基于自动分潮优化技术的辽东地区感潮河段河口区潮汐规律模拟研究

2018-06-19孙毅

水利技术监督 2018年3期

孙毅

(辽宁省丹东水文局，辽宁丹东 118000)

当前对于潮位调和分析大都采用固定潮型的分潮方法[1- 5]，结合年逐时潮位数据去计算潮位调和系数，并基于潮位调和分析数据去推算不同时间尺度下的潮汐。这种方法对于推算潮位站潮汐，编印公用潮汐表示可行的；但由于水利部门的潮位站大都建设在海岸线较为复杂的河口以及近岸区域，这些区域的潮汐变化更为复杂，常规潮汐预报方法已不适应这些地区。水利部门有许多潮位站只有高低潮位记录，往往要求对这些测站也跟逐时资料一样，对其进行调和分析并进行潮汐预报。本文结合“埃尔米特”插值法[6- 9]进行逐时资料的补充，该方法既考虑插值基点函数值，又兼顾到基点上的一阶导数，在半日潮、混合潮、全日潮以及河口地区的非正规半日潮4类潮型均获得理想的结果。河口区的潮位受上游洪水波和下游潮波的共同影响。结合实测潮位数据对潮位预报进行校正，有利于提高河口地区潮位预报的精度。

1 自动分潮优化技术原理

潮站潮位的理论计算方程为：

(1)

式中，h(t)—复杂潮位过程中的一个分潮；σ—分潮的角速速率，km/h；v0+u—分潮相角度；f—节点因子数；A0—平均海平面高度，m；Hj和gj则表示为分潮的振幅，m以及迟角，(°)，为分潮潮汐的调和系数，该系数值通过实测潮位数据进行确定。其计算方程分别为：

(2)

将公式(1)和(2)进行对比，可得：

fjHj=Rj

(3)

(ν0+u-g)j=-θj

(4)

将公式(3)和(4)进行转换，可得：

(5)

公式(5)即为自动分潮方程的调和系数。该系数需结合实测的潮位数据，将各个分潮从复杂的潮位过程中进行分离，将不需要的分潮进行消除，将剩余的分潮进行振幅Rj和初相角θj的计算，即可结合公式(5)推求分潮的调和系数。

在正常天气系统下，潮位主要由天文潮来进行计算，计算方程为：

(6)

式中，A0—平均海平面高度，m；σi—第i个分潮的角速速率，km/h；fi、(V0+u)i—第i个分潮的分潮相角度(°)以及节点因子数；Hi和gi—第i个分潮调和系数。

2 辽东感潮河段潮汐规律模拟研究

2.1 区域概况

流域呈扇形形状，流域内山峰林立，丘陵起伏，平均海拔300m，至东港境内，地势开阔，平均海拔约100m。区域属于典型受潮汐影响的感潮河段，河口区潮位既受到上游洪水影响，又受潮位顶托影响。河口区内有2个潮位观测站，观测站的数据系列从1965～2016年。结合区域实测潮位数据，结合分潮自动优化技术对潮位进行调和分析。

2.2 分潮自动优化技术预报精度分析

结合区域内两个实测潮位站潮位数据，分析海洋情报所发行的潮汐表与本项目分潮优化预报结果的差异。分析结果见表1、2。

表1 1#潮位站精度分析结果

表2 2#潮位站精度分析结果

从表1、2中可以看出，自动分潮优化技术后可改变传统潮汐表具有经验性的局限性，在两个潮位站的潮汐预报精度都较传统方法有明显改善，最大差值在±30cm提高了5%～8%，潮位年平均均方差提高1.3cm。各范围内的潮汐预报次数，自动优化分潮后都有较为明显的改善。总体上，自动分潮优化潮汐调和分析及预报技术，潮位预报精度比国内发行的潮汐表提高5%～8%，精度改善较为明显。

2.3 基于高低潮资料的潮位预报精度分析

基于高低潮资料，采用埃尔米特插值方法得到逐时潮位资料，再经自动优化技术进行调和分析和潮汐预报。为了验证该方法的有效性，选择1#潮位站和2#潮位站，分属半日潮、混合潮半日潮、全日潮及非正规半日潮性质的测站。各站取实测一年的高低潮资料，经用埃尔米特插值法获得逐时潮位，经调和分析后，与实测的逐时潮位进行比较。分析比较结果见表3、4。

表3 不同潮型测站资料调和分析结果

表4 不同潮型测站资料调和分析结果

从表3、4中可以看，高低潮资料插值所作调和分析得到的分潮振幅和迟角与实测逐时资料的分析结果非常接近。在各类测站中，以正规半日潮效果尤佳，实测逐时与高低潮插值所得的逐时资料，用它们分别作调和分析，调和后的均方差降低显著。用实测逐时资料和高低潮资料所作调和分析，优化后的分潮数大多均有明显减少，由高低潮内插出逐时潮位，其平均海面与实测逐时潮位得到的平均海面相比，半日潮和非正规半日潮组的年平均海面减少3.9cm和0.6cm；混合潮和全日潮组则分别高出1.3cm和6.8cm。

2.4 河口区潮位预报精度分析

结合河口区潮位预报方法，对区域感潮河段河口区两个潮位站的潮位进行预测，并结合对潮汐预报中所用的日均潮位，或者逐时潮位进行校正。校正前后的河口区两个潮位站的潮位预报对比结果见表5、6。

表5 1#站校正前、后的计算精度统计结果

表6 2#站校正前、后的计算精度统计结果

从表5、6可以看出，采用潮位校正后，河口区日均潮位的计算精度得到明显提高，各潮位站小于+10～+30cm合格率平均提高18.9%和7.2%。这主要是因为河口区上游径流对河口潮位的影响一般为整体上升或下降，因此在径流变化增量基础上确定每日受潮汐影响增水量和潮汐模型预报潮位进行叠加后的逐时段对潮位进行实时校正后，其精度得到明显改善。