一种基于最大横流累积频率的航道有效宽度设计方法

摘要

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。

主权项

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）：$P=\frac{m}{n+1}\times 100\%---\left(1\right)$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：$\frac{\partial \zeta }{\partial t}+\frac{\partial \left[(h+\zeta )U_x\right]}{\partial x}+\frac{\partial \left[(h+\zeta )U_y\right]}{\partial y}=0---\left(2\right)$$\frac{\partial U_x}{\partial t}+U_x\frac{\partial U_x}{\partial x}+U_y\frac{\partial U_x}{\partial y}=f{U}_y-g\frac{\partial \zeta }{\partial x}-\frac{{\tau }_x}{\rho (h+\zeta )}+N_x(\frac{{\partial }^2{U}_x}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^2{U}_x}{\partial y^2})---\left(3\right)$$\frac{\partial U_y}{\partial t}+U_x\frac{\partial U_y}{\partial x}+U_y\frac{\partial U_y}{\partial y}=-f{U}_x-g\frac{\partial \zeta }{\partial y}-\frac{{\tau }_y}{\rho (h+\zeta )}+N_y(\frac{{\partial }^2{U}_y}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^2{U}_y}{\partial y^2})---\left(4\right)$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；U_x、U_y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；N_x、N_y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。