厦门港主航道灯浮标偏移特点分析

潘佐明 邵进兴 唐基宏 周世波

一、引言

灯浮标是标示航道范围、指示浅滩和碍航物或表示专门用途的水面助航标志，也是引导船舶航行的人工标志，对保障船舶的航行安全有着重要意义。因此，确保灯浮标布设位置正确，为船舶航行和定位提供尽可能准确的位置信息，是航海保障部门的职责之一。

一般来说，航海保障部门对外发布的灯浮标位置是该灯浮标抛设时的沉石位置，但是由于在抛设灯浮标时航标船GPS定位精度的误差、自然条件以及人为因素影响，灯浮标沉石的实际抛设位置与对外发布的位置存在一定的误差。此外，灯浮标是由沉石和锚链系留于水中，以沉石为中心做圆周运动，船舶在航行过程中视觉所看到的灯浮标位置也不是海图上所标示的位置，即实际所见的灯浮标位置与海图标示的灯浮标位置有一定的偏移。若灯浮标位置偏移过大而未能及时察觉，就会向船舶等发出错误的助航信息，将直接影响到船舶的航行安全，同时也会增加管理部门的压力。因此，掌握灯浮标偏移特点，对于灯浮标的维护保养和提升灯浮标的助航效能有重要的意义。

二、灯浮标布设经验做法及回旋范围

按照国际航标协会（IALA）通用系碇系统设计的建议和《助航指南》的相关规定，一般情况下灯浮标锚链长度与布设水深的关系为：水深小于50米时，灯浮标锚链最小布放长度为水深的2倍；水深大于50米时，灯浮标锚链最小布设长度为水深的1.5倍。这是灯浮标布设的经验法则。IALA关于标准锚碇设计的建议E107指出，灯浮标最大的回旋半径R（值守圆半径，如图1所示）与灯浮标锚链长度L和水深H有关，在理想情况下，考虑到海平面的涨落，灯浮标使用的锚链长度总是几倍于水深，因此，在风平浪静情况下，部分锚链附着于海底，此时灯浮标的回旋半径很小；而最大回旋半径发生在风大浪急时，全部锚链基本上不着海底，但是由于锚链有自重，它不可能完全被拉直而总是存在着垂曲现象，实践证明，一般来说，回旋半径

事实上，受到浮体大小、锚链长度、海床底质、水流速度、抛设时间等多方面因素的影响，灯浮标锚链在绝大多数情况下存在部分埋入河床之中的现象，因此浮标的实际回旋半径一般要小于理论值[2]。

图1 灯浮标值守圆半径

三、厦门港主航道灯浮标偏移特点分析

从上述对灯浮标抛设和位置准确性影响的分析可以看出，灯浮标偏移受多方面因素的影响，并且这些影响因素中的自然条件、船行波、GPS信号误差等带有不确定性。因此，很难从理论上准确分析出灯浮标偏移值。而厦门港主航道灯浮标均装有遥测遥控终端，通过这些终端可以采集到灯浮标的历史位置数据。单个的灯浮标位置数据只是灯浮标在某一时刻位置的展示，并不能反映灯浮标的偏移特征。但是，对某一个灯浮标的大量位置数据进行集中分析，就可以从中挖掘出该灯浮标偏移的特征。

（一）典型灯浮标及其遥测历史位置数据

厦门港位于厦门湾内，厦门湾属于台湾海峡的一部分，海底地形整体趋势为由近岸向海倾斜。厦门湾内有厦门本岛、金门岛、大担和二担岛、鼓浪屿等岛屿，这一系列岛屿使得湾内地形局部变化剧烈，因此属强潮海域，潮流冲刷作用强烈，形成的潮流通道就使得湾内灯浮标受水流影响大。同时，厦门湾口没有遮挡，受风影响明显，而湾内受厦门岛、大小金门岛及陆地的阻挡，受风影响较弱。因此，为全面比较分析厦门港主航道灯浮标偏移规律，选取主航道入口及近厦门湾内的两座灯浮标（4号浮和28号浮）进行分析，灯浮标位置如图2和图3所示。

图2 厦门港主航道4号浮位置图

图3 厦门港主航道28号浮位置图

厦门港主航道灯浮标均已经实现遥测遥控。遥测遥控系统是利用现代网络、电子海图、GPS、通信和数据处理等技术，使航标主管部门远程、快捷地确定航标故障，采集航标的位置、电流、电压等参数，发布航标信息，提高航标管理效率和效能。系统主要由数字化航标终端、信息传输系统及综合监控系统三部分组成，其工作原理为：安装在航标上的数字化航标终端测定航标灯工作状态，通过信息传输系统将航标终端上传的信息传回综合监控系统[3]。厦门港主航道4号灯浮标和28号灯浮标的历史位置数据均存储在厦门航标处遥测遥控系统中，提取2019年全年的数据作为研究对象，这两个灯浮标的具体位置和采集的遥测历史位置点数据量见表1，这些遥测历史位置点在海图上的显示见图4。4号浮主要用于分析厦门湾口门附近受风流影响较大时灯浮标的偏移特点，28号浮主要用于分析厦门湾湾内受风流影响较小时的灯浮标偏移特点。

表1 2019年4号浮和28号浮位置及采集的历史位置点数据量

图4 2019年4号浮和28号浮遥测历史位置数据

（二）厦门港主航道典型灯浮标偏移特点分析

1.灯浮标偏移原因分析

目前的灯浮标布设作业都是按照经验法则和规定进行的。这种灯浮标布设作业主要是以人的经验为基础，没有考虑到作用于灯浮标上的各种阻力、灯浮标船定位误差以及布设海域的环境条件或锚链的单位长度及湿重等情况对灯浮标位置的影响，由此确定的灯浮标实际位置与灯浮标的设计位置可能有较大的偏差，并且灯浮标偏移的范围也只能根据经验估算。出现偏差或偏移的主要原因如下：（1）灯浮标的安置是人工作业，可能受作业时工人的业务能力、天气、潮汐、定位设备误差以及锚锭抛掷后的实际地理位置等因素影响。（2）受系链长度的影响，灯浮标的实际位置与锚锭或沉锤的位置不一致，而是在一定的回旋范围内[4]，该回旋水域的范围只能由人根据灯浮标所在水域的风、流等条件估算，误差较大。（3）船行波对灯浮标位置偏移的影响也是灯浮标远离设计位置的一个重要原因，并且，由于船舶种类不同、船速不同、距灯浮标距离不同时船行波对灯浮标偏移影响的程度均不同，这就使得船行波对灯浮标位置偏移的影响程度很难通过理论计算求得。针对上述问题，本文采集厦门港主航道部分有代表性灯浮标一年时间内的历史位置数据，根据历史位置数据分析灯浮标的偏移特点。

2.厦门港典型灯浮标偏移特点分析

（1）风、流影响下的灯浮标偏移特点分析

灯浮标偏移主要受风、流、船行波、定位误差等因素影响。风、流影响一般有规律可循，而其他影响因素具有随机性，很难进行理论和经验分析。

①风影响下的灯浮标偏移：厦门湾常风向为ENE向，强风向为SE、SW向。季风现象明显，每年从9月到翌年3月（春、冬季）盛行东北东季风，风速较大；而4—8月盛行东南风，风速较小。因此，在春季和冬季，一般情况下灯浮标有向西南向偏移趋势，而在夏季和秋季，灯浮标有向东北向偏移趋势。

②流影响下的灯浮标偏移：厦门湾潮汐主要是外海潮波传入引起的，属正规半日潮海区，平均涨潮历时和落潮历时基本相当。并且主航道沿线附近水域涨落潮流向和航道轴向基本一致。因此，在每个涨落潮周期内，灯浮标受流的影响，其偏移基本上是沿航道走向往复运动。

③风、流影响下的厦门港主航道灯浮标偏移规律：从以上分析可知，在风、流的综合作用下，在不同季节，厦门港主航道灯浮标偏移方向不一致，其偏移规律主要取决于作用在灯浮标上的风的作用力和流的作用力的大小。如果风的作用力占主导地位，则灯浮标主要向下风偏移，如果流的作用力占主导地位，则灯浮标主要沿着航道轴线方向偏移。因此，在风、流的综合作用下，其偏移规律比较难判断。

（2）基于灯浮标历史位置数据的偏移特点分析

以厦门港4号灯浮标和28号灯浮标2019年全年的遥测历史位置数据为例，分析厦门港主航道灯浮标的偏移规律。

由于厦门港是往复流，每天对灯浮标位置的影响基本一样。而风的影响则不同，由于在不同季节厦门湾习惯风向不同，造成灯浮标受风影响在不同季节不尽相同。因此，在采用灯浮标遥测位置大数据分析灯浮标偏移特点时，将历史灯浮标数据按照春、夏、秋、冬四个季节进行分析。图5是不同季节4号灯浮标位置分布图。

图5 主航道4号灯浮标不同季节位置点分布图

从图5可以发现主航道4号灯浮标的偏移特点如下：

①在春季（1—3月份）和冬季（10—12月份）4号灯浮标偏移特点基本一致，主要是向西南侧偏移，这主要是由两个原因造成的：一是每年从9月到翌年3月（春冬季）盛行东北东季风引起该灯浮标向西南偏移；二是船行波的影响，由于4号浮位于航道西侧，因此，进出港航行船行波也使得该灯浮标向西南偏移。这两个因素的综合作用效果就是在春季和冬季，4号浮基本上向西南偏移，极少会向着航道方向偏移。

②夏季（4—6月份）和秋季（7—9月份）4号灯浮标偏移特点基本一致，在这两个季节，灯浮标既朝着西南方向偏移，也向着航道方向偏移，但是，在夏季灯浮标向着航道的偏移幅度要大于秋季。这个偏移特点主要是由船舶的船行波引起的。因为在夏秋季节，除台风天气外，一般情况下厦门湾受东南风的影响，但是风力普遍较春季和冬季小，这就使得船行波在灯浮标偏移的影响因素中起主导作用。船舶从主航道经过，船行波使得4号浮向西南偏移，船舶过后，在回复力的作用下灯浮标又向着航道方向偏移。但是由于船行波的作用力大于回复力的作用力，这就使得4号浮向西南方偏移的幅度要大于向着航道方向的偏移幅度。

③在航道轴线方向，4号浮的偏移在各个季节没有明显的变化，其偏移幅度在各季节基本一致。

④主航道4号浮抛设位置距航道西边线50米，根据各个季度4号浮的位置数据，其在各个方向上的偏移幅度（各遥测位置点距4号灯浮标对外发布的位置点的距离）最大21米，因此，灯浮标在外力作用下不会偏移到主航道内，也不会影响到主航道内通航船舶的航行安全。

图6是不同季节28号灯浮标位置分布图。从图中可以发现主航道28号灯浮标的偏移特点如下：

①总体来看，28号浮在航道轴线方向偏移幅度要大于垂直于航道轴线方向的偏移幅度，特别是春季和冬季，其偏移不像4号浮受季风影响明显。这主要是因为28号浮位于厦门湾内，受厦门岛及周边其他岛屿和建筑物的阻挡，风对灯浮标偏移的影响程度大幅度降低，在常风向上偏移幅度较小。而流对灯浮标偏移的影响较为明显，并且28号浮附近水域涨落潮流向与航道走向基本一致，这就使得28号浮在航道轴线方向偏移量较大。

图6 主航道28号灯浮标不同季节位置点分布图

②28号浮向航道外侧偏移的幅度较向着航道偏移的幅度要大，这主要是由于船行波的影响，使得灯浮标远离航道偏移。

③在航道轴线方向，28号浮向着外海方向偏移较向海沧港区方向偏移幅度大，这主要是由于在28号浮西侧是厦门至漳州滚装客船习惯航路，并且该习惯航路船舶艘次较多，这些滚装客船的船行波使得28号浮向外海侧偏移幅度明显增大。

④在夏季和秋季（4—9月份），特别是在秋季，28号浮背离航道偏移幅度较大。从图中可以看出，这些偏移幅度较大的灯浮标位置点比较稀疏，这说明28号浮并不是经常有这么大的偏移幅度。究其原因，主要是在台风影响期间，灯浮标偏移幅度较大，但是并没有偏移进航道影响到船舶的通航安全。

四、结语

向船舶提供准确的灯浮标位置信息是保障船舶进出港航行安全的一项重要措施，也是航海保障部门的职责所在。本文结合厦门港的气象条件，选取厦门港主航道典型灯浮标遥测位置数据，分析厦门湾口和湾内灯浮标偏移的特点，以期为提高厦门港主航道灯浮标布设的精度和准确性提供理论支撑，更好地为船舶航行安全服务。