莱州港地处渤海莱州湾东岸, 港口自然条件优越, 岸线资源丰富, 是莱州湾及黄河三角洲地区近千公里沿岸罕有的具备条件建设深水码头和打造亿吨大港的港口。“烟台港莱州港区5万吨级航道疏浚工程”是拟在现有航道基础上扩建成5万吨级航道工程。工程设计航道长度26.4 km。莱州港附近海域为不正规半日潮, 莱州港区受莱州湾半日潮波系统及蓬莱外海日潮波系统的综合影响, 潮汐性质比较复杂。
本工程疏浚航道长, 属于远距离潮位控制。我部在天津海测大队的技术支持下, 基于天文潮位加余水位订正的潮位推算方法, 研究实施了本工程的远距离潮位控制。现在本工程已完工, 处于通过竣工验收阶段。本文就此次潮位控制的推算方法的原理和在本工程应用过程进行阐述。
潮位推算的基本原理是根据本区域的潮汐特征, 计算测区内网格点主要分潮的调和常数。利用附近海域的长期验潮站资料分析所有分潮的调和常数, 对施工区内的数值计算结果进行修正, 同时确定当地平均海面、验潮记录零点、1985国家高程基准以及理论最低潮面之间的关系, 从而确定各点的理论最低潮面。然后利用各点上的数据内插计算施工区内的任意点主要分潮的调和常数和理论最低潮面, 并利用长期验潮站主要分潮与随机分潮之间的差比关系, 将任意点的调和常数加以扩展, 据此推算该点的瞬时天文潮位。最后利用长期验潮站实测潮位计算给定时刻的余水位, 并据此推算该时刻测区内任意测点给定时刻的潮位。
假定某地的潮汐调和参数已知, 那么其潮高与时间的函数表达式可通过调和参数来表达, 表达式如式 (1)
式中:h (t) 表示某地t时刻的潮高;Hi为调和分析参数第i个分潮的振幅;σi为调和分析参数第i个分潮的角速率;υoi为引力潮展开式第i分潮于to时刻的天文相角;gi为i分潮的迟角;t为当地某时刻;i取值决定于潮汐调和分析时取得的分潮个数或参与预报计算确定的分潮个数。
当某地可进行潮汐预报并同时进行潮位观测时, 我们可以对预报的结果进行评估。即可以求取预报值的实际偏差。我们把预报值与实测值不符的部分定义为余水位。
分析得出某地潮位推算误差实际包含了调和分析参数误差带来的推算潮位误差、非调和潮汐因素对推算潮位的实际影响值以及潮汐观测误差。
通过上面分析, 某地潮位的分析预报较准确的表达式可以改成:
式中:k (t) 为由于潮汐调和参数误差带来的潮位修正项;△为非潮汐因素对潮位的贡献值。
如果某地推算潮位已知, 同时又进行了潮位观测得到实时潮位d (t) , 那么根据式 (2) 可求得:
本次潮位数据采集设置两站。莱州港验潮站位置为37-25N, 119-57E;采集时间为2011-08-24~201-09-27。航道口26+400验潮站位置为37-39N, 120-00E;采集时间为2011-08-24~2011-09-27。岸上验潮站采用压力式潮位计, 数据采集存储间隔为10min, 全天候观测、记录、存储。航道疏浚海域外端口设立定点验潮站, 采用瑞士凯乐 (KELLER) 生产的DCX-22验潮仪, 标称精度为0.1%FS (典型, FS为满量程, 50m) , 潮位采集存储间隔均为10min。
(1) 密度、气压改正。
由于水深测量精度要求较高, 需考虑气压变化对水位测量精度的影响, 使用 (DCX-22 BARO 0.8...1.3bar绝压) 做气压补偿, 将DCX-22验潮仪的压力零点修正至瞬时海面。
压力式验潮仪测量的是海水密度为1.00×103kg/m3的压力值, 而实际测量时的海水密度并不完全等于1.00×103kg/m3, 需要对观测得到的潮汐数据进行海水密度改正。
(2) 验潮零点修正。
岸上验潮站采用压力式潮位计, 受海洋环境腐蚀, 压阻片不可避免会产生变形, 带来验潮零点飘移。为监测岸上验潮站零点变动情况, 在验潮站附近设立人工水尺, 通过人工记录水位比对来监测、修正岸上验潮站零点变动。海上验潮站除仪器零点变动外、受安装载体沉降影响, 潮位记录零点的变化更加复杂, 计划采用临近验潮站实测潮位数据, 将潮汐影响剥离以判断零点飘移量并修正。
(3) 缺测水位插补。
对缺测数据的插补基于上述原理, 采用余水位订正天文潮位的方法插补。
(4) 深度基准面、平均海面确定。
采用天津海测大队《沿海港口潮汐分析处理系统》对采集的潮位数据进行调和分析, 得到调和常数, 并搜集相邻已知验潮站的长期资料对短期验潮站调和常数进行优化从而得到较稳定的短期站调和常数, 精确海上验潮站的深度基准面, 精度优于10cm。
按照国家三 (四) 等水准测量的技术要求引测莱州港平均海面, 采用同步改正的方法传算海上定点验潮站的平均海面, 精度优于5cm。
由上述基础资料分析, 本次疏浚工程海域已超出岸上验潮站的单站控制范围, 如要求潮位控制精度优于10cm (95%置信度) , 除在岸上设立验潮站外, 还要在疏浚海域设立自容式验潮站。由于海上验潮作业难度大、成本高, 且数据质量和实时性也难以保证。
经过反复讨论, 制定了实测水位结合推算水位的潮位控制方案。利用现有潮位资料分析结果和附近海区潮汐数学模型, 以莱州港验潮站为基准站, 推算航道口 (26+400) 位置的潮位, 采用双站直线分带改正的方法来对整个施工区域进行潮位控制。根据验潮结果确定分三带控制施工区潮位符合精度要求。
本潮位控制方法的应用, 为莱州港5万吨级航道工程成功解决了沿岸潮位站无法有效控制远距离海域潮汐的难题。为本工程的实施节约了大量的人力、物力、财力。本方法对于莱州港5万吨级航道工程的成功应用为我公司大航道疏浚工程的施工积累了宝贵的经验, 对于我公司的发展和港口疏浚乃至海洋工程都具有极为重要的意义。
摘要：利用岸边设立的验潮站得出的潮汐信息, 运用天文潮加余水位订正的方法推算满足精度要求的在建莱州港5万吨航道内任意点的瞬时潮高, 以此来指导疏浚施工作业和应用于航道的水深测量。
关键词：疏浚施工,水深测量,潮位控制,潮位推算
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