黄浦江航道维护中的长航道乘潮水位计算

黄浦江航道维护中的长航道乘潮水位计算
夏军;施友仁
【摘要】黄浦江为感潮河段长航道,与其他类似航道相比,黄浦江还存在港区集中、船舶进口时间不一且并非在最优乘潮时间之后即靠泊码头的特点.针对上述问题,对进港时间与乘潮历时的相关关系进行研究,采用多站水位联合计算的方式,提出以进口时间作为限制条件,根据具体进口时间(潮时)推算航行到各航段所对应时间(潮时),并结合单站涨落潮时间与船舶过站时间的数学关系,进而计算需乘潮历时和可能乘到的潮位的方法.通过该方法的计算,在进口时间受限的情况下,可得到船舶靠泊各个港区所需的最佳乘潮时间和对应的乘潮水位,并以此分别确定航道各段的维护高程,合理利用有限资源,减少工程投资.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2019(000)005
【总页数】5页(P109-113)
【关键词】乘潮水位;乘潮历时;多站联合计算;黄浦江;航道维护
【作者】夏军;施友仁
【作者单位】中交上海航道勘察设计研究院有限公司, 上海200120;上海市码头(航道) 管理中心, 上海200120
【正文语种】中文
【中图分类】U612
黄浦江横贯整个上海市，是太湖水系中通往长江的最大河流，发源于淀山湖口的淀峰。

黄浦江干流自分水龙王庙至河口全长约83 km，其中巨潮港以下至吴淞口灯
塔约67.35 km区段为沿海开放性航道。

根据《交通部、水利部、国家经贸委关于内河航道技术等级的批复》，黄浦江巨潮港—吴泾航道全长13.71 km，可通航3 000吨级海轮；吴泾—张华浜段航道长46.7 km，可乘潮通航2万吨级海轮；张华浜—吴淞口段航道长6.94 km，可乘潮通航3万吨级海轮。

黄浦江沿线码头较为集中，按照《上海黄浦江通航安全管理
规定》的要求，黄浦江内船舶航行速度不超过8 kn，因此靠泊不同区域码头的不
同船型所用的乘潮历时各不相同，最大乘潮历时将达到4.5 h。

如果使用单潮位站的潮位统计资料，黄浦江航道的水深将不能得到充分利用，且航道维护成本将极大提高。

目前长航道乘潮问题已有相关的研究成果[1-4]，但这些成果主要针对进出潮汐河
口长航道船舶最优乘潮方式[5]。

而黄浦江航道乘潮计算还存在港区集中、船舶进
口时间不一且并非在最优乘潮时间之后即靠泊码头的特点，需要根据不同的靠泊码头和进口时间分别计算乘潮水位，因此已有方法不完全适用于黄浦江航道。

本文以黄浦江航道实际维护过程中选用的乘潮计算为例，提出黄浦江航道的乘潮水位计算思路和方法，供类似工程借鉴。

1 计算思路
根据黄浦江通航情况，设计船型基本都是沿海船舶，海船经过长江口航道、南港航道到达吴淞口后，有2种进口方式(图1)：1)在适宜进口的情况下，一潮水直接进入黄浦江航道到达目的港码头；2)在不适宜进口的情况下，船舶在吴淞口锚地待泊，待适宜进口时再起锚进入黄浦江，到达目的港码头(二潮水进口)。

图1 黄浦江航道进港船舶进口方式
由于从吴淞口进黄浦江航道的时间不同，必然会使进口船舶可能利用的乘潮水位都不同，由此要求的航道通航水深也有所不同。

因此，分析各类设计船型在吴淞口的进口时间，再根据具体进口时间(潮时)计算航行到各航段所对应时间(潮时)(图2)，并由此计算需乘潮历时和可能乘到的潮位，并结合进港保证率的要求确定各类设计船型所需每段航道的通航水深。

由于黄浦江航道出口船舶均为空船或小型重载船舶，吃水较浅，因此本文不考虑出口乘潮，仅考虑进口利用的乘潮水位。

注：t1～t6为进口时间，为靠泊时间。

图2 由进口时间(潮时)计算不同的靠泊时间(潮时)
2 进口时间分析
2.1 一潮水进港
根据2018年1月15日起施行的《长江口深水航道通航安全管理办法(试行)》有
关规定：需要在长兴高潮前1～4 h进入深水航道的船舶，应当编队航行。

需要编队航行的船舶包括：1)淡吃水大于11.5 m的船舶；2)邮轮、客运班轮和最大宽度大于32.5 m的油船、化学品船、液化气船；3)最大宽度大于40 m的船舶；4)需
要编队航行的其他船舶。

禁航的情况：实际吃水小于7 m的船舶(客运班轮除外)、废钢船舶、拖带船队禁止在深水航道及两侧水域内航行。

根据上述规定，黄浦江航道设计船型中5 000吨级以下船舶不允许通过长江口深
水航道，因此不受其进口有关时间限定，其进口走南槽航道；5 000～3万吨级船型，按规定需在交通管制时间外进口；3万吨级以上船型则需在长兴高潮前1～4
h进入深水航道。

由此，大型船舶航速按11 kn计，航行至吴淞口需要的时间为5.21 h，即长兴高
潮后1.21～4.21 h到达吴淞口，为吴淞口高潮后0.84～2.84 h；5 000～3万吨
级船型在其他时间到达吴淞口。

2.2 二潮水进港
一潮水无法进港的船舶往往在吴淞口待泊，并在合适的时间进港。

黄浦江一般1
万吨级以上重载船舶都控制在平流、初落时(当地高潮后2～3 h)抵达泊位进行靠泊，由于泊位地点远近不一，同时为避免船舶集中进口，所以进口时间也不同。

二潮水进港船舶的一般规律为：1)靠闵行发电厂船舶在吴淞高潮前1 h进口；2)靠龙吴地区船舶在吴淞高潮时到高潮前0.5 h进口；3)靠开平、北票码头船舶，一般在吴淞高潮时进口；4)靠新华港区附近的码头一般在吴淞高潮后0.5 h进口；5)靠高桥、陈家嘴码头船舶，一般在吴淞高潮后1 h进口；6)靠张华浜、军工路码头船舶，在吴淞口高潮后1.5 h进口。

3 计算方法
若要计算船舶在各航段所需乘潮水位，首先需明确船舶在各航段所需的乘潮历时。

假设A、B两点为实测潮位站，船舶在当地(A点)高潮前t1时间经过A点，此时
乘潮历时为T1前(图3)。

由历史潮位数据可推算出A点涨、落潮时间分别为a1、b1，根据其与潮波的关系，则可得：
(1)
同理，若船舶在当地高潮后t1时间经过A点，则相应的乘潮时间T1后为：
(2)
由此可知，当地乘潮历时可由船舶对应的进口时间(与潮位的相对时间)推算得出，船舶经过B点的乘潮历时实际上可转化为计算船舶与当地潮时的相对时间t2(图3)，即B点涨、落潮时间分别为a2、b2，若船舶在当地(B点)高潮前t2时间经过B点，则其对应乘潮历时为：
(3)
若船舶在当地(B点)高潮后t2时间经过A点，则相应的乘潮时间为：
(4)
图3 单船乘潮过程
在已知船舶进口时间t1的前提下，t2的计算即可成为数学中的“追越”问题：假定船舶对地航行速度为v，并认为在A～B之间航行速度不变；潮波传播速度为v1，该速度根据A、B两点距离l和潮位相位差求得，A～B之间速度v1相同。

由空间平面关系(图4)可得到：
(5)
将式(5)分别代入式(3)、(4)，即可得到高潮前、后进口的乘潮历时：
(6)
(7)
图4 高潮前、后船舶航行与潮波推进空间
进口时间分析有8种情况，实际上由于受长江口进口排队及其航行干扰、避让等
因素，往往提前进口，采用慢车滞航的办法到达目的港码头。

另外，根据前述黄浦江1万吨级以上重载船舶一般都掌握在平流、初落时抵达泊位进行靠泊的情况，
为计算方便，把2种进口方式合并成6种(即二潮水进港时间)到达具体港区泊位的进口时间来计算到达具体港区泊位的设计船型可能乘到的潮位。

通过上述计算，黄浦江航道进口船舶的航行和靠泊的乘潮过程实际转变为计算各个单站的可乘潮水位，由于黄浦江航道沿程码头较为集中，可通过在主要靠泊位置增
设“虚拟潮位站”的方式，计算相应靠泊船舶的乘潮时间和对应的乘潮水位。

根据沿江各码头区距离吴淞口的距离、黄浦江潮波传播速度，航速按6 kn计算，再结合上述乘潮历时与船舶到各站点的到站时间(与当地高潮的相对值)，可得到不同时间进港船舶在黄浦江沿途对应的过站时间t和乘潮历时T，见表1(“HW-”表示高潮前，“HW+”表示高潮后)。

表1 不同进口时间到达各港区的过站时间和乘潮历时站名l∕kmHW-1 hHW-0.5 hHW+0HW+0.5 hHW+1 hHW+1.5 ht∕hT∕ht∕hT∕ht∕hT∕ht∕hT∕ht∕hT∕ht∕hT∕h吴淞口张华浜、军工路港区高桥朱家门陈家嘴民生港黄浦公园北票龙吴港区吴泾巨潮港7.503.875.811.795.032.788.5512.133.6016.76-1.002.60-
0.501.30000.500.811.001.631.502.43-0.521.34-
0.020.060.480.770.981.591.482.411.973.22-
0.270.700.220.360.721.181.222.001.732.832.223.640.080.120.580.931.081.74
1.58
2.562.08
3.382.57
4.180.190.300.691.111.191.921.682.732.193.563.684.36 0.490.790.991.611.492.421.993.232.494.052.994.850.661.061.161.861.662.67 2.163.472.664.283.16
5.081.272.011.772.802.273.592.774.383.275.183.775.96
2.14
3.382.64
4.173.144.963.64
5.754.14
6.554.63
7.332.403.732.904.503.395.28
3.896.06
4.406.844.897.613.59
5.594.09
6.374.59
7.155.097.925.60
8.716.09
9.48 由上述“虚拟潮位站”的乘潮历时，可得到不同进口时间对应的各靠泊水域的乘潮潮位。

以高潮前1 h从吴淞口进口的船舶为例，其乘潮水位见表2，其他进口时间类似。

在经济适用的航道设计原则下，以黄浦江目前人工维护航道的维护深度为基础，根据不同进口时间、不同船型对应的乘潮保证率确定的乘潮潮位即可计算各段航道所要求的通航水深[6]:
h≥D0-H
(8)
式中：H为航道相对于理论最低潮面的水深；D0为航道通航水深；h为相对于理
论最低潮面的乘潮水位。

表2 乘潮水位累积频率∕%乘潮水位∕m吴淞口张华浜高桥朱家门陈家嘴民生港黄浦公园北票龙吴吴泾巨潮港
23.914.024.023.923.853.673.563.232.632.461.6653.783.863.843.743.683.503. 403.082.522.361.60103.653.723.703.603.543.383.292.982.432.271.53203.45 3.543.543.423.363.183.082.782.282.131.43303.293.363.353.253.193.032.942. 662.172.031.34403.153.233.233.123.062.902.812.542.071.931.27503.033.10 3.082.982.932.792.702.441.981.851.21602.922.982.972.862.812.672.582.331. 901.771.16702.772.842.842.732.682.542.452.221.811.691.10802.622.682.66 2.562.512.382.302.091.711.601.04902.442.482.472.362.312.182.111.911.591. 490.96952.272.332.332.212.162.031.951.771.461.370.87982.122.182.202.07 2.031.891.821.641.351.260.80
注：基面为黄浦江通用最低水位。

4 结语
1)本文采用适合黄浦江航道的长航道联合潮位站计算方式，即进口时间作为限制条件，根据具体进口时间(潮时)推算航行到各航段所对应时间(潮时)，并结合单站涨
落潮时间与船舶过站时间的数学关系，进而计算需乘潮历时和可能乘到的潮位。

该计算方法简单可行，通过公式推导即可计算长航道乘潮水位。

2)根据本文的计算方法，在进口限制的前提下，船舶在各航段能利用到较好的潮位，根据黄浦江水文资料统计分析，联合潮位站计算方式潮位利用率比单站潮位计算潮位利用率最大提高约35%。

3)根据上述的计算方法，黄浦江航道维护项目完成后沿程维护水深8～9 m，与规
划水深9～10 m相比减小约1 m。

根据计算，同平面尺度下分段实施维护工程量仅占规划水深疏浚工程量的25%，极大减少了工程投资。

4)黄浦江航道长航道乘潮水位计算在航道维护中适用性较好，该计算方法可用于进口受限、港区集中且对靠泊有特殊要求的感潮河段长航道中。

参考文献：
【相关文献】
[1]郑勤.船舶乘潮过浅模拟研究[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报,1989(2):86-92.
[2]江福才,王初生,王茂清,等.乘潮航道船舶通过能力[J].大连海事大学学报,2011,37(3):24-26.
[3]黄志扬,徐元.长航道乘潮水位计算新方法研究及应用[J].海洋工程,2017,35(3):83-88.
[4]田林,周超,张谨,等.浙江省半封闭型海湾多浅段航道乘潮通航保证率计算若干问题的探讨[J].水运工程,2003(7):33-35.
[5]徐元,黄志扬,龚鸿锋.潮汐河口长航道乘潮问题研究[J].水运工程,2011(5):1-6.
[6]中交水运规划设计院有限公司,中交第一航务工程勘察设计院有限公司.海港总体设计规范:JTS 165—2013[S].北京:人民交通出版社,2013.。