利用水位计进行水文测验的数据分析论文_何海鹏

摘要：水位计具有精度高、安装方便、携带方便和计算便捷的优点而广泛应用于水深测量和水文测验等领域。乘潮水位是航运、港口设计和施工中具有重要意义的技术参数，乘潮水位的准确与否对水文测验数据有着密不可分的关系。水文测验是水资源数据搜集和整理的一个过程，通过对水文数据的计算、整理、归纳总结，为工程的规划、设计和工程建设提供依据，其中累积频率是目前使用较多的一个方法。充分利用好水资源，促进水资源的可持续发展，为社会的经济发展提供有力支持。

关键词：水位计；乘潮水位；水文测验；水位观测

1.引言

水位观测是水文测验中最基本的项目之一。常规的水位观测工作通常要设立一把或几把临时水尺或固定水尺，因此需要安排一名或几名观测人员对其进行观测并记录。这种作业模式浪费人力、财力和物力，效率不高，效益不好。观测数据还受到天气条件、风浪和人为因素的影响。自从自记式水位计面世以来，受到测量人员的大力欢迎。自记式水位计只需按照预先设置好的时间和记录频率，把它安置在指定的地方，水位计自动开始记录数据。达到设计的时间之后，将其打捞出水，对其进行数据处理即可生成我们所需要的格式。

2.水位计的原理和安装

水位计也叫潮位仪，验潮仪，全称为自记水位计，英文名为water-level gauge。由于国产水位计存在一些短板，而进口的水位计则有明显的技术和质量优势。综合考虑各方面因素，本项目采用KELLER DCX-25PVDF水位计。

水位计垂直稳固地安装在铁架里面，利用水位高低变化而产生的不同压力对压力孔的压迫形成不同的水位值。

3.乘潮水位

3.1乘潮水位的定义及计算方式

乘潮水位是船舶在航道航行和旋回水域内调头时所规定的具有一定保证率的最低通航水位。乘潮水位可分为乘高潮水位和乘低潮水位两种。

重载深吃水的船舶要通过航道的浅点，通常要乘高潮而行，这就必须知道船舶在通过浅点水域的一段时间里，潮位需不低于预定的高度 H T，这段时间就必须选择在高潮前后，如船舶通过某段航道需要T小时,而T小时内水深大于HT 的频率为P，但当对应 P的水深小于HT值时，则要把航道挖深至HT值。因此掌握乘高潮水位的频率分布非常重要，它能使我们合理地利用高潮水位的作用，若在预选航道中少量疏浚甚至不用疏浚的选线能满足HT规划要求，则可以节省大量财力和物力。[1]

船舶进出港口所需的乘潮时间：

(1)

式中：为船舶航速；为航道长度；为时间富裕系数，一般取1.1~1.3。

(2)

各潮位级的累积频率：

式中：为各潮位级中的潮位累积出现次数；为潮位总出现次数。

3.2乘潮水位的意义及计算步骤

乘潮水位是航运、港口设计和施工中具有重要意义的技术参数。在运输船舶大型深吃水发展的今天，乘潮进港是解决现有航道水深不足、降低航道建设成本的一个行之有效的方法。[2]

乘潮水位累积频率的统计计算就按以下步骤：第一步，当考虑船舶进出港时，首先确定乘潮所需持续时间；第二步，在潮位过程线上，量取各次潮历时等于乘潮所需持续时间的潮位值，绘制累积频率曲线，在曲线上选取所需的乘潮频率潮位值。[3]

4.项目概况

为验算湛江港航道乘潮水位与湛江站、硇洲站的相关关系，复核湛江港30万吨级航道乘潮水位，给湛江港30万吨级航道改扩建工程设计工作提供基础资料需要对测区进行水文测验。

按照要求在湛江港航道周边设立6处临时潮位站，连续观测60日历天，逐时同步观测。6处临时潮位站A、B、C、D、E、F位置如图：

5.乘潮水位复核

5.1 2018年水文特性与原设计资料相关性分析

湛江港30万吨级进港航道改扩建工程工程可行性研究采用的水文资料为2009年的湛江站和硇洲站，其中设计水位湾外采用硇洲站3 h乘潮水位，湾内采用湛江站4 h乘潮水位。

根据收集的水文测验结束前一年逐月平均潮位（见图1），推算年平均潮位与2009年平均潮位对比。得出两站均较2009年略有升高，提现了全球海平面上涨的趋势，但上升幅度很小，在0.6~0.8cm，变化不大，由此可见2009年资料成果仍有代表性。

图1 平均潮位变化

项目经过一定时间对6个临时水位站进行观测之后，得到的潮位变化过程线如下图：

5.2分析方法与思路

采用分析提取对应的乘潮系列，统计分析各站的相关关系，根据设计计算的乘潮水位推算得出各站的乘潮水位差值，用此差值作为乘潮水位修正值，校核湛江港30万吨级进港航道的沿程乘潮水位。

本项目的推算方法采用最小二乘法推算相关关系，分别对硇洲站3 h乘潮系列与A、B、C、D、E、F点3 h乘潮关系进行推算，湛江站4 h乘潮系列与A、B、C、D、E、F点4 h乘潮关系进行推算。

5.3湛江港30万吨级进港航道沿程乘潮水位复核

设计水位湾外采用硇洲站3 h乘潮水位，湾内采用湛江站4 h乘潮水位。前述相关性分析也可看出，硇洲站与湾外的DE点相关性较好，湛江站与湾内的BC点相关性较好。

由于湾外的F点与DE点相关关系较好，根据F点水位，推算D点与E点应用水位，即为D、E点设计乘潮水位。

类似的，湾内A点与BC点相关关系较好，根据A点水位，推算B点与C点应用水位，即为B、C点设计乘潮水位。

按照相关规范要求和经验，设计保证率取90%。依照计算表格得出E点水位（对应航道外海起点）2.02m(理论最低潮面，下同)、D点水位（对应航道口门外海侧）2.11m；C点水位（对应航道口门内侧）1.95m，B点水位（对应航道终点）2.05m。需注意，D、E 为硇洲海图最低潮面，B、C为湛江海图最低潮面。

6.结论

1）利用水位计得到的数据可靠、真实，它为水文测验、乘潮水位的计算打下坚实基础。但水位计的回收问题是工程人员需要考量的新问题，由于海洋的水流水文的复杂多样性，所设计位置的科学性和打捞方法的科学性直接影响到水位计的结果。

2）利用乘高潮水位进出湛江港是可靠的可行的，它的应用可以从很大程度上节约了大量的资金投入，但它也存在一定的季节性影响。由于收集的港口资料有限，本文采用的方法对其他工程的适用性有待进一步的验证。

参考文献

[1]刘轶华.乘潮水位研究在上海化学工业区专用码头航道的应用[D].南通航运职业技术学院学报，2004：6.

[2]董胜，廖振焜，焦春硕.乘潮水位估计的逐时潮位统计法[J].水运工程，2018（1）：29.

[3]中交第一航务工程勘察设计院有限公司，港口与航道水文规范ZTS145-2015 [S] 中华人民共和国交通运输部，2015：16.

论文作者:何海鹏

论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期

论文发表时间:2020/1/2

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