CN103778282A - 一种基于最大横流累积频率的航道有效宽度设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于最大横流累积频率的航道有效宽度设计方法,其特征在于它包括步骤一求得航道沿程最大横流值的累积频率曲线、步骤二建立并验证潮流数学模型、步骤三计算分析工程区域航道横流的时间过程和平面分布特征和步骤四结合航道横流的特征以及船舶进出港特点,建立航道有效宽度累积频率概念,合理选取最大横流累积频率,由此得到航道有效宽度。本发明的航道横流设计值选取科学合理,通过建立航道有效宽度累积频率概念,从而满足论证海港航道宽度对不同大小船舶通航安全的需求。
Description
技术领域:
本发明属于港口航道工程技术领域,特别是涉及一种基于最大横流累积频率的航道有效宽度设计方法。
背景技术:
随着我国水运事业的迅速发展,为满足运量快速增长的需求,适应船舶大型化的发展需要,沿海各大港口不断扩大进港航道的规模。在进港航道设计中,需要确定航槽断面设计水深处两底边线之间的宽度,亦称航道有效宽度。虽然世界各国航道有效宽度设计的方法各不相同,但均把航迹带宽度列为航道有效宽度中的重要组成部分。目前确定航迹带宽度的方法有多种,如根据规范公式计算、通过船舶航海模拟器试验等,各有利弊。但无论采取何种方法,均需要提供船舶航行时所受到的横流设计值。由于航道横流设计值选取原则不明确,常选取某一较大横流值作为设计值,对于建设和维护成本影响较大。当航道横流设计值选取过大时,航道有效宽度偏于安全,船舶航行的安全性增加,但航道的建设及维护的成本也将明显提高;当航道横流设计值选取过小时,航道有效宽度偏于不安全,虽然较为经济,但通航的安全性却有所降低。可见,解决航道有效宽度设计中横流设计值的选取问题具有重大的现实意义。
鉴于目前对海港航道有效宽度设计方法的研究尚处于起步阶段,现行的航道有效宽度设计中存在着航道横流设计值选取原则不明确的问题,因此,如何克服现有技术的不足,已成为当今港口航道工程技术领域中亟待解决的重大难题之一。
发明内容:
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足而提供一种基于最大横流累积频率的航道有效宽度设计方法,本发明的航道横流设计值选取科学合理,通过建立航道有效宽度累积频率概念,从而满足论证海港航道宽度对不同大小船舶通航安全的需求。
根据本发明提出的一种基于最大横流累积频率的航道有效宽度设计方法,其特征在于包括由如下具体步骤而得到航道有效宽度;其中:
步骤一,求得航道沿程最大横流值的累积频率曲线:以一个涨落潮周期内的航道沿程最大横流值作为随机变量,求得至少一年时间内各个涨落潮周期内的航道最大横流值,并按从大到小的顺序排列,然后计算对应航道横流值的经验累积频率,绘制航道沿程最大横流值的累积频率曲线;其中:
先建立工程区域潮流数学模型,对航道沿程最大横流与涨潮潮差或落潮潮差之间的关系进行验证,若两者具有较好的相关关系,则可以通过涨潮潮差的累积频率曲线推求航道沿程最大横流的累积频率曲线;若两者相关关系较差,则可采用潮流数学模型依次计算全年内各个涨落潮过程中的航道沿程最大横流值,然后求得其累积频率曲线;所述累积频率可由经验累积频率计算公式得到,详见式(1):
式中P代表经验累积频率,n代表样本容量,若选取年限为一年,则取n=706,m代表沿程最大横流由大到小排序的序号;
步骤二,建立并验证潮流数学模型:根据港口位置,建立工程海域二维平面潮流数学模型并采用有限体积法对其求解;对于开边界,由东中国海潮波数学模型提供;对于闭边界,取法向流速为0,利用实测水文资料对模型参数进行率定,验证达到精度要求后进行工程后的潮流数值模拟;所述二维平面潮流数学模型的控制方程分别为式(2)的连续方程、式(3)和式(4)的运动方程:
以上式(2)至式(4)中:x、y为直角坐标系坐标;t为时间变量;h为平均水深;ζ为相对于平均海平面的潮位;Ux、Uy为x、y方向上的垂线平均速度;ρ为水流密度;g为重力加速度;Nx、Ny为x、y方向的水平紊动粘性系数;f为科氏参数,即f﹦2ωsinφ,其中ω为地球旋转角速度、φ为纬度;
步骤三,计算分析工程区域航道横流的时间过程和平面分布特征:利用验证后的潮流数学模型,计算分析不同涨落潮过程中,最大横流航道断面中心点处的航道横流时间过程,以及最大横流发生时刻航道横流的平面分布特征,分别绘制航道横流与潮位时间过程曲线和航道流速分量图;
步骤四,结合航道横流的特征以及船舶进出港特点,建立航道有效宽度累积频率概念,合理选取最大横流累积频率:
一是根据工程区域航道横流的时间和空间分布特征:是指一个潮周期内,船舶承受较大横流的时段由航道最大横流的发生时刻、较大横流的持续时间决定,而较大横流的航段范围由航道横流的平面分布特征来决定;所述较大横流时段是指发生在高潮位前、高潮位时刻和高潮位后;以及大横流航段发生在口门段、口外段对各类船舶安全通航的不同影响。
二是根据各类船型的通航特点:船舶的通航特点是指是否需要乘潮进港、满载进港或满载出港,以此决定各类船型何时有可能通过大横流时段;如大横流时段发生在高潮位后,大横流航段发生在口门段,港口进口以满载进港为主,对于需要乘潮进港的最大设计船型,需取较高最大横流累积频率才能满足船舶安全通航;对于全潮进港的船舶,取较高的最大横流累积频率;对于需要乘潮进出港的船舶,需分析其是否在大横流时段出现在大横流航段,从而合理选取最大横流累积频率;然后,以最大横流累积频率对应的航道横流值作为我国《海港总平面设计》规范公式中的设计参数,从而计算得到航道有效宽度。
本发明的设计原理是:本发明所述沿程最大航道横流值同其它水文特征值一样是一种随机变量,可以运用随机分析方法来求得沿程最大航道横流值的累积频率曲线。具体是,根据需要选取具有一定累积频率的航道最大横流值,在此基础上,计算航道设计宽度,从而满足不同大小船舶通航安全的需求。
本发明与现有技术相比其显著优点在于:一是本发明从统计分析的观点出发,提出了基于最大横流累积频率的航道宽度设计方法,该方法中横流设计值的选取科学合理,在船舶通航安全的前提下,节约成本,提高效能。二是本发明在综合考虑工程区域的航道横流特征和船舶通航特点的基础上,建立了航道有效宽度累积频率概念,适用于论证航道宽度对不同大小船舶的通航安全。三是本发明特别适用于对海港航道有效宽度的设计。
附图说明
图1是连云港主港区口门最大横流与涨潮潮差的相关关系示意图。
图2是沿程最大横流累积频率曲线示意图。
图3是连云港港区平面布置示意图。
图4是航道中心点处航道横流过程线及潮位过程线示意图。
图5是最大横流时刻垂线平均流速分量示意图。
图6是垂线平均流速分量极大值示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提出的一种基于最大横流累积频率的航道有效宽度设计方法,主要包括由如下具体步骤而得到航道有效宽度;其中:
步骤一,求得航道沿程最大横流值的累积频率曲线:以一个涨落潮周期内的航道沿程最大横流值作为随机变量,求得至少一年时间内各个涨落潮周期内的航道最大横流值,并按从大到小的顺序排列,然后计算对应航道横流值的经验累积频率,绘制航道沿程最大横流值的累积频率曲线;其中:
对于我国大多数沿海港口,航道沿程最大横流由涨潮控制,且航道沿程最大横流与涨潮潮差之间具有良好的相关关系,因此可先建立工程区域潮流数学模型,对航道沿程最大横流与涨潮潮差或落潮潮差之间的关系进行验证,若两者具有较好的相关关系,则可以通过涨潮潮差的累积频率曲线推求航道沿程最大横流的累积频率曲线;若两者相关关系较差,则可采用潮流数学模型依次计算全年内各个涨落潮过程中的航道沿程最大横流值,然后求得其累积频率曲线;所述累积频率可由经验累积频率计算公式得到,详见式(1):
式中P代表经验累积频率,n代表样本容量,若选取年限为一年,则取n=706,m代表沿程最大横流由大到小排序的序号;
步骤二,建立并验证潮流数学模型:根据港口位置,建立工程海域二维平面潮流数学模型并采用有限体积法对其求解;对于开边界,由东中国海潮波数学模型提供;对于闭边界,取法向流速为0,利用实测水文资料对模型参数进行率定,验证达到精度要求后进行工程后的潮流数值模拟;所述二维平面潮流数学模型的控制方程分别为式(2)的连续方程、式(3)和式(4)的运动方程:
以上式(2)至式(4)中:x、y为直角坐标系坐标;t为时间变量;h为平均水深;ζ为相对于平均海平面的潮位;Ux、Uy为x、y方向上的垂线平均速度;ρ为水流密度;g为重力加速度;Nx、Ny为x、y方向的水平紊动粘性系数;f为科氏参数,即f﹦2ωsinφ,其中ω为地球旋转角速度、φ为纬度;
步骤三,计算分析工程区域航道横流的时间过程和平面分布特征:利用验证后的潮流数学模型,计算分析不同涨落潮过程中,最大横流航道断面中心点处的航道横流时间过程,以及最大横流发生时刻航道横流的平面分布特征,分别绘制航道横流与潮位时间过程曲线和航道流速分量图;其中,应重点关注较大横流发生时刻与高潮位时刻的前后关系,较大横流的持续时间,最大横流的位置以及出现较大横流的航段;
步骤四,结合航道横流的特征以及船舶进出港特点,建立航道有效宽度累积频率概念,合理选取最大横流累积频率:
一是根据工程区域航道横流的时间和空间分布特征:是指一个潮周期内,船舶承受较大横流的时段由航道最大横流的发生时刻、较大横流的持续时间决定,而较大横流的航段范围由航道横流的平面分布特征来决定;所述较大横流时段是指发生在高潮位前、高潮位时刻和高潮位后;以及大横流航段发生在口门段、口外段对各类船舶安全通航的不同影响;
二是根据各类船型的通航特点:船舶的通航特点是指是否需要乘潮进港、满载进港或满载出港,以此决定各类船型何时有可能通过大横流时段;如大横流时段发生在高潮位后,大横流航段发生在口门段,港口进口以满载进港为主,对于需要乘潮进港的最大设计船型,需取较高最大横流累积频率才能满足船舶安全通航;对于全潮进港的船舶,取较高的最大横流累积频率;对于需要乘潮进出港的船舶,需分析其是否在大横流时段出现在大横流航段,从而合理选取最大横流累积频率;然后,以最大横流累积频率对应的航道横流值作为我国《海港总平面设计》规范公式中的设计参数,从而计算得到航道有效宽度。
现将本发明提出的一种基于最大横流累积频率的航道宽度设计方法应用于连云港主港区为例,具体实施步骤如下:
步骤一,求得航道沿程最大横流值的累积频率曲线:
连云港主港区是我国典型的淤泥质海岸环抱式防波堤,其航道横流特征具有一定的代表性,现针对该港区航道横流特征,提出绘制沿程最大横流值累积频率曲线的方法;已知连云港主港区口门最大横流与预报涨潮潮差成线性相关关系,相关系数达到0.95以上,如图1所示,两者之间具有如下关系式:
V=0.154△H+0.012,R2=0.95(5)
式中:V代表航道最大横流,△H代表潮汐预报表中的涨潮潮差。
以如2004年度连云港潮汐预报表为例,年内共有706次涨落潮过程,统计各次涨落潮过程的涨潮潮差,利用公式(5)计算相应的沿程最大横流值,然后根据式(1)计算沿程最大横流的经验累积频率,绘制沿程最大横流的累积频率曲线,如图2所示。最大横流累积频率是指统计年限内沿程最大横流大于或等于某一横流值的时间占总时间的百分比,表1列出了不同最大横流累积频率所对应的沿程最大横流值及预报涨潮潮差。
表1不同最大横流累积频率对应的沿程最大横流
步骤二,建立并验证潮流数学模型:
模型范围北起日照(35°22′30″N,119°33′E),东至(35°22′30″N,120°17′E),南至废黄河口附近(34°17′00″N,120°17′E),东西宽约99.7km,南北长约119.3km,模型范围内水域面积约8648km2。模拟区域大,模型边界距工程区域远,受影响小,如图2所示;主港区防波堤已建成,工程布置见图3;采用无结构三角网格进行离散,水平向网格最大尺度1500m,最小尺度20m,网格单元数25632,为提高精度,口门附近网格加密。
潮流模型验证主要包括潮位验证和潮流验证两个方面。分别采用2004年7月、2005年9月和2010年6月多个潮位站的实测潮位过程及多个潮流测点的实测流速过程。验证结果表明,所建立的连云港海域潮流数学模型计算的潮位、流速及流向均与实测资料吻合较好,能够较好地反映原体潮流的运动规律。
步骤三,计算分析工程区域航道横流的时间过程和平面分布特征:
利用经实测资料验证的潮流数学模型,模拟计算不同潮型下的航道横流,分析其时间过程和平面分布特征,发现连云港主港区不同潮型下的航道横流特征相似,现以2012年3月大潮为代表潮型进行说明。
一是航道横流的时间过程:计算结果表明,在防波堤口门外约400m航道断面处发生最大航道横流,图4为该断面航道中心点处航道横流过程线及潮位过程线图,图4中航道横流过程用虚线表示,正值代表涨潮横流,负值代表落潮横流。由图4可知:在涨潮过程中航道横流随潮位升高而增大,最大航道横流时刻出现在高潮位前约1.5h,高潮位时刻横流迅速降低,高潮位时刻后横流值较小;通过计算分析其它潮型下航道横流的时间过程可知,航道横流最大值均出现在高潮位时刻前0.5~2.0h。同时,统计不同计算涨潮潮差与相应的高潮位时刻横流值、高潮位时刻后0.5h横流值,见表2所示;可见,高潮位时刻航道横流值较最大航道横流值减小很多,而高潮位时刻后0.5h,航道横流值则不超过0.2m/s。
表2各涨潮潮差对应的不同时刻的横流值
二是航道横流的平面分布:为了描述航道横流的空间分布,将航道附近流速沿垂直于航道轴线的方向投影,绘制流速分量等值线图,在航道内该分量即为航道横流值。图5和图6分别为最大横流时刻垂线平均流速分量图以及垂线平均流速分量极大值图,由图5和图6可知:最大横流出现在口门以外水域,距口门约400m,且较大航道横流分布很集中,仅出现在防波堤口门以外700m范围水域内,其它航段航道横流值相对较小。
步骤四,结合航道横流的特征以及船舶进出港特点,建立航道有效宽度累积频率概念,合理选取最大横流累积频率:
应用基于最大横流累积频率的航道宽度设计方法,在求得沿程最大横流值的累积频率曲线后,还需要合理选取最大横流累积频率;可结合有关航道横流特征的分析,确定如何选取合理的最大横流累积频率。
航道宽度设计需要保证最大设计船型能够安全通航,而大型船舶需要乘潮进港,自乘潮时刻开始从外海驶向港区。由连云港主港区航道横流特征可知,较大横流仅在高潮位时刻前0.5~2.0h左右出现在防波堤口门以外700m范围水域内,且高潮位以后迅速降低,根据设计,连云港30万吨级航道的乘潮设计标准为90%的保证率满足4小时乘潮时间,则对于需要乘潮进港的船舶,行驶到防波堤口门段时已在高潮位以后,此时所承受的航道横流较最大航道横流小很多,所以设计时,即使采用最大设计船型,也可以适当降低设计标准(选取较大的最大横流累积频率)。对于其他较小吨位的船舶,可能无需乘潮进港,故其到达口门段的时间不定,有可能承受最大航道横流的作用。可见,合理选取最大横流累积频率需要综合考虑各类设计船型的安全通航要求。
表3列出了不同设计船型,在不同累积频率横流条件下的航道宽度设计值。以连云港主港区30万吨级航道为例,设计通航水深为25.4m,对于选择30万吨级油轮的最大设计船型,需要乘潮进港;而对于选择25万吨级油轮的次大设计船型,则无需乘潮进港;在航道宽度设计时,若取最大横流累积频率1.7%,并按最大设计船型计算航道宽度为308m,由于最大设计船型不可能在最大横流时刻进港,所以这样的航道宽度是不经济的。若降低最大横流累积频率为43.42%,按最大设计船型计算航道宽度为290m,该航道宽度可以满足最大船型的安全通航。同时,在累积频率1.7%的最大横流条件下,对于不需要乘潮进港的25万吨级油轮,这样的航道宽度也能完全能够满足安全通航要求。
因此,对于需要乘潮进港的大型船舶,到达口门段航道时,已是高潮位时刻之后,此时航道横流数值较最大横流时刻减小很多,故对于最大设计船型建议选取稍低的设计标准,以取累积频率40~50%来计算航道宽度,但仍需校核其它吨位的进出港船舶能否满足安全通航要求,这样设计的航道宽度能够满足各类船舶安全进港。
表3不同船型航道有效宽度
本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术,可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证,取得了满意的应用效果。
Claims (1)
1.一种基于最大横流累积频率的航道有效宽度设计方法,其特征在于包括由如下具体步骤而得到航道有效宽度;其中:
步骤一,求得航道沿程最大横流值的累积频率曲线:以一个涨落潮周期内的航道沿程最大横流值作为随机变量,求得至少一年时间内各个涨落潮周期内的航道最大横流值,并按从大到小的顺序排列,然后计算对应航道横流值的经验累积频率,绘制航道沿程最大横流值的累积频率曲线;其中:
先建立工程区域潮流数学模型,对航道沿程最大横流与涨潮潮差或落潮潮差之间的关系进行验证,若两者具有较好的相关关系,则可以通过涨潮潮差的累积频率曲线推求航道沿程最大横流的累积频率曲线;若两者相关关系较差,则可采用潮流数学模型依次计算全年内各个涨落潮过程中的航道沿程最大横流值,然后求得其累积频率曲线;所述累积频率可由经验累积频率计算公式得到,详见式(1):
式中P代表经验累积频率,n代表样本容量,若选取年限为一年,则取n=706,m代表沿程最大横流由大到小排序的序号;
步骤二,建立并验证潮流数学模型:根据港口位置,建立工程海域二维平面潮流数学模型并采用有限体积法对其求解;对于开边界,由东中国海潮波数学模型提供;对于闭边界,取法向流速为0,利用实测水文资料对模型参数进行率定,验证达到精度要求后进行工程后的潮流数值模拟;所述二维平面潮流数学模型的控制方程分别为式(2)的连续方程、式(3)和式(4)的运动方程:
步骤三,计算分析工程区域航道横流的时间过程和平面分布特征:利用验证后的潮流数学模型,计算分析不同涨落潮过程中,最大横流航道断面中心点处的航道横流时间过程,以及最大横流发生时刻航道横流的平面分布特征,分别绘制航道横流与潮位时间过程曲线和航道流速分量图;
步骤四,结合航道横流的特征以及船舶进出港特点,建立航道有效宽度累积频率概念,合理选取最大横流累积频率:
一是根据工程区域航道横流的时间和空间分布特征:是指一个潮周期内,船舶承受较大横流的时段由航道最大横流的发生时刻、较大横流的持续时间决定,而较大横流的航段范围由航道横流的平面分布特征来决定;所述较大横流时段是指发生在高潮位前、高潮位时刻和高潮位后;以及大横流航段发生在口门段、口外段对各类船舶安全通航的不同影响;
二是根据各类船型的通航特点:船舶的通航特点是指是否需要乘潮进港、满载进港或满载出港,以此决定各类船型何时有可能通过大横流时段;如大横流时段发生在高潮位后,大横流航段发生在口门段,港口进口以满载进港为主,对于需要乘潮进港的最大设计船型,需取较高最大横流累积频率才能满足船舶安全通航;对于全潮进港的船舶,取较高的最大横流累积频率;对于需要乘潮进出港的船舶,需分析其是否在大横流时段出现在大横流航段,从而合理选取最大横流累积频率;然后,以最大横流累积频率对应的航道横流值作为我国《海港总平面设计》规范公式中的设计参数,从而计算得到航道有效宽度。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140507 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |