京唐港航道边滩实测横流分析

吴福亮，唐磊，于泳，孙林云*

（1.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏南京210029；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；3.唐山港口实业集团有限公司，河北唐山063611）

京唐港航道边滩实测横流分析

吴福亮1，2，唐磊1，于泳3，孙林云1*

（1.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏南京210029；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；3.唐山港口实业集团有限公司，河北唐山063611）

针对唐山港京唐港区2014年8月—2015年4月航道边滩上的实测潮流资料，采用数理统计的方法对上述流速流向资料进行统计分析，并对横流流速和累积频率进行分析。分析结果表明，京唐港航道边滩上潮流主要为往复流，流向与岸线大致平行，流速集中在0.25~0.5 m/s；航道边滩上横流流速主要集中在0.25~0.5 m/s；挡沙潜堤堤顶挑流增大了潮流、横流的表层流速；航道边滩横流流速与累积频率有良好的对应关系，拟合曲线相关程度高，可为港区船舶调度或航道宽度设计等提供参考。

京唐港；实测；潮流；横流；累积频率；拟合曲线

唐山港京唐港区位于渤海北岸的大清河口和滦河口之间，东经119°，北纬39°，港口附近岸线大致呈NE—SW走向，是我国发育最典型的沙坝-泻湖海岸[1]。港口工程自1989年开工，经过多年的建设运营，目前京唐港已经是介于秦皇岛港和天津港之间的新兴北方大港。同时京唐港也是我国第一个在泥沙运动较活跃的细沙粉沙质海岸建设的大中型港口，港口工程采用挖入式形式，并建有双环抱防浪挡沙堤，进港航道为疏浚航道，航道走向为135°~315°[2]。

环抱式港区航道横流是航道运营和设计的重要参数，一直以来是设计和研究人员关注的重点，通常采用实测资料分析、物理模型分析、数学模型分析3种方法进行研究，其中实测数据分析是最可靠的研究方法[3]。以往潮流和横流更多的是分析大、中、小潮期间的短期观测资料，本文采用数理统计方法对京唐港口门附近的航道两侧边滩上5个测点长时间序列的潮流数据进行分析，研究潮流和横流在频域上的分布规律。

1 资料来源和处理方法

在京唐港口门附近航道两侧边滩上设有5个测点长时间序列的潮流数据，具体位置见图1。每个测点有10层的流速测量资料，每层间隔1 m，第1层在水下1.5 m。测量仪器为声学多普勒流速仪，总测量时间为2014年8月20日—2015年4月3日，时间间隔为10 min。各测站位置和观测时间见表1。由于篇幅限制，本文选取表、中、底3层数据进行分析。其中表层为水下1.5 m，中层为水下6.5 m，底层为水下10.5 m。参考方国洪的方法[4]，对潮流实测原始数据中缺漏的和不合理的数据进行初步处理，进而采用数理统计的方法，对实测潮流和横流进行统计分析。

图1 潮流测点位置示意图Fig.1Location of the observed tidal current

表1 测点位置和时间说明Table 1The location and time of measuring points

2 京唐港潮流特性分析

2.1 流向频率统计分析

对各测点潮流流向分16个方向进行统计分析。L1测点的流向频率分布如图2所示，L1测点流向集中在ENE、E、WSW、W向，3层流向分布较为一致。L2测点流向集中在NE、ENE、SW、WSW向，表层流向分布相对发散；L3测点流向集中在NE、ENE、SW、WSW向，3层流向分布较为一致；L4测点流向集中在NNE、S、SSW向，3层流向分布较为一致；L5测点流向集中在NE、ENE、SW、WSW向，表层流向分布相对发散。

图2 L1测点潮流流向频率分布图Fig.2The tidal current direction frequency distribution of L1 measuring points

各测点流向基本与航道垂直，表现出明显的往复流特性。口门内侧3个测点L1、L3、L4与口门外侧2个测点L2、L5中层、底层流向频率分布并无明显区别，但L2、L5测点表层流向分布相对较为发散，表明潜堤对潮流表层的流向有影响，但对中底层的流向并无明显影响。

2.2 流速频率统计分析

对潮流流速分区间进行统计分析。L1测点的流速集中在0.25~0.5 m/s，平均流速分别为0.27 m/s、0.36 m/s、0.23 m/s；L2测点表层流速集中在0.1~ 0.25 m/s，中、底层流速集中在0.25~0.5 m/s，表、中、底3层平均流速分别为0.15 m/s、0.33 m/s、0.26 m/s；L3测点流速集中在0.25~0.5 m/s，平均流速分别为0.28 m/s、0.31 m/s、0.27 m/s；L4测点表层流速集中在0.1~0.25 m/s、0.25~0.5 m/s两个区间内，中层、底层流速集中在0.25~0.5 m/s，表、中、底3层平均流速分别为0.36 m/s、0.41 m/s、0.32 m/s；L5测点表层流速集中在0.1~0.25 m/s，中层、底层流速集中在0.25~0.5 m/s，表、中、底3层平均流速分别为0.25 m/s、0.39 m/s、0.35 m/s。

由上述分析可知，各测点流速集中在0.25~ 0.5 m/s；口门内侧测点L1、L3、L4与口门外侧测点L2、L5中、底层流速并无明显区别，但L2、L5测点表层流速相对较小，可能是由于潜堤对堤顶潮流有挑流作用。

3 京唐港横流特性分析

3.1 京唐港横流流速大小分析

通常意义上的横流是指航道内水流垂直于航道轴线的分量，由于5个潮流标均位于航道边滩上，本次横流定义为测点处水流垂直于航道轴线的分量。为分析横流的大小频率分布规律，对潮流标的各层横流大小分区间进行统计分析，根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》[5]设置横流大小区间，结果如表2所示。

表2 横流流速频率统计分析Table 2Statistical analysis of crossflow velocity frequency

L1测点表、中层横流集中在0.25~0.5 m/s，底层横流集中在0.1~0.25 m/s，表、中、底3层平均横流分别为0.22 m/s、0.28 m/s、0.18 m/s；L2测点表层横流集中在0~0.1 m/s，中、底层横流集中在0.25~0.5 m/s，表、中、底3层平均流速分别为0.12 m/s、0.31 m/s、0.24 m/s；L3测点表、中、底3层横流集中在0.25~0.5 m/s，平均流速分别为0.27 m/s、0.30 m/s、0.26 m/s；L4测点表、中、底3层横流集中在0.25~0.5 m/s，平均横流分别为0.30 m/s、0.35 m/s、0.28 m/s；L5测点表层横流集中在0.1~0.25 m/s，中、底层横流集中在0.25~ 0.5 m/s，表、中、底3层平均横流分别为0.21 m/s、0.35 m/s、0.31 m/s。

由上述分析可知，各测点横流流速主要集中在0.25~0.5 m/s，其中口门外L2、L5测点的表层横流集中在0.1~0.25 m/s，口门内L1、L3、L4测点表层横流集中在0.25~0.5 m/s，同时口门外和口门内测点的中、底层横流未见明显差异，表明挡沙潜堤对横流的影响主要作用在表层，堤顶挑流作用能增大堤内表层横流。

3.2 京唐港横流累积频率分析

张玮等[6]应用涨潮潮差与航道最大横流的线性关系推求航道最大横流的累积频率曲线，本文则直接采用实测横流进行累积频率分析。根据式（1）统计各测点表、中、底3层横流小于或等于某一横流值所对应的横流经验累积频率，图3为L1测点的横流累积频率曲线。

式中：P为经验累积频率；n为样本容量；m为横流小于或等于某一横流值的样本容量。

图3 L1测点横流累积频率曲线和拟合曲线Fig.3Crossflow velocity cumulative frequency curve and fitting curve of L1 measuring point

经过分析可知，各测点在累积频率小于90%时，接近线性分布，故对各测点各层横流累积频率小于90%段进行相关分析，结果如表3。

表3 各测点90%累积频率内横流相关分析结果Table 3Thecorrelationanalysisofcrossflowateachmeasuring point within the cumulative frequency of 90%

各测点各层横流大小和累积频率的拟合曲线相关性均大于0.94，属于高度相关。经过计算，测量期间应用拟合公式计算出的横流与实际横流之间较为接近，误差在0.05 m/s之内。同时，对口门内L3测点、口门外L5测点的分月横流累计频率进行相关分析，综合两测点的所有数据序列相关分析结果，可以看出多月分析结果的斜率位于分月斜率之间，并且横流累积频率分月拟合曲线与多月拟合曲线较为接近。根据表中公式，可以得出累积频率和对应的横流流速，进而为港区船舶航行或航道宽度设计等提供参考。当然，在实际应用中，流速序列越长，得到的拟合公式更加可靠，应用价值也越高。

4 结语

本文针对长时间序列的潮流资料，采用数理统计方法，对流向频率和横流频率进行统计分析。

1）对京唐港航道边滩上2014年8月—2015年4月期间潮流标测量数据进行分析，分别进行了流速大小分区间频率统计分析和流向统计分析。各测点均表现出明显的往复流特性，流向集中在N—E、S—W，流速集中在0.25~0.5 m/s。各测点中层流速较大，表、底层流速较小，且口门内侧测点表层潮流速比外侧流速大，可能是因为挡沙潜堤堤顶挑流的作用。

2）对航道边滩上横流进行频率统计分析，各测点横流流速主要集中在0.25~0.5 m/s，其中口门内测点表层横流相对于口门外表层横流流速较大，但中、底层横流未见明显差异，表明挡沙潜堤对横流的影响主要是表层的影响，堤顶挑流作用能增大堤内表层横流。

3）针对90%以内的横流流速累积频率，进行相关分析并拟合公式，分析表明测量期间拟合公式的精度较高，且横流累积频率分月拟合曲线与多月拟合曲线较为接近。实际应用中，根据公式可得出各测点累积频率及其对应的横流流速，进而为港区船舶调度或航道宽度设计等提供参考。

[1]孙波，孙林云，刘建军，等.京唐港自然条件及海岸泥沙运动分析[R].南京：南京水利科学研究院，2005. SUN Bo,SUN Lin-yun,LIU Jian-jun,et al.The analysis of Jingtang Port natural conditions and coastal sediment movement[R]. Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2005.

[2]季则舟，于泳，孙林云，等.唐山港京唐港区深水航道建设关键技术研究[R].南京：南京水利科学研究院，2015. JI Ze-zhou,YU Yong,SUN Lin-yun,et al.Technology research of deepwater channel construction of Tangshan Port Jingtang District [R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2015.

[3]张玮，李泽，刘燃，等.环抱式防波堤口门航道横流三维特性研究[J].海洋工程，2014，32（1）：91-98. ZHANG Wei,LI Ze,LIU Ran,et al.Research on three-dimensional characteristics of cross-flow in approach channel at entrance of encircle breakwater[J].The Ocean Engineering,2014,32(1):91-98.

[4]方国洪.潮汐和潮流的分析和预报[M].北京：海洋出版社，1986：88-93. FANG Guo-hong.Analysis and prediction of tides and tidal currents[M].Beijing:China Ocean Press,1986:88-93.

[5]JTS 165—2013，海港总体设计规范[S]. JTS 165—2013,Design code of general layout for sea ports[S].

[6]张玮，李泽.基于最大横流累积频率的航道宽度设计方法[J].中国港湾建设，2014（10）：27-30. ZHANG Wei,LI Ze.Design method of approach channel width under maximum guaranteed cross flow rate[J].China Harbour Engineering,2014(10):27-30.

Analysis on observed crossflow at the beach of Jingtang waterway

WU Fu-liang1,2,TANG Lei1,YU Yong3,SUN Lin-yun1*
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing,Jiangsu 210029,China;2.College of Harbour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;3.Tangshan Port Industrial Group Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063611,China）

Based on the observed tidal current data at the beach of Jingtang waterway on August 2014 to April 2015,we analyzed the flow velocity and direction of tidal current with the method of mathematical statistics,and analyzed the velocity and cumulative frequency of crossflow.The results show that the tidal current on the beach of Jingtang waterway is mainly reciprocating flow,the flow direction roughly parallels to the shoreline,the velocity is concentrated in 0.25 to 0.5 m/s,the velocity of crossflow on the beach is mainly concentrated in 0.25 to 0.5 m/s,submerged breakwater mainly increase the velocity of tidal current and crossflow at the surface layer,the velocity of crossflow and cumulative frequency have good corresponding relationships,the correlation degree of fitting curve is high,and it can provide the reference for shop scheduling or channel width design in the port area.

Jingtang Port；observed；tidal current；crossflow；cumulative frequency；fitting curve

U612.32；P731.21

A

2095-7874（2017）05-0015-04

10.7640/zggwjs201705004

2016-11-27

2017-02-20

吴福亮（1993—），男，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事海岸泥沙研究。

*通讯作者：孙林云，E-mail：linyunsun@sina.com