楊興晏，胡世津，孫景龍（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

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長江口航道通過能力的評(píng)價(jià)與預(yù)測研究

楊興晏，胡世津，孫景龍
（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

摘要：針對長江口現(xiàn)有航道條件建立了計(jì)算機(jī)仿真模型并結(jié)合2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及規(guī)劃預(yù)測的船舶條件進(jìn)行了多方案的仿真模型試驗(yàn)。利用航道利用率及船舶平均等航道時(shí)間兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對多方案試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，評(píng)價(jià)了長江口航道的運(yùn)行現(xiàn)狀并對現(xiàn)有航道的通過能力問題進(jìn)行了預(yù)測研究。

關(guān)鍵詞：仿真模型；航道通過能力；航道利用率；船舶平均等航道時(shí)間；評(píng)價(jià)與預(yù)測

引 言

長江口河段上起徐六涇，下迄入海口，是長江的入海通道和咽喉，戰(zhàn)略地位十分重要。從長江口河勢（圖1）可以看出長江口是一個(gè)“三級(jí)分汊、四口入?！钡拇笮蛷?fù)雜河口。雖然名義上有 4個(gè)入?？冢蚴芡ê綏l件限制，目前進(jìn)江入海的貨船主要還是通過北槽和南槽航道。

隨著長江流域經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是深水航道進(jìn)一步向上游延伸到南京，長江口航道的貨運(yùn)量將會(huì)有很大的增長、入江大船的數(shù)量也會(huì)大幅地增加。在現(xiàn)有航道條件下，隨著海運(yùn)需求的持續(xù)增長，長江口航道的通航狀況將會(huì)發(fā)生怎樣的變化，能否滿足規(guī)劃的運(yùn)量需求是長江口航道管理部門及有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)十分關(guān)心的一個(gè)問題。針對長江口現(xiàn)有航道條件建立了計(jì)算機(jī)仿真模型并結(jié)合2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及規(guī)劃預(yù)測的船舶條件進(jìn)行了多方案的仿真模型試驗(yàn)。對長江口航道的運(yùn)行現(xiàn)狀及航道的通過能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)與預(yù)測研究，為有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門提供更加科學(xué)的決策依據(jù)。

圖1 長江口河勢

1 仿真模型

由船和航道構(gòu)成的系統(tǒng)是典型的隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)模型中應(yīng)包括 “服務(wù)窗口”即航道條件；“顧客”即到港船舶；“服務(wù)規(guī)則”即海事部門為保證航行安全所制訂的管理辦法以及“窗口的開放時(shí)間”即航道運(yùn)營時(shí)間；最后是評(píng)價(jià)指標(biāo)即用于評(píng)價(jià)航道服務(wù)水平的技術(shù)指標(biāo)。

1.1 航道條件

深水航道（以圓圓沙警戒區(qū)分界下游為北槽，上游為南港段），水深12.5 m能夠滿足5萬t級(jí)集裝箱船（實(shí)載吃水11.5 m）全潮、5萬t級(jí)散貨船滿載乘潮雙向通航，兼顧10萬t級(jí)集裝箱船舶和10萬t級(jí)滿載散貨船及20萬t級(jí)散貨船減載乘潮通航。深水航道的寬度350～400 m，屬于有條件雙向航道。

南槽航道，位于北槽航道的南側(cè)，航道上段自然水深可達(dá)10.0 m；下段受攔門沙淺灘影響，水深僅5.5 m左右，是來往南方沿海的較小船舶和吃水較淺的空載大型船舶進(jìn)出長江口的主要航道，主要通航萬噸級(jí)以下船舶。因其水面寬度非常寬，經(jīng)與有關(guān)專家討論，認(rèn)為將南槽航道假設(shè)為“雙向 4車道”更為合適。

長江口航道南港段，南港段的航道比較復(fù)雜，除了深水航道之外，在深水航道的北、南兩側(cè)分別是小船進(jìn)港和出港航道，小船航道的寬度約200 m，水深約10 m能滿足2萬t級(jí)船舶全天侯航行。

外高橋沿岸航道，在南港段的最南側(cè)是外高橋沿岸航道，水面也比較寬，原則上是作為出港（單向）使用，但實(shí)際上也有少部分船通過其進(jìn)港。水深大約12 m。

1.2 船舶條件

1.2.1 現(xiàn)狀的通航艘次

以2014年作為“現(xiàn)狀”，通過對全年的AIS數(shù)據(jù)及北槽記錄資料的統(tǒng)計(jì)分析，船舶總量為191 680艘次，其中上行（由海進(jìn)江）船89 355艘次，下行（由江入海）船102 325艘次。船舶的流向流量見表1、表2；噸級(jí)分布見表3。

表1 上行船舶流向流量統(tǒng)計(jì)

表2 下行船舶流向流量統(tǒng)計(jì)

表3 船舶噸級(jí)分布

1.2.2 規(guī)劃的通航艘次

模型以 2020年作為規(guī)劃“目標(biāo)水平年”，根據(jù)《長江口航道“十三五”發(fā)展規(guī)劃》［1］（以下簡稱為十三五規(guī)劃）的預(yù)測，2020時(shí)長江口航道貨運(yùn)量為17.35億t，其中北槽深水航道貨運(yùn)量為11.71億t，南槽航道貨運(yùn)量為5.64億t。結(jié)合北槽深水航道、南槽航道規(guī)劃目標(biāo)及通航船舶大型化發(fā)展趨勢，分別預(yù)測北槽、南槽航道通航船舶流量為229 842艘次/年，因規(guī)劃只是針對貨船做出的估計(jì)，所以還應(yīng)再考慮3萬多條其他船，這樣2020年時(shí)通過長江口航道的船舶總量約為264 887艘次/年。因?yàn)槭逡?guī)劃中對船舶噸級(jí)的劃分比較粗，所以參照現(xiàn)狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，給出了 2020年時(shí)的船舶噸級(jí)分布，見表4。

表4 2020年船舶噸級(jí)分布

1.2.3 船舶的到港規(guī)律

因受諸多因素影響，船舶在到港時(shí)間上是隨機(jī)的，通過大量的統(tǒng)計(jì)分析，其在數(shù)學(xué)上應(yīng)遵從一定的規(guī)律性，既分布函數(shù)。國內(nèi)外大量的研究成果認(rèn)為，以每天到港的船舶艘數(shù)作為隨機(jī)變量應(yīng)服從Poisson分布，其分布函數(shù)為：

式中λ為單位時(shí)間t內(nèi)平均到港船舶數(shù)。

若以船舶到港的間隔時(shí)間作為隨機(jī)變量可認(rèn)為服從exponential分布，其分布函數(shù)為：

式中μ為船舶到港平均間隔時(shí)間。

1.3 通航安全管理辦法

目前上海海事局僅對深水航道發(fā)布了通航安全管理辦法，其中《長江口深水航道（12.5 m）試通航期間通航安全管理辦法》是針對北槽航道，《長江口深水航道（12.5 m）延伸段試通航暫行規(guī)定》則針對的是深水航道的南港段。因篇幅關(guān)系，此處僅模型所關(guān)心的部分內(nèi)容加以介紹。

1.3.1 航速

在北槽的管理辦法中規(guī)定船舶航速最大不能超過15節(jié)，而對南港段規(guī)定最大航速不能超過12節(jié)。根據(jù)對研究區(qū)域AIS數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，船舶在研究區(qū)域深水航道中的平均航速為9.7節(jié)，而在其他航道的平均航速為8.7節(jié)，模型中采用統(tǒng)計(jì)值。

1.3.2 乘潮

在北槽的管理辦法中對船舶乘潮有一些詳細(xì)規(guī)定。根據(jù)橫沙驗(yàn)潮站 2006年一年的觀測資料對乘潮水位分別為1.5 m、2 m和2.5 m條件下的延時(shí)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，模型中對于也將乘潮時(shí)段分為乘潮高1.5 m ，2 m和2.5 m三個(gè)時(shí)段進(jìn)行管制。各類船舶乘潮水位見表5。

表5 各類船舶乘潮水位

因深水航道南港段的實(shí)際水深比較深，所以在深水航道南港段的管理辦法中沒有提及乘潮問題，即無須考慮乘潮。所以，模型中只對北槽和南槽考慮了船舶乘潮問題。

1.3.3 雙向通航的寬度限制

海事部門規(guī)定在深水航道中相向航行的兩船船寬之和不能超過80 m。

1.3.4 安全間距

海事部門規(guī)定深水航道中兩船間的安全距離為1海里，對其他航道則沒有明確說法。在國內(nèi)，天津港規(guī)定航道中兩船間的安全距離不能小于6倍船長。模型中深水航道兩船間的安全距離為1海里，其他航道則假設(shè)為6倍船長。

1.3.5 惡劣天氣影響

長江口航道為全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，只有當(dāng)發(fā)生會(huì)威脅船舶航行安全的惡劣天氣時(shí)才會(huì)關(guān)閉航道。模型中考慮了每年44天的惡劣天氣影響，其中30天為大霧影響，其余的 14天則為風(fēng)、雨、浪等天氣影響并以隨機(jī)的方式發(fā)生。

1.4 模型范圍

由于南槽航道的大部分航段水面非常寬，船舶航行時(shí)在橫向上幾乎不受約束，船舶之間會(huì)頻繁出現(xiàn)追越等復(fù)雜航行行為，以目前的建摸技術(shù)還難以在模型中給予客觀的反映。另外，在長江口航道南港段的南岸分布著許多的碼頭而它們的錨地卻往往位于航道的北岸一側(cè)，若考慮錨泊船靠碼頭時(shí)對其他船的航行干擾，模型也必須模擬這些碼頭的運(yùn)營過程，加大建模的工作量。為了簡化，確定將圓圓沙警戒區(qū)及周邊的部分航道段作為構(gòu)造模型的范圍。圓圓沙警戒區(qū)位于北槽、南槽及南港航道的交匯處是長江口航道中最為繁忙的區(qū)段，所以，它的通過能力應(yīng)該能夠代表長江口航道的通過能力。我們在圓圓沙警戒區(qū)及周邊部分航道設(shè)置了 10個(gè)斷面（見圖2）。通過分析經(jīng)過各斷面的船舶記錄能夠掌握船舶的流向、流量等信息，還可以用斷面的利用率來評(píng)估所代表航道的繁忙程度。

圖2 圓圓沙警戒區(qū)及周邊部分航道

圖中用大寫字母標(biāo)示了航道斷面，分別為：

GH —— 北槽進(jìn)港航道；

H I —— 北槽出港航道；

LM —— 南槽進(jìn)港航道；

MN —— 南槽出港航道；

AB —— 小船進(jìn)港航道；

DE —— 小船出港航道；

BC —— 南港深水進(jìn)港航道；

CD —— 南港深水出港航道；

EP —— 外高橋沿岸進(jìn)港航道；

PF —— 外高橋沿岸出港航道。

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.5.1 利用率

航道利用率是反映航道繁忙程度的一個(gè)指標(biāo)，航道斷面利用率與通過該斷面的船舶艘數(shù)、長度、航速、安全距離及航道年運(yùn)營時(shí)間有關(guān)，其定義為：

式中：ρ為航道利用率；N-年通過該航道斷面的船舶數(shù)量；L為平均船舶長度；D為兩船間安全距離； V為航速； T為航道年運(yùn)營時(shí)間。

航道利用率指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，日本學(xué)者根據(jù)大量的實(shí)際觀測和研究認(rèn)為航道的利用率在 0.5～0.6比較合適。

1.5.2 船平均等航道時(shí)間

船平均等航道時(shí)間是評(píng)價(jià)航道系統(tǒng)服務(wù)水平的一項(xiàng)指標(biāo)，聯(lián)合國貿(mào)促會(huì)建議用指標(biāo)AWT/AST，即平均等待時(shí)間與平均服務(wù)時(shí)間的比值評(píng)價(jià)港口系統(tǒng)的服務(wù)水平并認(rèn)為比值 0.3～0.5對于發(fā)展中國家是合適的。針對本模型的情況，平均等待時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為34～55 min/艘。模型也會(huì)輸出產(chǎn)生等待的原因及所占比重。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

雖然，仿真模型是目前研究隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)最為有效的方法，但其本身并不能自行給出“最優(yōu)解”，只能通過多次模型實(shí)驗(yàn)對比分析諸多“if-what”問題的答案，最后確認(rèn)“合理方案”。

圖3 仿真模型顯示介面

為了評(píng)估長江口航道的通過能力，針對2014-2020年的船舶情況共設(shè)計(jì)7個(gè)模型實(shí)驗(yàn)。其中以2014年的數(shù)據(jù)作為“現(xiàn)狀”本底，2020年作為十三五規(guī)劃的目標(biāo)水平年。為了便于對比分析，模型假設(shè)2015-2020年間的船舶增量是逐年遞增的。采用從美國引進(jìn)的仿真專用軟件建模，圖3為仿真模型顯示介面。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 “現(xiàn)狀”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 各航道斷面的利用率

現(xiàn)狀條件下各航道斷面的利用率，分別見表 6和表7。

表6 上行航道各斷面利用率

表7 下行航道各斷面利用率

3.1.2 船平均等航道時(shí)間

上行船平均等航道時(shí)間為 25.24 min/艘，約45.66 %的船沒有發(fā)生等待，等待時(shí)間大于1.5 h的船占 6.09 %。其中，因惡劣天氣造成的等待約占29 %，因侯潮原因約占14 %，對遇船寬超限原因約占18 %，船舶密度大原因約占29 %，還有近8 %是受船舶交叉會(huì)遇的影響。

下行船平均等航道時(shí)間為 16.77 min/艘，約58.60 %的船舶沒有發(fā)生等待，等待時(shí)間大于1.5 h的船舶占5.03 %。其中，因惡劣天氣造成的等待占42 %，因侯潮占6 %，對遇船寬超限占22 %，船舶密度大原因占30 %。船等航道時(shí)間的分布見圖4。

圖4 船等航道時(shí)間分布

3.2 2020年的試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 航道斷面利用率

針對十三五規(guī)劃 2020年的船舶條件，各航道斷面的利用率見表8和表9。

表8 上行航道各斷面利用率

表9 下行航道各斷面利用率

3.2.2 船平均等航道時(shí)間

圖5 船等航道時(shí)間分布

上行船平均等航道時(shí)間為 105.29 min/艘，約24.12 %的船沒有發(fā)生等待，等待時(shí)間大于1.5 h的船占10.90 %。其中，因惡劣天氣原因占10 %，因侯潮原因占25 %，對遇船寬超限占31 %，船舶密度大原因占27 %，約8 %是受船舶交叉會(huì)遇的影響。

下行船平均等航道時(shí)間為 47.35 min/艘，約44.53 %的船舶沒有發(fā)生等待，等待時(shí)間大于1.5 h的船舶占1.90 %。其中，惡劣天氣原因占17 %，乘潮占6 %，對遇船寬超限占54 %，船舶密度大原因占23 %。船等航道時(shí)間的分布見圖5。

3.3 各水平年的主要結(jié)果

3.3.1 航道斷面利用率

表10 2014-2020年上行航道斷面利用率

表11 2014-2020年下行航道斷面利用率

3.3.2 船平均等航道時(shí)間

圖6 2014-2020年船平均等航道時(shí)間

4 結(jié)果分析

4.1 “現(xiàn)狀”結(jié)果分析

“現(xiàn)狀”（2014年，191 680艘次船舶流量）條件下，上行航道中利用率比較高是深水航道，其中北槽為0.440 8，南港段為0.460 7。其次是小船進(jìn)港航道0.337 2。盡管從船舶數(shù)量走南槽的船最多，但因是“雙向4車道”所以南槽上行一側(cè)的利用率僅為0.189 1。下行航道，因外高橋沿岸航道的分流以及部分空載大船選擇南槽出港，大大降低了深水航道下行的通行壓力。深水航道南港段的利用率為0.210 8，北槽航道的利用率為0.356 8。小船出港航道0.348 4，外高橋沿岸航道0.205 9，南槽下行一側(cè)0.270 9。

上行船的平均等航道時(shí)間為25.24 min/艘，下行船為16.77 min/艘。

從上述結(jié)果來看，“現(xiàn)狀”條件下長江口現(xiàn)有航道的兩項(xiàng)指標(biāo)均低于標(biāo)準(zhǔn)值。

4.2 “十三五規(guī)劃”結(jié)果分析

由上節(jié)分析得知，長江口航道的上行壓力大于下行。因此，我們僅就上行航道在十三五規(guī)劃船舶條件下的試驗(yàn)結(jié)果加以分析。首先分析2020年（通過264 887艘次/年）的結(jié)果，北槽航道的利用率已高達(dá)0.775 9、深水航道南港段的利用率為0.677 2，均超過了標(biāo)準(zhǔn)值的上限。再從平均等航道時(shí)間來看，2020年時(shí)船平均等航道時(shí)間為105.29 min /艘超出標(biāo)準(zhǔn)值上限近50 min。盡管此時(shí)航道依然能夠完成預(yù)期的交通量，但從兩項(xiàng)指標(biāo)來看均超過了合理的區(qū)間范圍。雖然 2020年時(shí)南槽航道的利用率仍然比較低，但因小船進(jìn)港航道的利用率已達(dá)0.488 2，所以南槽→小船進(jìn)港航道的能力空間依然有限，可以說控制長江口航道通過能力的瓶頸在南港段。對比分析各水平年的試驗(yàn)結(jié)果，以 2018年（通過235 605艘次/年）深水航道的利用率及船平均等航道時(shí)間尚在可接受范圍內(nèi)。另外，此次研究發(fā)現(xiàn)北槽航道的通過能力約為80 000艘/年，低于文獻(xiàn)［2］的研究結(jié)果，因?yàn)楫?dāng)時(shí)深水航道尚未投入使用，對船舶航速的預(yù)期高于實(shí)際統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。從理論上講，航道的通過能力是船舶密度和航行速度的函數(shù)，假定航道的通過能力為定值，那么，航道中的船舶密度增大則船舶的航行速度就會(huì)變小，反之亦然。所以，平均航速是一個(gè)非常重要的參數(shù)，今后應(yīng)加強(qiáng)觀測研究。

5 結(jié) 語

基于十三五規(guī)劃預(yù)測數(shù)據(jù)及各水平年的基本假定，通過仿真模型研究了長江口現(xiàn)有航道的通過能力問題。因?yàn)槊磕晖ㄟ^長江口航道的船舶情況是隨著經(jīng)濟(jì)形式的變化而不同，所以僅從時(shí)間概念上講關(guān)于各水平年的分析討論沒有太多的實(shí)際意義。但是，仿真模型通過航道利用率及船平均等航道時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)在船舶數(shù)量與航道通過能力之間建立了對應(yīng)關(guān)系，所以應(yīng)用仿真模型來評(píng)價(jià)現(xiàn)有航道的運(yùn)營情況以及預(yù)測航道系統(tǒng)尚待開發(fā)的能力空間還是十分有意義的。

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Evaluation and Prediction on Trafficability of Navigation Channel at Estuary of Yangtze River

Yang Xingyan，Hu Shijin，Sun Jinglong
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

Abstract：A computer simulation model has been built for the existing navigation channel at the estuary of Yangtze River.Multi-option simulation tests have been made by using the above model on the basis of 2014 statistic data and the vessel conditions planned and predicted.The results of multi-option tests have been compared and analyzed by referring to two technical indices， i.e.the utilization rate of channel and the average waiting time of a ship before entering the channel.In addition， an evaluation has been given to the present state of the channel at the estuary of Yangtze River， and the prediction has been made for the trafficability of the existing channel in the future.

Key words：simulation model； trafficability of channel； utilization ratio of channel； average waiting time of a ship before entering channel； evaluation and prediction

中圖分類號(hào)：U652.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9592（2016）02-0034-06

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160209

收稿日期：2015-12-19

作者簡介：楊興晏（1953-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事港口工程模擬模型的研究和CAD軟件的開發(fā)。