潮汐要素之潮位涨落过程曲线示意图

地球上的海水，受月球、太阳和其他天体引力作用所产生的一种周期性升、降运动，称之为潮汐。潮汐现象最显著的特点是具有明显的规律，其变化周期约12h（半日潮）或24h（全日潮）。潮汐包括海面周期性的垂直涨落运动和海水周期性的水平进退流动。习惯上，将前者称为潮汐，后者称为潮流。两者的区别在于运动的方向不同。两者的联系：对于海湾来讲，涨潮流使潮位升高；而落潮流却使潮位降低。在开阔海域，潮流受地转偏向力等影响，其流速、流向随时都发生变化，称旋转潮流。在近岸或狭窄海域，受地形影响，潮流主要在两个方向变化，称往复潮流。海缆工程的规划、设计、施工及运营与管理，都需要了解与掌握海面潮汐变化规律。

图8-12 潮汐要素示意图

8.2.1.1 潮汐要素

图8-12表示潮位（即海面相对于某一基准面的铅直高度）涨落的过程曲线，图中纵坐标是潮位高度，横坐标是时间。涨潮时潮位不断增高，达到一定的高度以后，潮位短时间内不涨也不退，称之为平潮，平潮的中间时刻称为高潮时。平潮的持续时间各地有所不同，可从几分钟到几十分钟不等。平潮过后，潮位开始下降。当潮位退到最低的时候，与平潮情况类似，也发生潮位不退不涨的现象，叫做停潮，其中间时刻为低潮时。停潮过后潮位又开始上涨，如此周而复始地运动着。从低潮时到高潮时的时间间隔叫做涨潮时，从高潮时到低潮时的时间间隔则称为落潮时。一般来说，涨潮时和落潮时在许多地方并不是一样长。海面上涨到最高位置时的高度叫做高潮高，下降到最低位置时的高度叫低潮高，相邻的高潮高与低潮高之差叫潮差。

8.2.1.2 潮汐不等与潮汐类型

1.潮汐的类型

从各地的潮汐观测曲线可以看出，无论是涨、落潮时，还是潮高、潮差都呈现出周期性的变化，根据潮汐涨落的周期和潮差的情况，可以把潮汐大体分为如下的4种类型：

1）正规半日潮在一个太阴日（约24h50min）内，有两次高潮和两次低潮，从高潮到低潮和从低潮到高潮的潮差几乎相等，这类潮汐就叫做正规半日潮（见图8-13a）。

2）不正规半日潮在一个朔望月中的大多数日子里，每个太阴日内一般可有两次高潮和两次低潮；但有少数日子（当月赤纬较大的时候），第二次高潮很小，半日潮特征就不显著，这类潮汐就叫做不正规半日潮（见图8-13b）。

3）正规日潮在一个太阴日内只有一次高潮和一次低潮，像这样的一种潮汐就叫正规日潮，或称正规全日潮（见图8-13c）。

4）不正规日潮（见图8-13d）是不正规日潮潮汐过程曲线，显然，这类潮汐在一个朔望月中的大多数日子里具有日潮型的特征，但有少数日子（当月赤纬接近零的时候）则具有半日潮的特征。

2.潮汐的不等现象

凡是一天之中两个潮的潮差不等，涨潮时和落潮时也不等，这种不规则现象称为潮汐的日不等现象。高潮中比较高的一个叫高高潮，比较低的叫低高潮；低潮中比较低的叫低低潮，比较高的叫高低潮。

从潮汐过程曲线（图8-13）还可看出潮差也是每天不同。在一个朔望月中，“朔”、“望”之后二、三天潮差最大，这时的潮差叫大潮潮差；反之在上、下弦之后，潮差最小，这时的潮差叫小潮潮差。

8.2.1.3 潮汐特征

潮汐现象可看作是由许多个分潮波的组合，通常以M2、S2、K1、O1四个分潮所占的比重最大，因此，人们常取这四个分潮波的叠加来说明潮汐的特征。潮汐类型（有的文献称潮汐性质），常以M2、S2、K1、O1分潮的平均振幅比值（也称潮型系数）来作为判别的依据。

潮汐性质判别的方法如下：

设，其中H分别为各对应分潮的振幅，

若A≤0.5 属正规半日潮

图8-13 各类型潮汐的月过程曲线

0.5＜A≤2.0 属不正规半日潮

2.0＜A≤4.0 属不正规全日潮

4.0＜A 属正规全日潮

8.2.1.4 特征面和基本潮位

1.基准面

将某测站测得任意时段的每小时的潮高取其平均值，称为某测站的在某一段时间的平均海面。平均海平面有日平均海面、月平均海面和年平均海面。每天、每月和每年的平均海面都是变化的。同时不同地点的平均海面也有差异。

（1）平均海面随时间变化

日平均海面不规则变化：在短期观测资料中，某几天中的平均海面会比其他几天更高或更低些，其原因，除了天体引潮力所引起的大小潮产生日不等现象外，主要是由于天气状况的影响。例如风、气压分布、降水、径流等使得海水在局部地区发生堆积或流失。

平均海平面以月、年、多年为周期的变化。在渤海和黄海，最高的日期一般是在9月份，最低一般在2月份，南海一般是在10～11月份，最低一般在3～4月份。它与海水温度和季风有关。平均海平面还有以多年为周期的变化规律，主要是由于天文因素有长周期性（9年、19年）的变化。因此，取9年、19年资料计算的平均海平面较为理想。

（2）平均海面随地点变化的情况

各海区长期验潮站的平均海面与青岛平均海面比较结果，渤海比青岛高出0～10cm；东海比青岛高出0～20cm。南海比青岛高出20～40cm（但也有个别地点低于青岛站）。

各海区的平均海面不一致的原因，是由于各地的地理条件、气象因素、海水密度等不同所造成的。

2.基准面和水准点与各种潮位之间的关系

由于潮位是以海面与固定基面的高程表示的，所以在选定观测站之后，就要确定该测站潮位观测的起算面（简称为测站基面）。水文资料中提到的测站基面有：绝对基面、假定基面、冻结基面、深度基准面等。

绝对基面：一般是以某一测站的多年平均海平面作为高程的零点，因此海平面又叫绝对基面。如青岛零点（基面）、吴淞零点（基面）、大沽零点（基面）、珠江零点（基面）等。若以这类零点作为测站基面，则该测站的水位值就是相对绝对基面的高程。

假定基面：某测站附近没有国家水准点（如海岛或偏僻的地方），测站的高程无法与国家某一水准点联结时，可自行假定一个测站基面，这种基面称为假定基面。

冻结基面：由于原测站基面的变动，所以以后使用的基面与原测站基面不相同，故原测站基面需要冻结下来，不再使用，即为冻结基面。冻结下来的基面可保持历史资料的连续性。

验潮零点：（水尺零点）是记录潮高的起算面，其上为正值，其下为负值。一般来讲，验潮零点所在的面称为“潮高基准面”，该面通常相当于当地的最低低潮面。

深度基准面：是海图水深的起算面。海图深度基准面一般确定在最低低潮面附近，它与每天低潮面的高度是不同的。若深度基准面定得过高，那么将有许多天的低潮面在深度基准面的下面，这样会出现实际水深小于海图上所标出的水深，会造成船只航行、停泊时发生触礁或搁浅等现象。若深度基准面定得过低，则海图上的水深小于实际水深，使本来可以航行的海区也不敢航行。因此，深度基准面要定得合理，不宜过高或过低。

在确定某测站的平均海平面之后，以它作为起算面，然后通过测量求出平均海平面与永久水准点的关系，再确定理论最高潮面和实际最高潮面、理论最低潮面和实际最低潮面与平均海平面的关系，最后找出该站本身的水位零点、深度基准面与黄海平均海平面的关系等。

3.极端潮位

（1）标准

我国在设计中曾采用历年最高、低潮位作为极端高、低水位。从全国各港口的潮汐资料来看，随着年代的增长，历年最高、最低潮位的数值会有较大的差异。由调查得到的历史最高、最低潮位，同样存在着这个问题，且数值更不可靠。此外，对特高、特低潮位的取舍，也无明确的标准。为了克服上述缺点，我国《海港水文规范》中规定，采用年频率统计的方法推求50年一遇的高、低潮位作为极端水位。这样所推求的潮位具有明确的统计含义，且对于其他一些特殊水位也可在规定重现期的基础上予以确定。

（2）资料年限

为了确定极端高、低水位，在应用频率分析方法进行统计分析时，要求应具有不少于20年的年最高、最低潮位实测资料，并须调查历史上出现的特殊水位。

（3）极端水位的推算方法

对于半日潮条件下的港口，每年的潮位观测资料将有700多个高潮和低潮，它们是在天文因素、气象因素等综合作用下出现的。虽然每天出现的由天文因素引起的高、低潮位是可以预报的，但受气象和其他因素影响，较特殊的一些潮位却呈现出随机的特征，这些潮位可以近似地看作是一个有K个随机变量的系列。在此系列中有一个最大值，即一年的最高潮位，也有一个最小值，即一年中的最低潮位。一年的潮位系列，其分布称为原始分布，而最大值或最小值为极值，因此，其分布称为极值分布，这个极值分布可以根据原始分布来求得。

8.2.1.5 潮位观测(www.xing528.com)

由于潮汐的变化与地球和月球的运动有关，又与当地的地形、地貌有关，所以潮位站的选址应遵循以下原则：

1）潮位站的潮汐情况应具有本海区代表性，这是主要条件。

2）风浪较小，往来船只较少的位置，不仅可以提高观测准确度还可避免水尺被刮倒，如有岛屿应选在背风面。

3）选择海滩坡度较大的位置，这样便于水尺安放，使水尺位置便于由岸上进行观测，如果海滩坡度很小，海水在滩涂涨落距离很远，为了观测潮位的升降，就需要设立十几根水尺，甚至数十根水尺，才能进行潮汐观测，这样很不方便。

4）尽量利用码头、栈桥、防波堤等进行观测，避开冲刷、崩塌、淤积的海岸。

要进行验潮，首先要解决水尺零点的高程问题，如果水尺零点不与国家水准网（基面）联测，不求出水尺零点相对国家的标准高程网（国家的标准基面）中的高度，那么这个零点就没有什么意义，在潮位观测结束后，这些资料将很难使用。为了解决这个问题，需要在岸上设立固定水准点（固定在岩石或水泥桩上），并求出水尺零点和岸上水准点之间的相对高度。由于水准点是长期保存的，即使撤销了水尺，也能够知道水尺零点、平均海面和深度基准面的位置。而且在验潮期间，可以用来经常检查各水尺零点有否变动，即使另设水尺也可以保证前后资料的统一性。在水位观测过程中，如由于某种原因水尺的位置发生了变化，要想恢复原来零点，也必须要与岸上水准点联测才能确定，所以，在潮位观测中水准联测是不可缺少的工作。所谓水准联测，就是用水准测量的方法，测出水尺零点相对国家标准基面中的高程，从而固定水位零点、平均海面及深度基准面的相互关系，也就保证了潮位资料的统一性。水准测量示意如图8-14所示。

图8-14 水准测量示意图

C对B的高差是：h₁=H_B-H_A=a₁-b₁

h₂=H_C-H_B=a₂-b₂

那么，C对A的高差是：

h=H_C-H_A=（H_B-H_A）+（H_C-H_B）=（a₁-b₁）+（a₂-b₂）

如此测量连续下去，直到n次为止，那么

h₁=a_i-b_i （i=1，2，…，n）

ΔH即后尺读数之和减去前尺读数之和，为两点之间的高程。

1.验潮井

验潮井是为安装验潮仪而专设的建筑物。验潮井按其建筑结构形式可分岛式和岸式两种。

图8-15 岛式验潮井

（1）岛式验潮井

岛式验潮井系由建筑在海面上支架、引桥、仪器室和测井组成（见图8-15）。测井是为了消除海面波动对浮筒的影响而设置的。设置时，可采用钢筋混凝土、铸铁管、钢管、硬质塑料管和玻璃钢等作为井筒材料，内径一般为0.7～1.0m，不得小于0.5m。为了能观测到极值水位，安装测井时井口应高于历年最高水位1.5m，井底应低于最低水位1.5～2.0m。测井底部开4～6个9cm×9cm大的进水孔，使测井内外水面变化保持一致。为了排除波动对水位的影响，测井内必须安设消波器（通常采用漏斗形消波器）。消波器上口安装高度应在历年最低水位以下0.5m处。消波器进水管口径不能过小，也不能过大。其口径过小容易被泥沙或其他杂物堵塞，其口径过大则达不到消波作用，在实际工作中，消波器进水管口径一般与测井的截面积成1/500比例。如测井直径为1m，则消波器进水孔直径为4.5cm。仪器室是安装验潮仪记录装置的地方，面积约2m×2m左右，建筑要求坚固、隔热、通风、防湿。其顶部最好安装排气装置，以保证验潮仪正常运转。仪器室一般建造在测井之上。引桥是验潮井与陆岸连接的桥。在不能利用现有海工建筑物安装的验潮井，一般需建引桥。建引桥时，桥面高度应高于历史最高潮2m，宽不小于0.7m，其强度应能抗击该地出现的最大波浪。桥面两侧安装坚实的栏杆。

岛式验潮井一般在海岸坡度较缓、水深较浅的地方使用。同时在离岸不甚远的陆地上可找到当最高水位时也不被海水淹没的地点。

（2）岸式验潮井

验潮井的测井、仪器室是设计在岸上的，而有连通海面的输水管与测井连接。这样设计的测井，称岸式验潮井（见图8-16）。一般情况下，岸式验潮井井口比岛式验潮井高出0.5m，井底低于岛式验潮井1.0～1.5m。井径一般为1m，最小不得小于0.8m，并在内壁上安装固定脚蹬。在测井上端高于最高水位1m处，要开一个直径为20cm左右的排气孔，并用管道连通至仪器室外，以排除井内湿气。输水管是连通井外和井内水体的设备，其内端口应在井底上约1m处，向外海倾斜坡度约5%，长度通常以不超过20m为宜，否则将会带来安装和排淤的困难。输水管在外海一端管口高度应低于最低水位1.0～1.5m，管口应固着在海底之上但不能触及海底，管口端最好安装用法兰盘相连接的向下弯的直角弯口。另外，管口可用网包着以防泥沙堵塞输入管。

图8-16 岸式验潮井

2.水位计

自记水位计的类型很多，按其工作原理可分为：浮筒式水位计、压力式水位计和声学式水位计。我国海洋环境长期海洋站多采用浮筒式水位计。

（1）浮筒式水位计

目前使用的浮筒式水位计主要是HCJ1-2型验潮仪（见图8-17），该仪器是用于测量潮位的连续自记仪器，整个仪器由浮动系统和记录装置两个基本部分组成，浮动系统主要由绳轮、钢丝绳、平衡锤、浮筒等组成。绳轮、钢丝绳连接平衡锤与浮筒，绳轮随浮筒的升降而转动，当浮筒随海面上升时，绳轮带动记录筒作顺时针方向转动，反之，则作逆时针方向转动。平衡锤对于浮筒起平衡作用。

记录装置分钟表系统和记录部分，钟表部分由时钟、钟轮、钟钢丝轮、钟钢丝锤等组成。钟钢丝通过导向轮连接钟钢丝轮与钟重锤，用专用扳手给钟轮上弦后，使自记钟带动记录部分的笔架、记录笔，使记录笔尖自右向左均匀移动，24h之内从右端8h移至左端8h，在记录纸筒随海面升降而转动的同时，通过记录装置的自记笔自动地画出潮位曲线。

图8-17 HCJ1-2型验潮仪

1—导向轮 2—钢丝绳 3—大绳轮 4—小绳轮 5—浮筒钢丝绳 6—大铅锤 7—浮筒 8—钟钢丝 9—钟铅锤 10—定位手帽 11—紧固手帽 12—笔架 13—水位微调螺母 14—时间微调螺母 15—记录纸筒 16—钟表 17—时钟调节孔 18—偏心轴旋钮 19—配重套管 20—地脚螺母 21—束轮 22—钟钢丝轮

（2）安德拉水位计

水位记录仪（Waler Level Recorde，WLR）是为记录海洋潮位而特别设计的，通常放置于海底，在规定时间间隔内，测量并记录压力、温度和盐度，然后根据这些数据计算出水位的变化。仪器由一个高准确度的压力传感器、电子线路板、数据存储单元、电源、圆柱压力桶组成（见图8-18）。

（3）声学水位计

本仪器适用于无验潮井场合的潮位观测，为港口调度、导航及港口建设随时提供现场数据，也可用于沿海台站的常规长期潮位观测及水库、湖泊和内河的水位自动测量。仪器的特点是采用声光传输信号，应用空气声学回声测距原理进行水位变化测量（见图8-19）。

图8-18 安德拉水位计

图8-19 声学水位计

3.雷达潮位仪

雷达潮位仪（见图8-20）测量潮位技术前提要求根据实际水文气象要素，设定一个测站基准面H_b。雷达潮位仪主机发射微波信号，经天线聚束照射到海面，海面将电磁波反射回雷达，接收天线收集海面反射的回波，经接收机放大、混频、检波等一系列处理，测量电磁波的往返延迟时间，运用H_a=1/（2Δt）×C，求出雷达潮位仪距离海面的实时高度。该高度结果为一种模拟信号，经过模/数变换、线传输等技术传入终端计算机。这时海面潮位的实时数据即为T=H_b-H_a。

图8-20 雷达潮位仪测量原理示意图

8.2.1.6 资料统计

收集施工附近海域至少一年的潮位观测，用以分析潮汐性质和各类潮水位的关系，通过调查和分析获取路由区潮汐特征，并计算与近岸施工所需的乘潮水位。通过收集附近长时间序列潮位资料，通过相关性分析，计算路由近岸区不同重现期高、低水位。通过水准联测或其他计算方法给出基面与各潮面关系，包括1985国家高程基准面、当地平均海平面、理论最高潮面和理论最低潮面等。收集或预报路由远岸区历史潮位资料，或用预报潮位。