龔 政，張 茜，趙亞昆，王灶平

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

設(shè)計(jì)潮位是海堤、防波堤等涉海工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，它決定了海堤、防波堤的堤頂高程等，并直接影響到工程量和工程投資。GB 50286—1998《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］規(guī)定，“設(shè)計(jì)潮位應(yīng)采用頻率分析的方法確定，應(yīng)具有不少于連續(xù)20年的年最高潮位資料，并應(yīng)調(diào)查歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的特高潮潮位;對(duì)只具有短期潮位觀測(cè)資料的工程地點(diǎn)，當(dāng)該地與鄰近長(zhǎng)期站的潮汐性質(zhì)相似，經(jīng)過分析論證，可采用相關(guān)分析的方法確定工程地點(diǎn)的設(shè)計(jì)潮位”。SL 435—2008《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］規(guī)定，“設(shè)計(jì)潮位應(yīng)采用頻率分析的方法確定，潮位資料系列不宜少于20年，并應(yīng)調(diào)查歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的最高或最低潮位值;當(dāng)缺乏長(zhǎng)期連續(xù)潮位資料，但有不少于連續(xù)5年的年最高潮位資料時(shí)，設(shè)計(jì)高潮位可采用極值同步差比法與附近有不少于連續(xù)20年資料的長(zhǎng)期潮位站資料進(jìn)行同步相關(guān)分析，確定設(shè)計(jì)高潮位”。

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，沿海國(guó)土資源開發(fā)程度加劇，圍墾工程建設(shè)如火如荼。從近年的圍墾工程建設(shè)前期工作看，工程地點(diǎn)往往缺乏連續(xù)20年的年最高潮位實(shí)測(cè)資料。為了盡量滿足工程規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，部分工程僅在工程海域進(jìn)行短期潮位觀測(cè)，無法按照相關(guān)規(guī)范對(duì)連續(xù)20年以上的年最高潮位進(jìn)行頻率分析，以推求堤防工程設(shè)計(jì)潮位。此時(shí)，選擇臨近潮汐性質(zhì)相似的長(zhǎng)期潮位站進(jìn)行最高潮位的同步差比或相關(guān)分析，是工程實(shí)踐中常用的方法［3-6］。當(dāng)工程地點(diǎn)沒有與附近長(zhǎng)期站同步的實(shí)測(cè)資料，或者實(shí)測(cè)年最高潮位資料少于5年時(shí)，無法運(yùn)用同步差比法［2］;另外，同步差比法在推算工程海域年平均海平面等方面也有難度［3］。

本文以江蘇中部沿海條子泥匡圍工程為例，分別采用以下兩種方法推算堤防設(shè)計(jì)潮位:一是由潮流數(shù)值模擬計(jì)算得到工程海域的大潮高潮位，并與附近長(zhǎng)期潮位站的同步大潮高潮位建立相關(guān)關(guān)系，再由長(zhǎng)期潮位站重視期潮位推算出工程海域的設(shè)計(jì)潮位，簡(jiǎn)稱基于潮流場(chǎng)數(shù)值模擬的方法;二是在工程海域設(shè)立臨時(shí)觀測(cè)站，建立短期實(shí)測(cè)潮位與附近長(zhǎng)期潮位站同步觀測(cè)潮位的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而由長(zhǎng)期潮位站重現(xiàn)期潮位推算工程海域的設(shè)計(jì)潮位，簡(jiǎn)稱基于短期實(shí)測(cè)潮位資料的方法。將這兩種方法的推算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析兩種方法的適用性。

1 研究區(qū)概況

圖1 南黃海輻射沙脊群及條子泥位置示意圖

條子泥位于江蘇中部近岸淺海的輻射沙脊群中心區(qū)，為毗鄰大陸岸灘的大型沙洲(圖1)。條子泥匡圍工程海域是東海前進(jìn)潮波與南黃海旋轉(zhuǎn)潮波兩大潮波系統(tǒng)的交匯區(qū)，水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，泥沙交換活躍，潮灘沖淤?gòu)?fù)雜多變［7-11］。條子泥沿岸高灘屬淤長(zhǎng)型淤泥質(zhì)海岸，潮灘寬闊、平緩，地形地貌復(fù)雜，近幾十年來淤積趨勢(shì)明顯［12-13］。

為緩解江蘇用地日益緊缺的矛盾，推動(dòng)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展，《江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃》提出在2020年前匡圍灘涂18萬hm2，近期先期啟動(dòng)條子泥匡圍工程，匡圍面積為2.67萬hm2，條子泥匡圍工程平面布局見圖2。

重現(xiàn)期潮位是條子泥匡圍工程堤防設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。由于工程海域缺乏長(zhǎng)系列年最高潮位資料，需要尋求與工程海域潮汐性質(zhì)相似的長(zhǎng)期海洋觀測(cè)站潮位的同步差比關(guān)系或相關(guān)關(guān)系［1-2］。但是，江蘇沿海只有兩個(gè)長(zhǎng)期海洋觀測(cè)站，即北部的連云港站和南部的呂四站，該二站距離條子泥匡圍工程海域較遠(yuǎn)，潮汐特性差異較大，難以采用同步差比法或相關(guān)分析法。因此，采用條子泥匡圍工程近岸側(cè)入海河口梁垛河的南閘閘下潮位站的潮位資料，該水文站由水利部門設(shè)置，上游入海河道排水對(duì)低潮位過程影響明顯，梁垛河口位置見圖2。另外，為了復(fù)核設(shè)計(jì)潮位，在條子泥匡圍堤線附近設(shè)置了4個(gè)臨時(shí)潮位觀測(cè)站。本文以北堤4號(hào)代表站為例進(jìn)行兩種設(shè)計(jì)潮位推算方法的計(jì)算與對(duì)比分析，堤線上共布置了21個(gè)代表站，各代表站位置及臨時(shí)潮位觀測(cè)站T1位置見圖2。

圖2 條子泥匡圍工程平面布局

2 基于潮流場(chǎng)數(shù)值模擬的重現(xiàn)期潮位推算

采用計(jì)算域大、小二層網(wǎng)格嵌套技術(shù)建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，大模型計(jì)算域?yàn)榘|海、黃海和渤海在內(nèi)的整個(gè)東中國(guó)海，小模型計(jì)算域包括整個(gè)江蘇近海和長(zhǎng)江口附近海域，大模型為小模型提供邊界條件，計(jì)算范圍見圖3。東中國(guó)海潮波模型計(jì)算域?yàn)?23°30'N ～ 40°30'N，117°E ～ 131°E，南北相距17個(gè)緯距，東西橫跨14個(gè)經(jīng)度;采用矩形網(wǎng)格離散，網(wǎng)格精度為0.1°×0.1°;水邊界南起廣東與福建交界的南澳，經(jīng)澎湖列島的馬公至臺(tái)灣西岸的布袋，再?gòu)呐_(tái)灣東岸的蘇澳經(jīng)日本琉球群島至九州，再?gòu)木胖荼卑督?jīng)對(duì)馬海峽至韓國(guó)的釜山;水邊界控制條件由8個(gè)主要分潮潮汐調(diào)和常數(shù)推算出逐時(shí)潮位過程。小模型計(jì)算范圍南起長(zhǎng)江口南部的南匯嘴，北至山東日照港北部的石臼所，即30°54'N～35°24'N，119°09'E ～123°00'E，南北長(zhǎng) 500km，東西橫跨360km;采用矩形網(wǎng)格離散，網(wǎng)格尺寸為300m×300m。

圖3 東中國(guó)海潮波模型和小模型計(jì)算范圍

東中國(guó)海潮波模型［7］在近20多年的研究工作中已多次應(yīng)用，并經(jīng)過了實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證;小模型［14］主要采用2006年、2007年的潮位和流速實(shí)測(cè)資料進(jìn)行率定驗(yàn)證，此處不再贅述。在此基礎(chǔ)上，分別計(jì)算了2009年24個(gè)大潮期江蘇沿海潮流場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)了匡圍堤線代表站2009年24個(gè)大潮的高潮位。

考慮到梁垛河南閘閘下重現(xiàn)期潮位統(tǒng)計(jì)分析中，采用了條子泥匡圍工程實(shí)施前的潮位資料，因此，需首先分析條子泥匡圍工程對(duì)周邊海域高潮位的影響。分別模擬條子泥匡圍工程實(shí)施前后大潮期潮流場(chǎng)，選擇匡圍工程北側(cè)堤線4號(hào)代表站，分析條子泥匡圍工程實(shí)施前后潮位的變化，見圖4。由圖4可以看出，工程實(shí)施后4號(hào)代表站的低潮位過程有所降低，低潮位變化在15cm以內(nèi)，最高潮位變化在5cm以內(nèi)，說明工程的實(shí)施對(duì)北側(cè)堤線附近海域高潮位影響較小。因此，可以根據(jù)北側(cè)堤線代表站與梁垛河南閘閘下大潮高潮位的相關(guān)關(guān)系，以及梁垛河南閘閘下重現(xiàn)期潮位，推算北側(cè)堤線代表站重現(xiàn)期潮位。

圖4 堤線4號(hào)代表站條子泥匡圍工程實(shí)施前后潮位的變化

梁垛河南閘位于條子泥匡圍工程北堤西側(cè)，閘下港道較短，閘下水位基本可代表河口潮位。入海河口年最高潮位一般發(fā)生在風(fēng)暴潮期間，此時(shí)河口閘關(guān)閉，高水位主要由天文潮和風(fēng)暴增水形成。按照J(rèn)TJ 213—1998《海港水文規(guī)范》［15］的要求，根據(jù) 1989—2008年的年最高潮位，采用極值Ⅰ型分布律，分析得到廢黃河基面下50年一遇潮位為5.56 m，100年一遇潮位為5.72m。北側(cè)堤線4號(hào)代表站潮位與梁垛河南閘閘下2009年24個(gè)大潮高潮位的相關(guān)關(guān)系見圖5。可以看出，兩站間潮位線性相關(guān)度較高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9514，因此，可以根據(jù)梁垛河南閘閘下重現(xiàn)期潮位推算4號(hào)代表站重現(xiàn)期潮位，得到4號(hào)代表站50年一遇潮位為5.23 m，100年一遇潮位為5.38 m。

圖5 堤線4號(hào)代表站大潮高潮位與梁垛河南閘閘下大潮高潮位的相關(guān)關(guān)系

3 基于短期實(shí)測(cè)潮位資料的重現(xiàn)期潮位推算

條子泥匡圍工程海域建立了臨時(shí)潮位觀測(cè)站T1，其位置見圖2，自2011年6月開始進(jìn)行潮位觀測(cè)。選取北堤北側(cè)T1觀測(cè)站2011年7月16日至9月15日潮位觀測(cè)資料，建立T1觀測(cè)站逐時(shí)潮位與梁垛河南閘閘下同步逐時(shí)潮位的相關(guān)關(guān)系，并利用梁垛河南閘閘下重現(xiàn)期潮位，推算T1觀測(cè)站重現(xiàn)期潮位。T1觀測(cè)站逐時(shí)潮位與梁垛河南閘閘下同步逐時(shí)潮位相關(guān)關(guān)系見圖6，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9492。將梁垛河南閘閘下重現(xiàn)期潮位代入回歸方程，得到T1觀測(cè)站50年一遇潮位為5.39 m，100年一遇潮位為5.54 m。

圖6 T1觀測(cè)站逐時(shí)潮位與梁垛河南閘閘下同步逐時(shí)潮位的相關(guān)關(guān)系

4 兩種方法的適用性比較

本文采用基于潮流場(chǎng)數(shù)值模擬的方法和基于短期實(shí)測(cè)潮位資料的方法，分別推算了江蘇中部沿海條子泥匡圍工程北堤4號(hào)代表站與北堤北側(cè)T1觀測(cè)站的重現(xiàn)期潮位。T1觀測(cè)站位于北堤4號(hào)代表站北側(cè)約1km，因此兩站潮位較接近。結(jié)果表明，兩種方法推算的兩站50年一遇和100年一遇重現(xiàn)期潮位差值均為16cm，這其中包含了由于地理位置差異、推算方法差異、潮位序列不同等產(chǎn)生的誤差，這個(gè)誤差在實(shí)際工程中是可以接受的。因此，在無長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)潮位資料的情況下，這兩種方法都是合理可行的。但兩種方法各有利弊，在使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意其適用性和局限性。

基于潮流場(chǎng)數(shù)值模擬的方法計(jì)算方便快捷，可以反映工程前后潮位的變化，但潮流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算難以反映風(fēng)暴潮等隨機(jī)事件產(chǎn)生的高潮位，建立的工程海域代表站與長(zhǎng)期潮位站間的高潮位的相關(guān)關(guān)系尚不能完全代表兩站年最高潮位的相關(guān)關(guān)系，對(duì)成果的準(zhǔn)確度有影響，較適用于潮位不易觀測(cè)和收集的地區(qū)，或工程時(shí)間緊迫、安全等級(jí)要求不是特別高的工程。另外，在使用基于潮流場(chǎng)數(shù)值模擬的方法推算設(shè)計(jì)潮位時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)充分驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性，并確保模型的精度。

基于短期實(shí)測(cè)潮位資料的方法反映了測(cè)量期間當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，可信度更高，但需要時(shí)間與資金的大量投入，常常受到自然條件、交通條件的限制，特別是在離岸深水區(qū)，潮位觀測(cè)實(shí)施比較困難;另外，這種方法對(duì)工程建設(shè)后潮位變化較大的海域不適用。這種方法的準(zhǔn)確度主要受到潮位序列長(zhǎng)度的控制，故適用于方便設(shè)置潮位站的近岸淺水區(qū)，且前期觀測(cè)時(shí)間充裕、安全等級(jí)要求較高的工程。

因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的地理位置、重要程度、實(shí)施條件等諸多因素綜合考慮，選擇適用的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)潮位的推算，必要時(shí)采用若干種方法進(jìn)行復(fù)核。

［1］GB 50286—1998 堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL 435—2008 海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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［15］JTJ 213—1998 海港水文規(guī)范［S］.