基于数据监测的码头前沿潮汐潮流精细化安全预警系统设计

张兴林

国家海洋局温州海洋环境监测中心站 浙江 温州 325024

0 引言

本文研究的码头工程选择浙江浙能台州第二发电厂,该电厂位于浙江中部沿海三门湾湾口西南岸段牛山涂,行政归属台州市三门县浦坝港镇（原浬浦镇）,南与台州市区相距约37 km,西北距三门县城海游镇约34 km,北距宁波市区约146 km。电厂码头前沿海域较为开阔,水深在-6.0 m～-11.0 m（1985国家高程基准面）之间。由于地形较为复杂,水深较浅,进出码头船舶需候潮进出,因此,有必要对码头前沿潮汐潮流进行精细化预报,准确预测船舶进出港区及最佳靠离泊时间。

为了落实此项工作,本文将开展基于数据监测的码头前沿潮汐潮流精细化安全预警系统设计。

1 系统硬件设计

为了满足本文系统设计,在开展系统详细设计前,绘制码头前沿潮汐潮流精细化安全预警系统硬件结构图,并进行系统硬件结构的布置。主要设备及其技术指标如下表1所示:

表1 系统主要设备及其技术指标

其中潮位站验潮仪采用国家海洋技术中心研发的SCAM-3型浮子式水位计,潮位观测精度<1 cm。数据采用CDMA无线传输至台州海洋环境监测站接收终端,太阳能供电方式,测点配备100W太阳能电池板、太阳能充电器和100 AH蓄电池组合供电。潮位点观测要素包括潮时、潮高。

在海流监测中,本系统采用ADCP进行观测,测量时间间隔设为30 min,层宽设为0.5 m。依据《海洋调查规范》（GB/T12763.2-2007）规定和潮流分析预报要求,按表层（水面下0.5m、5m、10m底层（海底面上0.5 m））进行分层记录。海流观测之前采用检定合格的直读式海流计与ADCP进行比对。

2 系统软件设计

2.1 监测站位布设

为了满足系统设计需求,需要进行潮流监测站位的布设。在码头前沿设置了3个海流观测点,分别在大、中、小潮开展连续26小时海流观测;在综合码头平台设置1个临时潮位观测点,开展了连续31天的潮汐观测。为提高预报精度,在电厂综合码头东侧建成1个简易潮位站,开展潮汐长期观测,观测要素包括潮高、潮时,潮高测量准确度优于1 cm。测点位置如下图1所示。

图1 潮汐、海流监测站位图

2.2 监测数据分析

在完成上述站位布设后,获取定点连续观测数据,并对观测数据进行处理分析。在此过程中,按照最小二乘法方法,进行O1、K1、M2、S2、M4、MS4等较为显著分潮调和常数的获取。同时,将其与周边长期验潮站（健跳水文站）的调和常数进行比对分析。

根据15个主要天文分潮中,O1、K1、P1、Q1、J1属于全日分潮,M2、S2、N2、K2属于半日分潮,MK3属于三分之一分潮,M4、S4、MS4属于四分之一分潮,M6、MS6属于六分之一分潮。可以看出,M2分潮所占比重最大,电厂码头简易潮位站与健跳水文站1年实测潮位的调和常数振幅较为接近。

其中,主要分潮M2分潮电厂码头简易潮位站资料分析结果与健跳水文站1年实测潮位相差12.44cm,迟角相差27.210,调和常数差异的主要原因是地形、水深、测站位置、以及天气系统综合影响的结果。

为进一步分析两站潮汐特征的差异性,满足港区作业需要,在此基础上,对潮汐性质、潮汐特征等进行分析。分析后发现两站潮汐性质基本一致,平均高潮位及平均低潮位电厂简易站均高于健跳站,差值分别为26 cm、36 cm。

由于海流观测时间较短,因此按《海洋调查规范第7部分:海洋调查资料处理》中潮流准调和分析方法进行分析。结果表明,码头前沿各站潮流性质属于半日潮流的类型,且浅海分潮流占较大比重。

2.3 码头前沿潮汐潮流预报与安全评估

电厂码头天文潮预报基于码头简易潮位站2017年1月至2018年1月一个完整日历年份的资料,通过调和分析计算各分潮的振幅和相位,进而计算出指定时间段的天文潮潮时、潮位。选取天气系统影响本海域相对较少的月份进行预报实测比对,即取简易潮位站2019年6月逐时观测数据,与计算的天文潮位进行比对,比对后得出逐时潮位平均绝对误差与高低潮时误差。

由于本项目海流观测为短期观测,为了提高预报精确度,在预报中适当增加分潮数目。利用潮流准调和分析所得的各分潮的调和常数计算码头前沿潮流情况,对海流观测期间的流速、流向进行回报,并与实测值进行比对验证。

完成对码头前沿潮汐潮流的预报后,天文潮潮时和潮位评估采用绝对误差的方法,利用《准确性评估方法》中高潮位和高潮时评分公式,对其进行安全评估。表达式如下:

公式（1）中:X表示为高潮时或高潮位安全评分方式;A表示为预报高潮时或高潮位值;B表示为实测高潮时或高潮位值。

按照上述计算公式,计算高潮时或高潮位安全范围,计算公式如下:

3 应用分析

为了证明本文设计的系统在实际应用中的可行性,在完成设计后,选择台二电码头前沿海域作为研究区域。此码头中的卸煤码头与综合码头共用一座引桥,引桥的平面布置图呈现“反F”形状。码头前沿线布置于泥面标高-11.5 m～-11.8 m处,其中前沿部分的方位角度在143.6°～323.5°范围内,泊位长度为292.0 m,宽度为28.0 m,码头面高程为8.5 m。由于主流向与码头之间存在开角,安全靠离泊对潮汐潮流要求较高。

本文设计的安全预警系统与码头工作站之间网络对接,在确保端对端良好通信的前提下,在系统前端输入登录账号与密码,在显示端操作本系统,进入系统的潮汐潮流预报界面。系统主要预设功能模块包括站点设置、参数设置、产品查询、安全预警、调度管理等,可预设水深、基面关系、潮汐预警阈值、流速预警阈值、设计船型、吃水深度等相关参数,直观查询显示当日、未来72小时、一月、三个月的潮汐潮流预报产品,以及当前的预警状态,如下图2所示:

图2 码头前沿潮汐潮流预警曲线

当实测潮位与预报潮位超出一定范围,实际水深超出吃水深度,以及预测流速超出预警界限,即触发系统预警。同时系统根据预报区域的码头走向、航道水深、码头水深、以及当地潮汐潮流特征,计算最佳靠离泊推荐时间“窗口”,指导船方提前安排调度和作业计划。从结果来看,预报潮位与实际潮位较为一致,潮汐安全预警基础数据有保障,水深和流速预警视预设值而定,可在使用中不断优化,实验证明本系统在实际应用中具有一定可行性。

4 结束语

为满足大中型码头安全保障和安全靠离泊的需求,开展了台二电码头前沿海域潮汐潮流预报,在掌握码头前沿海域潮汐、潮流特征及变化规律的基础上,预报预测潮汐、潮流变化情况,预报结果与实际较为吻合。结合实际需求,设计的安全预警系统从技术上可实现,在实际应用中具有一定可行性,可为码头营运期间船只安全靠离泊提供必要的参考依据。