港口规划调查与分析

第二节港口经济社会条件调查
在港口规划工作中，只有对港口现状做出客观、真实的评价，对未来吞吐量发展趋势进行科学的预测，才能提出切实可行、符合实际的规划方案，发挥投资的最大效益。

港口现状调查和吞吐量预测工作，不但是提出切实可行而又有一定前瞻性规划方案的前提条件和出发点，而且在港口规划的前期工作中，还将为港口的定位直接提供论证依据。

港口的定位应依据港口依托城市的规模及其经济结构、腹地大小及经济发达程度来综合确定。

港口现状的调查工作应包括腹地的经济、交通状况、港口的地理位置、港口的自然条件等多方面条件，涉及面十分广泛。

港口现状调查工作进行得越细致、越深入，获得的资料越丰富，提出的规划方案就越有可能切合实际。

一、调查项目
港口规划首先涉及对腹地内经济发展、运输设施能力、集疏运条件等方面的经济社会条件的调查与分析，主要的调查项目可参考表6-1。

对拟建港区的自然条件调查（勘测）是规划调查的另一个方面，是港口规划所依据的基础。

表6-1 港口经济社会条件调查项目
第三节港口自然条件调查
一、港口自然条件的调查与分析
自然条件调查应包括地理位置、地形地质、气象、水文、环境等在内的自然条件，这是港口建设发展的先决条件。

有些港口是天然良港，而有些港口则建设成本巨大。

随着科学技术的发展，自然条件对港口影响的重要程度可能会有所变化，但不管怎样，认真调查研究港口的自然条件都是港口规划所依据的基础。

（1）地理位置条件的评价与分析
历史上看，港口的形成是在经济社会发展到一定时期，经济交往活动日益频繁，范围不断
扩大的情况下，由于海运业的出现，使处于中心位置并且交通条件便利的沿海城市成为货物运输的港口，而新一轮的经济发展又可能使港口的布局发生调整。

在港口总体布局规划中，对地理位置的描述是非常重要的，不仅要体现出港口所处位置在区域环境中的区位特点，同时还要对周边地区的基本情况，特别是主要经济交往地区情况，相互间交通运输条件等进行客观、严谨的描述。

（2）自然条件的调查与分析
自然条件是影响港口建设发展的基本条件，主要包括气象、水文、海岸动力、泥沙、地质二地貌和地震等情况。

港口建设必须充分了解、掌握自然规律，按照客观规律去适应并改造自然。

自然条件的规律应通过长年的数据积累，经归纳和总结得出结论。

对潮汐而言宜在18年以上，有些数据需要时间更长，如地震等资料的统计。

表6-2 自然条件调查项目
除表中所列的项目外，海岸地貌调查分析也对拟建港区也是十分有益的。

海岸地貌学是比较宏观的分析在风、浪、流等作用力的影响下，海岸带变化的一门科学，它所涉及的预计未来海岸的冲淤变化对港口规划是有参考价值的，在实际工作中宜吸引研究海岸地貌学人员参加新港址的海岸及河口调查分析。

本节着重讲述建港地区的自然条件调查和分析，侧重于说明自然条件如何影响港口营运以及如何根据港口规划需要整理、分析自然条件。

二、气象条件对港口的影响
影响港口建设及营运的气象因素有气温、风、雨、雾和冰，还包括雷电、雪等。

1．气温
由于各地的经度、维度不同，海拔高度不同等因素，气温会有很大的差异。

我国幅员广大，南北气温相差悬殊，严寒和酷暑对港口的装卸工作效率有较大的影响，对港口规划与设计也有一定影响，例如，高温可能会引起某些货物的自燃，高温可能会增加港口的用水量，因此在港口规划时，应对拟建港进行气温资料的调查与收集，尤其是当地的极端高气温和极端低气温，以便采取积极有效的应对措施。

2．风
风是气象因素中对港口影响最大的因素之一，它不仅直接影响港口规划与运营，甚至造成港口设施的重大破坏，它也是波浪成因的一个主要因素。

1）风的定义：
地球上各处的气压不同，把气压相等的点连接起来，就成了等压线。

气压不同所产生的气压差有大有小，在垂直于等压线方向的单位距离上的气压差即为气压梯度。

由于气压梯度的存在，引起空气从高压向低压的运动，因此形成了风，气压差越大，风速也就越大。

2）风玫瑰图
根据工程上的需要，把风记录资料分别按季度、年度、多年统计，绘制成风速、风向频率图，这个图称为风玫瑰图（图6-2）。

借助风玫瑰图可方便地确定该区域各个方向风的强度和频率，进而判断该地区的常风向和强风向，以便于在港口总平面布置、建筑物施工和港口营运中考虑风的影响。

“风玫瑰”图也叫风向频率玫瑰图，它是根据某一地区多年平均统计的各个方风向和风速的百分数值，并按一定比例绘制，一般多用八个或十六个罗盘方位表示（图6- ），由于该图的形状形似玫瑰花朵，故名“风玫瑰”（图6- ）。

图6- 风统计方向示意图图6- 风玫瑰图3．雨
港口规划统计降水日数、降水量和历时等数据，目的在于分析其对港口作业天数、装卸质量和排水设施的影响。

降水统计中，着重统计降水量、降水强度和降水日数等数据。

降水量就是指从天空降落到地面上的液态和固态(经融化后)降水,没有经过蒸发、渗透和流失而在水平面上积聚的深度。

小雨是指12小时内降水量小于5mm或24小时内降水量小于10mm的降雨过程；中雨是指12小时内降水量5～15mm 或24小时内降水量10～25mm的降雨过程；大雨是指12小时内降水量15～30mm或24小时内降水量25～50mm的降雨过程。

凡24小时内降水量超过50mm的降雨过程统称为暴雨，根据暴雨的强度又可分为：暴雨、大暴雨、特大暴雨三种。

对于日降水量大于0.1mm的，即称为1个雨日，据此可统计出全年的降水日数、不同降水量等级的降水日数。

降水对装卸作业的影响视货种和包装形式可以有很大差别。

通常对煤炭、矿石等散货和集装箱的装卸影响较小，有些杂货、粮食、水泥、化肥、农药、棉花等只要有雨即应停止装卸。

一般情况下，日降水量超过25mm作为停止作业的条件。

我国沿海降水量的分布特征主要表现为北部少，南部多，降水量年分布多集中于夏季。

降水对我国南方港口营运影响很大，江南“梅雨季节”有的地方超过100天。

由于降水停工、天晴突击装卸，加重了港口生产和船舶运行的不均衡性，降低了港航作业效率。

雨天作业是这些
港口扩大能力提高效益的重要问题。

4．雾
雾是影响船舶航行的因素之一，通常能见度小于1000m时，船舶就不宜在港内及航道上航行，其出现的日数称为有雾日数。

中国沿海年均雾日数分布，以黄海和东海沿岸较多，渤海和南海沿岸较少。

辽东半岛东侧，成山头至青岛，长江口至福建北茭以及琼州海峡一带为多雾区。

在分析雾的资料时，应注意统计每年影响港口作业和船舶航行的雾日数及其出现规律，包括雾的出现时间和持续时间。

雾日与雾实际出现时数的统计方法不同。

一日中出现一次雾，无论时间长短，即为一个雾日；而雾的实际出现时数，则由月报表中按雾的出现起止时间统计得出。

一般雾日持续时间超过3h～4h才能在港口作业天数中扣除。

在统计时，雾持续时间不足24小时但超过12小时即算1天，超过4小时算半天。

雾影响作业天数应根据具体情况调查确定。

雾妨碍海面能见度，影响航行安全，不少海损事故发生在雾日。

一般用能见度来表示雾级的大小。

所谓能见度指人正常视力在当时的天气条件下所能见到的最大距离。

“能见”是在天空背景上能将目标物的轮廓分辨出来就算作“能见”。

雾的等级划分详见表6-6。

表6-6雾的能见度的等级表
三、海象条件对港口的影响
影响港口建设和营运的海象因素主要包括潮汐、波浪、近岸海流、海冰和海岸泥沙等。

1、潮汐
潮汐是海水受月球和太阳引力的作用而产生的一种规律性升降运动，是港口规划、设计和建设中的一个重要考虑因素。

与港口相关的潮汐特征主要有潮位和潮流流速。

潮位对确定码头、防波堤高程以及港池、航道水深具有重要意义，在港口水工建筑物设计和施工中也是一个重要因素。

潮流对船舶的航行，航道冲淤有一定影响。

对于潮位、流速特征应设观测站进行观测。

潮汐对港口规划、设计和建设可能带来的影响应通过数学模型或物理模型进行深入分析和研究。

研究前通常应针对大、中、小潮选择典型潮时，在较大海域上进行完整的一个潮周期的潮流、潮位同步观测，为进一步研究潮流运动规律以及潮流运动对泥沙运动造成的影响提供必要的资料。

1）基准面和特征潮位
陆上工程建设之前，要进行地形勘测。

对于海岸工程，既要进行陆上地形勘测，还要进行海上水深测量。

两者都必须要有一个高程零点，称为基准面。

（1）理论深度基准面
平均海平面是确定陆地高程的零点，但是，对海洋深度而言，由于潮位的升降，海面大约
有一半的时间是低于平均海平面。

因此，如果以平均海平面作为深度的零点进行海图标深，则实际上约有一半的时间水深达不到海图所标水深。

为了保证航海的安全，常采用另一种基准面，使得在绝大部分时间内，实际水深大于海图上所标明的深度值。

海图深度基准面的确定，许多国家都不一样，主要有如下几种：可能最低潮位面，平均大潮低潮面，实测最低潮面等。

我国于1956年以后统一采用“理论(深度)基准面”作为海图深度基准面，它是通过组合计算所得到的理论上潮汐可能达到的最低潮面。

（2）潮高基准画
潮汐表上预报潮位值的零点称为潮高基准面，它在平均海平面以下，与海图深度基准面也不一定一致。

因此，任何时刻某海区某处的实际水深就等于海图深度加上潮高基准面与海图深度基准面之间的差值和该海区潮汐表上的预报潮位值。

潮位值是海面相对于某一基准面的差值，基准面不同，该值可以不同。

为了计算方便，对一个新的港口或海岸工程建设地点，也可以取潮高基准面与理论深度基准面相一致。

（3）特征潮位
潮汐现象对于港口工程设计和施工有密切的关系，工程上常用的特征潮位有如下几种：
①最高(低)潮位——指的是历史上曾经观测到的最高(低)潮位值。

②平均最高(低)潮位——是指在多年潮位观测资料中，取每年最高(低)潮位多年平均值。

③平均大潮高(低)潮位——是指取每月两次大潮的高(低)潮位的多年平均值。

④平均小潮高(低)潮位——是指取每月两次小潮的高(低)潮位的多年平均值。

各种基准面与不同的特征潮位间的相互关系如图6- 所示。

表6- 为上海吴淞口吴淞测站潮位特征值的统计值。

图6- 基准面与特征潮位
2）设计潮位取值
我国现行规范规定设计潮位取值方法，是通过绘制高潮、低潮累积频率曲线，即把完整的一年或多年实测高、低潮位，按大小次序排列起来作出高潮和低潮累积频率曲线（图6-6 a）。

取高潮累积频率10％的潮位为设计高水位；同样的方法用于低潮位资料绘制低潮累积概率曲线，取低潮累积概率90%的潮位为设计低水位（高潮、低潮、潮位历时累积频率曲线的绘制方法参见书中第三章）。

图6-6潮位累积频率曲线
a) 高潮、低潮累计频率曲线；b)潮位历时累计频率曲线
3）乘潮水位
我国绝大多数港口为不规则半日潮，即24h50min内分别出现两次高潮和两次低潮，为了节省航道建设投资，在船舶密度不大的情况下，对于一部分大船，考虑在潮位高的时段进出港口，因此首先要确定一个合理的高水位，这就是乘潮水位的概念。

下面就乘潮水位确定的方法与步骤论述如下：
乘潮潮位累积频率的统计方法当考虑乘潮作业时(如船舶乘高潮进出港口、乘低潮施工)，需统计乘潮潮位累积频率，其步骤如下：
（1）当考虑船舶进出港口时，首先须确定乘潮所需持续时间T。

T=K(t1+t2+t3) (6- )P38
式中：t1——船舶通过航道持续时间，包括船舶间追踪航行的时间间隔(h)；
t2 ——一艘船舶在港内的掉头时间(h)；
t3 ——一艘船舶靠离码头和系解缆时间(h)；
K——时间富裕系数，取1.1～1.3。

（2）在潮位过程线上（图6- ），量取各次潮峰上潮历时等于t的潮位值，统计其在不同潮位级的出现次数。

（3）其余步骤与高(低)潮累积频率统计方法相同。

（4）在乘潮潮位累积频率曲线上选取所需的累积频率（通常取90％～95％）潮位值，即
为乘潮水位。

图6- 某港潮位过程线
2、波浪
海洋中的波浪是海水运动形式之一，它的产生是外力、重力与海水表面张力共同作用的结果。

引起海水波动的外力因素很多，如风、大气压力的变化、天体的引潮力、海底地震以及人为引起的船体运动等。

由这些因素引起的海水波动，其周期可在极宽的范围内变化，如潮波的周期为半天至1天，海啸的周期为几十分钟，风浪的周期为几秒钟。

本文主要论述由风引起的重力波，它是风浪、涌浪和近岸波浪的总称。

风浪主要是指在风直接作用下产生的波浪。

涌浪指风停止、转向或离开风区传播至无风水域的波浪。

涌浪传播到浅水区，由于受到水深和地形变化的影响，发生变形，出现波浪的折射、绕射和破碎而形成近岸波浪。

1）波浪要素
虽然海浪的剖面形状复杂，但人们常把它理想化为如图6—1所示的规则剖面，并以各种波浪要素来表征其特性。

图6—1波浪要素
各波浪要素的定义如下：
波峰：波浪剖面高出静水面的部份，其最高点称为波峰顶。

波谷：波浪剖面低于静水面的部份，其最低点称为波谷底。

波峰线：垂直波浪传播方向上各波峰顶的连线。

波向线：与波峰线正交的线，即波浪传播方向。

波高：相邻波峰顶和波谷底之间的垂直距离，通常以H表示，单位以米(m)计。

波长：两相邻波峰顶(或波谷底)之间的水平距离，通常以L表示，单位以米(m)计。

海浪的波长可达上百米，而潮波的波长则可达数公里。

周期：波浪起伏一次所需的时间，或相邻两波峰顶通过空间固定点所经历的时间间隔，通常以T表示，单位以秒(s)计。

在我国沿海波浪周期一般为4～8s，曾记录到周期为20s的长浪。

波速：波形移动的速度，通常以C表示，它等于波长除以周期，即C=L/T，单位米/秒（m/s）。

2）波高、波向分布
波浪是海洋最基本的海水运动形式，对港口的选址、平面布置和工程设计有密切的影响。

港口布置及建筑物设计所采用的波浪要素，通常采用观测与统计相结合的方法来确定。

必须对建港地区在1年内各个方位各级波浪的出现频率，有一清晰概念。

按季度、年绘制的波浪玫瑰
图是这一要求的主要成果。

统计资料年限最好长一点，一般不宜少于2到3年，规范要求应有完整的1年以上的测波资料。

图6-8为某港连续一年实测资料统计绘制的波浪玫瑰图，图中各个方向轴的长度为频率，与轴垂直的宽度为波高级别，从图中可以看出，SE为常波向，SSE为强波向。

在港口规划选择航道、防波堤的轴线位置时，应注意避免港池内产生过大的波浪，同时，使船舶经常处于顺浪的工作条件，这对港口操作也是很有意义的。

图6-8 波浪玫瑰图
同样大小的波浪，船舶的颠簸程度会因与波向相对位置不同而有很大差异。

船舶纵轴与波向线平行，即顺浪时船舶颠簸小；船舶纵轴垂直波向，即横浪时船舶颠簸大。

一般船舶航行亦是顺浪较横浪易于操纵。

在平面布置中，利用建港地点的波向波高分布特点，使船舶经常处于顺浪的工作条件是很重要的。

表6-8 表示出不同作业类别允许波高的参考值，小值可以高效率工作，大值为可安全作业的界限。

表6-8 港口允许作业波高
3）波浪的浅水变形
波浪从深水传入浅水过程中，无论波高、波长、波速以及波浪的剖面形状都将不断发生变化。

促使波浪在浅水区发生变化的原因主要是水深变浅、地形复杂、海底摩擦、水流作用以及障碍物(岛屿、建筑物等)等的影响。

波浪因浅水影响出现变形，也包括折射、绕射、反射以及破碎等现象，如果近岸海面上还有风作用，则波浪变形将更为复杂。

（1）波浪的折射
波浪自深水向岸边传播进入浅水后，由于水下地形影响，等深线往往与波峰线不平行，因此，除了有与波浪正向行近岸边时相似的变化外，在平面上波浪传播方向或波向线将偏转并引起波高的变化，此时，波峰线也将随海底地形而变得弯曲，最终趋向于与海岸线相适应或接近平行，这种近岸波浪传播变形现象称为波浪折射。

波浪在浅水区发生折射的原因是，波浪传向岸边，当波峰线与等深线成某一角度时，由于同一波峰线上不同点处的水深不同，而波速也不同。

波速随水深减小而降低，水较深处，波速较大，波浪传播较快；水较浅处，波速较小，波浪传播就慢，致使水深处的波峰传播快于水浅处的波峰，使波峰线与等深线间的夹角减小，即波峰线逐渐趋于与等深线平行，见图6- 。

图6- 波浪的折射图6- 沿岸波浪折射变形
由于折射影响，沿岸波浪的波向线常不再平行，将随不规则的水下地形而发生复杂的变化，图6- 显示海湾、岬角引起的波浪折射。

（2）波浪的破碎
近岸波浪的破碎机理可解释如下：波浪进入浅水后，波长渐短，波高开始时也略减小，但以后就逐渐增大，因此当波浪传播到一定浅水后，波陡就迅速增大。

另一方面，因波谷处的水深比波峰处要小，波谷受海底摩擦影响较大，因而波谷的传播速度比波峰小，因此波峰逐渐向前追赶波谷，波形扭曲前倾，前坡变陡。

因此到一定水深后，波浪或因波陡达到极限失去稳定而破碎；或因前坡陡峭倾倒或峰顶破碎。

这些都是波浪的破碎现象。

波浪破碎处的水深为临界水深也称为破碎水深，相应的波高称为破碎波高，以H“表示，也是在破碎水深条件下可能出现的最大波高，故又称为极限波高。

近岸区波浪自第一次发生破碎的外缘直到岸边的水域称为破波区或破波带，在此水域内波浪将多次发生破碎，直至岸边形成上爬破波水流。

在破碎带内大量波浪能量消耗于摩擦、涡动和掀动泥沙，产生大量紊动旋涡，底床受到较强烈的扰动，如果海底泥沙颗粒较细将会出现高含沙量。

不同波要素、不同水位所引起的破碎带变化，对研究航道、港池、水工建筑物等布置十分有益。

（3）波浪的绕射
波浪传播过程中遇到岛屿、岬角或人工建筑物(如防波堤)等障碍物时，部份波浪将绕过障碍物继续传播，并在障碍物后扩散，使受掩护的水域也出现波动，这种现象称为波浪绕射。

波浪绕射问题对港口防波堤的合理布置，以减少港口水域内波浪，保证船舶航行，靠泊与装卸的安全作业是十分重要的。

波浪绕射是波能沿波峰线发生横向传递，即波能从能量高的区域向能量低的区域转移，进行重新分布的过程。

因此，绕射后同一波峰线上的波高是不相等的，但波长和周期不变。

图6- 中，经过防波堤堤头的入射波波向线称为几何阴影线，如果波浪不绕射，则在该线右侧受防波堤掩护的区域，水面将完全平静，但实际上由于波浪有绕射作用，入射波的波峰线从几何阴影线上以堤头为中心以弧线形式向堤后旋转延伸，伸得愈远即愈向里面，波高愈小。

几何阴影线左侧的入射波，由于部分能量向堤后扩散，波高也将降低。

图6- 波浪的绕射
（4）波浪的反射
波浪在传播过程中遇到陡峭的岸坡或人工建筑物时，其全部或部分波能将被反射而形成反射波，这种现象称为波浪反射。

波浪反射的基本原理与光波的反射相似，见图6-85。

反射波具有和入射波相同的波长和周期，但反射波的波高则随反射波波能的大小而定。

反射波高与入射波高之比称为反射率或反射系数。

波能被全部反射时，反射波高等于入射波高；当波能部份反射时，反射波高小于入射波高。

反射率值变化于0到1.0(全反射)之间，其值与岸坡或人工建筑物的坡度、糙度、空隙率、波浪的陡度以及入射角有关，难以精确计算确定。

对
于不透水的直墙式防波堤，正向来波时，波能几乎全部反射，即反射率为1.O。

图6- 波浪的反射
综上所述，风浪在深水中生成后，传入浅水区，由于水深变浅、地形的波浪折射以及水流
的影响，波速、波长、波高以及波向都将发生一系列的变化，遇到海岸或人工建筑物后还将发
生反射和绕射现象，直至岸边附近将出现波浪的多次及最终破碎。

因此，波浪在浅水区近岸地
带的变化是极为复杂的，它往往是上述各种过程同时影响的综合结果。

港工建筑物多位于浅水
区，因而近岸波浪的分析研究对于海港建设、航道整治和海岸保护等都有重要的意义。

四、地形与地质条件对港口的影响
1．河海滨地形
所有港口都位于水陆交界的沿岸地带，港口不仅要求具有一定的水域、陆域面积，而且还
要求一定的陆域高程和港口水深。

因此在港口规划时，应对港口所处的地形情况进行调查。

地形指的是地物形状和地貌的总称，即地面上的山脉、丘陵、盆地、平原等地面的起伏形
状。

地面上还有河流、森林及各种建筑物，统称为地物。

将地面上的地形、地物按正投影的方
法，以一定的比例尺按规定的符号缩绘在图纸上，这种图就称为地形图。

1）地形图比例尺
图上长度与实地长度之比称为地形图的比例尺。

例如，实地测出的水平距离为50m，画到图上的长度为0.1m，那么这张图的比例尺为1：500。

图的比例尺大小，按比值决定。

人们用肉眼能分辨图上的最小距离，通常为O.1mm，所以把相当于图上0.1mm的实地水平距离称为比例尺精度。

比例尺大小不同，比例尺精度数值也不同，如表6- 所示。

图的比例尺越大，图上的地形地物越详细，但测绘工作量也将成倍增加，所以应根据规划、设计、施工的实际需要选择合适的比例尺。

表6- 比例尺精度
我国基本地形图分为1:5000、1:10000、1:25000、1:50000、1:100000、1:250000、1:500000、1:1000000八种比例尺。

2）高程
地面点沿垂线方向至大地水准面的距离称为绝对高程或称海拔。

我国于20世纪80年代采用青岛验潮站1953～1977年的验潮资料，取其平均海平面作为我国统一的高程起算面，并命名为“1985年国家高程基准”。

3）等高线
地面上高程相等的相邻点间连成的闭合曲线称为等高线，如图6- 所示。

图6- 等高线基本概念
2．地质
研究港址地区的地质条件及土壤特性，是港口规划设计的必要内容。

通常要进行必要的地质调查和钻探取样，进行土样的物理、力学试验，以确定岩土的性质，作为建筑物设计的依据资料。

地质情况对各种建筑物的基础、结构形式、安全稳定、造型和布置都有重大影响，必须在工程建设前期工作中进行认真的调查和分析，查明建设地区的地质构造、土的物理和力学性质以及地下水情况等。

《港口工程地质勘察规范》(JTJ 240-97)中对不同设计阶段的勘察内容及技术要求有较详细的规定，可根据工程的具体情况参照执行。

1．土的物理性质
1）土的形成
地球表面的岩石经风化、剥蚀成岩屑，又经搬运、沉淀而成的沉淀物，年代不长，未压紧硬结成岩石之前，呈松散状态，称为第四纪沉积物，即土，或称天然土。

一般认为，土是固体颗粒、水和气体的三相集合体。

地表或接近地表的岩石，在漫长的地质历史时期长期暴露于自然环境中，受各种各样的自然力作用，在原地发生崩解或蚀变，这就是岩石的风化。

岩石风化是岩石形成土的第一步。

岩石经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，或未经搬运残留在原地，或受自然力的作用搬运到远近不同的地点沉积下来，前者称为残积土，后者称为运积土。

根据搬运动力和沉积环境不同，。