日的船舶通航窗口期和船舶需要等候潮位的時(shí)間(假設(shè)船舶需要的航行時(shí)間為N小時(shí))。

圖1 船舶通航窗口期和等待時(shí)間

1) 通航窗口期: 計(jì)算每個(gè)潮周期內(nèi)H＞HN的連續(xù)時(shí)間。 對(duì)于一日內(nèi)的通航窗口期， 按照自然日取H＞HN的連續(xù)時(shí)間作為當(dāng)日的通航窗口期， 對(duì)于單日內(nèi)有多個(gè)高潮的自然日， 取連續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的作為當(dāng)日的通航窗口期。

2)船舶等候時(shí)間的計(jì)算可以分為兩種情況:

①Ti(i=1，2，…)時(shí)刻水位低于HN， 則候潮時(shí)間為第1 次高于HN且潮位窗口期大于N小時(shí)的水位對(duì)應(yīng)的時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻的差值。 如圖1 中T2時(shí)刻， 若t1-t0≥N， 則候潮時(shí)間為t0-T2， 若t1-t0＜N且t3-t2≥N， 則候潮時(shí)間為t2-T2。

②Ti(i=1，2，…)時(shí)刻水位高于HN， 如果第1次低于HN的時(shí)刻在N小時(shí)之后， 則等候時(shí)間為0；否則候潮時(shí)間為第1 次高于HN且潮位窗口期大于N小時(shí)的水位對(duì)應(yīng)的時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻的差值。如圖1 中T1時(shí)刻， 若-T1≥N， 則候潮時(shí)間為0，否則為時(shí)刻的等待時(shí)間與-T1之和， 其中時(shí)刻的等待時(shí)間可采用情況①計(jì)算。 特殊的，在通航窗口期小于N的時(shí)間段內(nèi)的所有時(shí)間點(diǎn)的等待時(shí)間均按情況①計(jì)算， 如圖1 中T3時(shí)刻， 若t1-t0＜N， 則計(jì)算方法和T2時(shí)刻相同。

考慮到乘潮船舶通常噸級(jí)較大， 且來船密度較小， 可根據(jù)逐時(shí)潮汐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到保證率達(dá)到90%的連續(xù)不能乘潮進(jìn)出港時(shí)間t， 則ε1=t∕24，當(dāng)t≤24 h時(shí)ε1取1.0。

2.3.1 案例1

大亞灣站2018 年潮位歷時(shí)過程數(shù)據(jù)， 統(tǒng)計(jì)得到潮位歷時(shí)曲線見圖2。

圖2 大亞灣站2018 年潮位歷時(shí)曲線

經(jīng)分析得到， 連續(xù)不能通航時(shí)間及頻率見表1， 連續(xù)不能通航時(shí)間累積頻率曲線見圖3。

表1 連續(xù)不能通航時(shí)間及頻率

續(xù)表1

圖3 連續(xù)不能通航時(shí)間累積頻率曲線

如圖3 所示， 保證率達(dá)到90%對(duì)應(yīng)連續(xù)不能乘潮進(jìn)出港時(shí)間約為10 h， 則ε1=0.42(＜1)，取1。

2.3.2 案例2

欽州龍門站2018 年潮位歷時(shí)過程數(shù)據(jù)， 統(tǒng)計(jì)得到潮位歷時(shí)曲線見圖4。

圖4 欽州龍門2018 年潮位歷時(shí)曲線

經(jīng)分析得到， 乘潮歷時(shí)為3 h， 保證率分別為50%、 70%、 80%和90%時(shí)連續(xù)不能通航時(shí)間累積頻率曲線， 見圖5。

圖5 連續(xù)不能通航時(shí)間累積頻率曲線

統(tǒng)計(jì)得到， 全國(guó)沿海港口航道乘潮保證率均不小于70%， 在乘潮保證率為70%、 80%和90%時(shí)對(duì)應(yīng)保證率為90%連續(xù)不能通航時(shí)間分別為35、18 和14 h， 則ε1分別為1.46、 1 和1。

2.4 航道管理影響系數(shù)

通過調(diào)查了解， 允許夜間通航時(shí)， 只要潮位合適即可進(jìn)出港， 但有些海域或部分貨船夜間是不允許出港的， 需要做更長(zhǎng)時(shí)間等待， 因此， 允許夜間通航時(shí)ε2取1； 禁止夜間通航， 一般不能進(jìn)出港時(shí)間為12 h， 此時(shí)， ε2=1+12∕t， 當(dāng)t≤24 h時(shí)ε2取1.5。

3 案例分析

以某港區(qū)30 萬噸級(jí)航道為案例， 航道基本情況為:

1)通航標(biāo)準(zhǔn): 按滿足30 萬噸級(jí)油船不滿載(吃水19.6 m 控制)乘潮單向通航的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)， 通航寬度350 m(口門段加寬至384 m)， 設(shè)計(jì)底高程-20.6 m；2)乘潮水位: 乘潮歷時(shí)3 h、 保證率90%，水位1.80 m； 3)潮汐特征: 海區(qū)為不正規(guī)半日潮；4)航道管理: 允許夜間通航； 5)30 萬噸級(jí)油碼頭任務(wù)吞吐量為1 600 萬t∕a， 乘潮船舶為25 萬～30 萬噸級(jí)油船， 預(yù)計(jì)有28 艘∕a， 航道可通航天數(shù)為321 d。

根據(jù)式(2)和(3)， 計(jì)算得到在港有ω1艘乘潮船舶的保證率Qω1， 見表2。

表2 在港有ω1 艘乘潮船舶的保證率Qω1

若取Qω1=0.95， 則ω1=1。 根據(jù)逐時(shí)潮汐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到保證率達(dá)到90%對(duì)應(yīng)連續(xù)不能乘潮進(jìn)出港時(shí)間為22 h， 則ε1=1； 航道允許夜間通航， 則ε2=1； 因此， 該港區(qū)30 萬噸級(jí)油品碼頭所需候潮錨地錨位數(shù)Mω1=1。

4 結(jié)論

1)候潮錨地錨位數(shù)應(yīng)綜合考慮船舶到港時(shí)間規(guī)律、 潮汐特征、 航道管理等因素。

2)為簡(jiǎn)化計(jì)算， 將需要乘潮進(jìn)出港船舶到港規(guī)律近似認(rèn)為與港口所有船舶到港規(guī)律一致， 服從泊松分布。

3)在港有ω1艘乘潮船舶的保證率Qω1=P(k)，參照待泊錨地錨位數(shù)計(jì)算時(shí)保證率， 取90% ～99%， 據(jù)此求出在港乘潮船舶的數(shù)量ω1。

4)候潮錨地錨位數(shù)Mω1=ω1ε1ε2， 其中ε1為潮汐特征影響系數(shù)， 可根據(jù)逐時(shí)潮汐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到保證率達(dá)到90%對(duì)應(yīng)連續(xù)不能乘潮進(jìn)出港時(shí)間， 則ε1=t∕24， 當(dāng)t≤24 h 時(shí)ε1取1.0； ε2為航道管理影響系數(shù)， 允許夜間通航時(shí)ε2取1； 禁止夜間通航， ε2=1+12∕t， 當(dāng)t≤24 h 時(shí)ε2取1.5。