楊小軍，肖英杰，馮宏祥

(上海海事大學(xué)a.商船學(xué)院;b.航運(yùn)仿真技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201306)

0 引言

隨著航運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，我國海上運(yùn)輸日益繁忙，船舶交通更加擁擠、通航密度持續(xù)增大、通航環(huán)境日趨復(fù)雜，越來越多的航道直接面臨趨于飽和的挑戰(zhàn).為了保持港口可持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，確保船舶在航道安全暢通地航行，有必要對航道通過能力和航道飽和度現(xiàn)狀進(jìn)行分析及評估，作出科學(xué)論證，以便配套航道能夠適應(yīng)各港口的發(fā)展需求，對航道進(jìn)行有計(jì)劃的合理開發(fā)和綜合規(guī)劃.

國內(nèi)學(xué)者通過不同的方法研究受限航道的通過能力，其中LIU 等［1］運(yùn)用排隊(duì)論對受限航道通過能力進(jìn)行計(jì)算;邵俊崗等［2］運(yùn)用排隊(duì)論對港口通過能力進(jìn)行綜合評估;李子強(qiáng)［3］通過交通流的分析對航道通過能力進(jìn)行研究;代君等［4］運(yùn)用船舶領(lǐng)域模型對港口受限航道通過能力的計(jì)算方法進(jìn)行探討.

國外文獻(xiàn)對航道通過能力的研究主要集中在早期的蘇伊士運(yùn)河、巴拿馬運(yùn)河等一些狹水道以及日本的部分海河航道，研究方法大都基于模型預(yù)測和仿真模擬進(jìn)行分析，缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐.且原有的靜態(tài)模型和分析方法不能反映真實(shí)的交通情況，適用性較差，得出的結(jié)論也常常與實(shí)際情況有所偏差.［5-8］

1 內(nèi)河航道通過能力

內(nèi)河航道通過能力(或稱航道容量)一般是指在一定的船舶技術(shù)性能和一定的運(yùn)行組織條件下，一定航道區(qū)段單位時間(年、月、日或航期)內(nèi)可能通過的最大貨物噸數(shù)或船舶噸數(shù).其中，前者又稱貨物通過能力，以萬t/a為計(jì)算單位，后者又稱船舶通過能力，以萬艘/a為計(jì)算單位.

對于內(nèi)河航道通過能力的確定，水運(yùn)工程學(xué)者先后提出多種計(jì)算方法［9］，如西德公式、長江公式、蘇南運(yùn)河公式、閔朝斌公式、川江航道公式、利用乘潮水位航道的通過能力計(jì)算公式、王宏達(dá)公式等.［7］其中，長江公式為

式中:WB為雙向雙行貨流通過能力;C為上、下行載貨不平衡因數(shù);W為通航船隊(duì)總載重噸;F1為年通航期因數(shù);F2為非標(biāo)準(zhǔn)船隊(duì)影響總載重噸因數(shù);F3為各港發(fā)船不均衡，使船隊(duì)非等距離通過橋孔的影響因數(shù);F4為考慮非載重船舶通過控制段影響因數(shù);t為船隊(duì)通過橋孔或其他控制河段時間.

航道飽和度S是反映航道服務(wù)水平的重要指標(biāo)之一.根據(jù)交通工程學(xué)原理可理解為:航道飽和度是在保證航道安全運(yùn)作的前提下，航道上實(shí)際通過的船舶流量Q 與航道通過能力C 之比值［10-11］:

式中:船舶流量Q是指在單位時間內(nèi)通過某一航道的船舶數(shù)量.可以通過對船舶交通進(jìn)行觀測和調(diào)查獲得船舶流量的數(shù)據(jù).

2 航道動態(tài)通過能力模型

對航道通過能力的定義有兩種:第一種是靜態(tài)通過能力，主要是指航道在自然條件、船舶交通狀況均為理想狀態(tài)下單位時間內(nèi)的最大交通量;第二種是動態(tài)通過能力，主要是指在現(xiàn)實(shí)航道條件和交通狀況下單位時間內(nèi)的最大交通量，其隨現(xiàn)實(shí)航道條件和交通狀況的變化而動態(tài)變化.由于航道中通航船舶的尺度、性能和速度不同，航道中的水深、地形、潮流必然會影響船舶交通;同時，追越、交會等交通行為也對航道通過能力產(chǎn)生影響.因此，動態(tài)航道通過能力是指在具體約束條件下，航道具有的通過能力，其數(shù)值通常小于靜態(tài)航道通過能力.

與靜態(tài)通過能力相比，影響動態(tài)通過能力的因素較多，現(xiàn)選取3個主要的影響因素(船舶流密度、船舶交會和追越行為、由潮汐變化等引起的航道水深變化)對靜態(tài)航道通過能力進(jìn)行折減，得到動態(tài)航道通過能力模型［3］:

式中:Cd為動態(tài)航道通過能力，艘/h;W為水道寬度，km;ρmax為單位水道寬度上船舶密度最大理論值，艘/km2，可根據(jù)船舶領(lǐng)域形狀和大小以及排列因素確定;V為船舶平均速度，km/h;a1為船舶流密度增大時，船舶航行阻力增加引起的通過能力折減因數(shù);a2為船舶交會、追越時引起的航速損失因數(shù);a3為由潮汐變化引起的航道水深變化影響因數(shù).

a1是考慮到在雙向航道中，船舶對向航行發(fā)生會遇或同向航行發(fā)生追越時，為避免船吸現(xiàn)象、發(fā)生碰撞事故以及減少船行波帶來的影響而減速航行.a2是考慮航道內(nèi)船舶密度較大時，船舶航行的自由度受到限制，不能以較高航速航行，導(dǎo)致通過能力下降.a3是考慮潮汐變化時航道的水深也隨之變化，導(dǎo)致一些大噸位船舶受吃水限制難以在低水位時通航，使得此時的通過能力下降.

3 航道動態(tài)飽和度模型

由于船舶流量隨時間變化，可以采用日平均船舶流量、月平均船舶流量或年平均船舶流量表示.由于航道中行駛的船舶大小規(guī)模不同，如船舶流量的單位只用單位時間內(nèi)通過的船舶數(shù)量表示，而不考慮通過船舶的尺度和噸位，就不能確切地反映出航道內(nèi)船舶交通流的擁擠程度和危險程度.因此，可以采用L 換算因數(shù)或L2換算因數(shù)(L為船長)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)船舶流量換算.

當(dāng)通過能力取動態(tài)航道通過能力Cd時，航道飽和度即是動態(tài)航道飽和度

動態(tài)飽和度的取值可以大于1，當(dāng)Q ＜Cd時，Sd未達(dá)到飽和狀態(tài);當(dāng)Q=Cd時，Sd達(dá)到飽和狀態(tài);當(dāng)Q ＞Cd時，Sd達(dá)到過飽和狀態(tài).出現(xiàn)過飽和狀態(tài)的原因是靜態(tài)通過能力與動態(tài)通過能力之間存在差值，這部分差值是航道的富余通過能力，當(dāng)船舶流量占用富余通過能力時會出現(xiàn)航道非常擁擠、駕駛員感覺不安全的現(xiàn)象，此時容易發(fā)生水上交通事故.

4 研究應(yīng)用

4.1 流量觀測數(shù)據(jù)

于2010 年10 月07 日12:00—2010 年10 月10日12:00 對長江江蘇段航道比較典型的斷面即蘇通大橋斷面進(jìn)行72 h AIS 流量觀測，以獲取最新的具有代表性的流量數(shù)據(jù)，觀測斷面見圖1.

圖1 蘇通大橋AIS 流量觀測斷面軌跡分布

4.1.1 標(biāo)準(zhǔn)船的確定與船型的船長轉(zhuǎn)換

根據(jù)流量觀測資料，船長在50～100 m 及100～180 m 區(qū)間內(nèi)的船舶數(shù)量占船舶總流量的79.2%，長度＜50 m 的船舶數(shù)量占船舶總流量的16.2%;長度＞180 m 的船舶數(shù)量占船舶總流量的4.6%.因此，不妨將100 m 作為標(biāo)準(zhǔn)船船長L*，其他類型船舶通過L/ L*予以折算.此時，可認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)船領(lǐng)域的長軸為600 m，短軸為160 m.

4.1.2 蘇通大橋主通航孔航道寬度

設(shè)置蘇通大橋大船主通航孔航道寬度為500 m雙向通航，中間有100 m 分隔帶，因此航道寬度取400 m.

4.1.3 蘇通大橋斷面船舶速度

通過流量觀測統(tǒng)計(jì)分析，長江江蘇段過境船舶的平均航速都控制在9 kn 左右，為方便計(jì)算換算成16.7 km/h.

4.2 動態(tài)通過能力計(jì)算

船舶領(lǐng)域是由日本學(xué)者藤井彌平提出的，該模型是以船舶為中心、長半軸沿船舶首尾線方向、短半軸沿船舶正橫方向的一個橢圓.一般認(rèn)為，在航道或港內(nèi)航行時，船舶領(lǐng)域尺寸為6 L/1.6 L［4，12］.

如果船舶流密度增大時，a1取0.9，a2和a3取0.8，則蘇通大橋斷面的動態(tài)通過能力

4.3 動態(tài)飽和度、船舶夜航率及不均勻因數(shù)計(jì)算分析

根據(jù)蘇通大橋斷面船舶流量觀測，該處的平均船舶流量折算為16.9 艘/h.

由式(2)和(3)可知，該斷面航道的動態(tài)飽和度

根據(jù)蘇通大橋斷面船舶流量觀測、船舶流量折算、護(hù)航和封航以及特殊天氣時的因素，對航道飽和度進(jìn)行綜合評價，分析得出蘇通大橋斷面的平均夜航率為37.61%，特殊情況下夜航率為23.14%.由此可見，鑒于目前的船舶夜航率，晝夜船舶流量的不均勻因數(shù)

特殊情況下晝夜船舶流量的不均勻因數(shù)

該斷面的平均船舶流量晝夜不均勻航道動態(tài)飽和度

該斷面的特殊船舶流量晝夜不均勻航道動態(tài)飽和度

該斷面的船舶流量封航1 h 通航航道動態(tài)飽和度

該斷面的船舶流量封航2 h 通航航道動態(tài)飽和度

根據(jù)特殊船舶護(hù)航和封航流量晝夜不均勻飽和度分析，動態(tài)航道飽和度在封航2 h 及以上情況下達(dá)到飽和.

由于惡劣天氣、能見度不良以及其他天氣情況下船舶通航受限時，航道動態(tài)飽和度的計(jì)算與封航時基本一致，主要取決于受限程度及受限時間.

根據(jù)長江江蘇段航道關(guān)鍵段的航道通過能力和飽和度指標(biāo)分析，特別是考慮晝夜不均勻因數(shù)、護(hù)航、封航和特殊天氣狀況等因素時，長江江蘇段航道關(guān)鍵段存在通過能力受限、航道飽和的現(xiàn)象.

5 結(jié) 論

主要通過對航道通過能力和飽和度的研究，建立改進(jìn)的航道關(guān)鍵段船舶動態(tài)通航能力和動態(tài)飽和度計(jì)算模型.最后，結(jié)合長江江蘇段航道關(guān)鍵段的船舶流量，對長江江蘇段航道關(guān)鍵段通過能力和飽和度進(jìn)行應(yīng)用分析，證明該模型可以得到更加接近實(shí)際情況的分析結(jié)果.

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