李 昂

寧波舟山港作為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要港口和國(guó)家原油儲(chǔ)備基地，每年都有大量的油散貨中轉(zhuǎn)集運(yùn)，其中超大型油船（VLCC）更是兩港原油運(yùn)輸?shù)闹髁Υ?，目前，寧波舟山港核心港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)泊位共有10座。近年來(lái)，隨著到港的VLCC逐年增多，筆者發(fā)現(xiàn)有必要優(yōu)化滿(mǎn)載30萬(wàn)噸級(jí)船舶通過(guò)深水航槽的時(shí)間安排和通航間距管理。

一、概況

寧波舟山港的超大型泊位分布較散，從蝦峙門(mén)燈船至各泊位航程差距較大，且靠泊時(shí)間參考標(biāo)準(zhǔn)不一。寧波港主要參考鎮(zhèn)海港潮汐，舟山港參考定海港潮汐，定海港高潮時(shí)比鎮(zhèn)海港早50分鐘左右，低潮時(shí)早30分鐘左右。各碼頭信息及靠泊時(shí)間安排如表1所示。兩港靠泊的滿(mǎn)載VLCC吃水一般在20.5米左右，經(jīng)長(zhǎng)期觀察其過(guò)槽時(shí)實(shí)際富余水深在3米以上。蝦峙門(mén)深水航槽全長(zhǎng)12海里，寬度390米，海事管理機(jī)構(gòu)規(guī)定編隊(duì)通航時(shí)間間距為45分鐘，該模式下對(duì)航槽水域資源利用率較低，在有3條或以上VLCC排隊(duì)過(guò)槽時(shí)會(huì)存在編隊(duì)船舶在過(guò)槽和靠泊的時(shí)間上前后制約的矛盾，有必要對(duì)該模式下的富余水深、通航間距及編隊(duì)順序等關(guān)鍵性影響因素進(jìn)行深入探討并優(yōu)化。

表1 寧波舟山港30萬(wàn)噸級(jí)碼頭位置及引航靠泊時(shí)間

二、富余水深和可航時(shí)段控制

（一）富余水深的計(jì)算

富余水深UKC公式=（海圖水深+潮高）-（船舶吃水+船體下沉量）。

富余水深的確定關(guān)鍵在于準(zhǔn)確計(jì)算船體下沉量。關(guān)于下沉量的計(jì)算，我們結(jié)合郝慶龍[1]、洪碧光[2]等以實(shí)船試驗(yàn)和各估算公式計(jì)算結(jié)果的比較，采用Huuska/Guliev公式：

其中：S為下沉量，米；CS為系數(shù)，取2.4；Δ為該吃水下的排水量，噸；Lpp為兩柱間長(zhǎng)，米；Fnh為水深傅汝德數(shù)，V為船速，米/秒，g=9.8米/秒2；KS為修正數(shù)，其定義如下式：

其中，在非限制性水域，KS通常取值為1.0。

對(duì)于挖槽航道Q1=Q/K1，K1取值可查閱參考文獻(xiàn)[2]中圖2。Q=AS/AC，其中AS為船舶橫斷面面積（AS≈0.98Bd，B為船寬，d為吃水），AC為航道斷面面積，對(duì)于挖槽航道AC=Wh+nh2（W為航道底寬，n為航槽邊坡斜率，h為水深）。

（二）實(shí)例計(jì)算結(jié)果及運(yùn)用

以202 0年2月4日來(lái)港的VLC C“NE W PROSPERITY”（船長(zhǎng)330米，船寬60米，吃水20.5米）為例，測(cè)得當(dāng)日在過(guò)深水航槽時(shí)最淺富余水深在1418時(shí)5號(hào)浮附近（航道水深22.1米），速度9.5節(jié)，UKC實(shí)測(cè)為3.3米，查表得該時(shí)刻潮高2.60米。根據(jù)上述公式計(jì)算下沉量S=0.97米，則富余水深UKC公式=3.23米，幾乎等于實(shí)測(cè)值（其誤差應(yīng)由公式系數(shù)和計(jì)算引起）。

用該公式計(jì)算在不同速度下通過(guò)航槽最淺點(diǎn)5號(hào)浮時(shí)的船體下沉量如表2所示。在本文的優(yōu)化分析中，富余水深在2.5米以上，符合海事管理機(jī)構(gòu)的規(guī)定（船舶吃水10%且最少2米）。從表2可知：在進(jìn)深水航槽時(shí)刻潮高高于2.60米時(shí)，在航道內(nèi)以8～12節(jié)速度航行均安全可行。另外考慮到一天中大部分時(shí)間航槽可通航水深在24米（潮高約1.9米）以上，并以通航速度8節(jié)和10節(jié)計(jì)算，下沉量分別為：S8節(jié)=0.70米，S10節(jié)=1.13米；富余水深分別為：UKC8節(jié)≈2.8米，UKC10節(jié)≈2.4米。因此在通航水深不小于24米時(shí)航行速度不超過(guò)10節(jié)均安全可控，該結(jié)論表明在以上條件下一天中的大部分時(shí)間符合通航水深要求，可拓寬航槽可航時(shí)段時(shí)長(zhǎng)。

表2 不同速度下過(guò)5號(hào)浮的下沉量和富余水深

三、通航間距控制

（一）通航間距優(yōu)化的必要性

蝦峙門(mén)深水航槽單向通航，在滿(mǎn)載VLCC乘潮通過(guò)時(shí)，由于過(guò)槽水深及靠泊時(shí)間的限制，同一潮水中多達(dá)3條或以上VLCC排隊(duì)通過(guò)時(shí)，在滿(mǎn)足通航規(guī)定時(shí)就只能對(duì)靠泊時(shí)間退而求其次，或者增加淌航時(shí)間。然而在兩港核心港區(qū)密集的交通流下，如有2條甚至以上VLCC在航道中慢速淌航，迫使附近交通流速度過(guò)于離散，會(huì)對(duì)周?chē)煌鳟a(chǎn)生極大影響，不利于交通的組織和航行安全。并且如因排隊(duì)過(guò)槽而錯(cuò)過(guò)最佳靠泊時(shí)機(jī)，在寧波舟山港航道潮流復(fù)雜多變的環(huán)境下，滿(mǎn)載VLCC靠泊也存在重大安全隱患。此外，拓寬航道寬度增加通航能力需進(jìn)行航道開(kāi)挖和維護(hù)，面臨巨大資金需求。單向通航條件下對(duì)過(guò)槽時(shí)間和間距進(jìn)行優(yōu)化，可以最大程度地保障日后多條VLCC在同一潮水過(guò)潮時(shí)的航行和靠泊安全。

（二）通航間距優(yōu)化

1.跟馳理論模型

跟馳理論，是指車(chē)輛在無(wú)法超車(chē)的單一車(chē)道上列隊(duì)行駛時(shí)，利用動(dòng)力學(xué)方法研究后車(chē)跟隨前車(chē)的行駛狀態(tài)，并以數(shù)學(xué)模型表達(dá)跟馳過(guò)程中發(fā)生的各種狀態(tài)的理論。跟馳理論是分析和研究非自由運(yùn)行狀態(tài)車(chē)隊(duì)行駛特性的微觀模型，有制約性、延遲性（反應(yīng)時(shí)間）、傳遞性。其最大特點(diǎn)是制約性，即在一隊(duì)汽車(chē)中，跟隨前車(chē)運(yùn)行的后車(chē)駕駛員總不愿意落后很多，而且緊隨前車(chē)車(chē)速，跟馳前進(jìn)，但從安全角度出發(fā)，跟馳車(chē)輛要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一是后車(chē)的車(chē)速不能長(zhǎng)時(shí)間大于前車(chē)車(chē)速，只能在前車(chē)車(chē)速附近擺動(dòng)，否則會(huì)發(fā)生碰撞，這是車(chē)速條件；二是前后車(chē)之間必須保持一個(gè)安全距離，即在前車(chē)剎車(chē)后，兩車(chē)間有足夠的距離，從而有足夠的時(shí)間供后車(chē)駕駛員作出反應(yīng)，采取制動(dòng)措施，這是間距條件，顯然車(chē)速高時(shí)，制動(dòng)距離大，安全距離也加大。緊隨條件加上車(chē)速條件和間距條件就構(gòu)成了一隊(duì)汽車(chē)跟馳行駛的制約性，即前車(chē)車(chē)速制約著后車(chē)車(chē)速和兩車(chē)之間的距離。

該理論非常適合蝦峙門(mén)深水航槽通航模式[3][4]，即單向通航編隊(duì)中后船船速和間距受編隊(duì)前船速度和制動(dòng)距離影響，如圖1所示。

圖1 交通流跟馳示意圖

圖1 中：B1和A1為前后船的初始位置；A2為后船開(kāi)始采取制動(dòng)位置；B2和A3為前后船完成制動(dòng)的位置。由圖中關(guān)系可知：

其中：S1為前船制動(dòng)后與后船初始位置距離，米；Sb1為前船制動(dòng)距離，米；S0為前船制動(dòng)前兩船凈距離，米。

其中：S2為后船制動(dòng)后移動(dòng)距離，米；St=VT，即后船在反應(yīng)時(shí)間T（秒）以速度V（米/秒）航行的距離，米；Sb2為后船的制動(dòng)距離，米。

2.跟馳間距模型計(jì)算

跟馳理論模型中，兩船先后完成制動(dòng)時(shí)，兩船的距離應(yīng)大于安全余量Sm，即S1-S2≥Sm，整理以上各式得：S0≥Sb2+St+Sm-Sb1。計(jì)算Sb值時(shí)，在實(shí)際操作中既要滿(mǎn)足寧波舟山兩港10座超大型泊位同一潮水時(shí)段的過(guò)槽需求，即編隊(duì)船舶間距和速度要盡可能符合一天中同一潮水所要求的交通量，顯然間距過(guò)大速度過(guò)慢不符合現(xiàn)實(shí)意義；也要保證在航槽可航水域?qū)挾仁芟迺r(shí)的航行安全，在緊急狀況下能把船停住不至于碰撞或擱淺，即速度過(guò)快或間距過(guò)小也不可。在航槽中，為防發(fā)生險(xiǎn)情，后船在選擇跟隨速度和間距時(shí)要考慮在必要時(shí)能緊急制動(dòng)停船。由于滿(mǎn)載VLCC操縱和航槽的雙重特性，緊急時(shí)要保證它在航槽中的安全，既要保證編隊(duì)的前后間距，也要在緊急制動(dòng)前有足夠的舵效維持它在航槽中的船位。在跟馳理論計(jì)算前后船的制動(dòng)距離時(shí)，本文研究的對(duì)象是既要從引航操作實(shí)際出發(fā)，即在緊急情況下有安全間距停車(chē)淌航，在速度下降后再倒車(chē)停船，也要考慮兩港現(xiàn)實(shí)需求，即安全間距應(yīng)科學(xué)合理。以6節(jié)速度為倒車(chē)制動(dòng)前速度進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，既能保證倒車(chē)前在順流時(shí)有足夠好的舵效，又能較快地把船停住，拖輪或拖錨制動(dòng)都能發(fā)揮較好的作用。停車(chē)淌航再制動(dòng)停船模式的停車(chē)沖程可由下式計(jì)算：

其中：S為沖程，米；V0為初速度，節(jié)；V1為倒車(chē)時(shí)速度，節(jié)；R0為初速度時(shí)船舶受到的阻力[5]，千牛。

其中：A（浸濕面積）=L（1.8T+CBB），T為吃水；AM（舯剖面面積）=0.993BT；ξ為剩余阻力系數(shù)，m取值1.0。

倒車(chē)沖程[4]可由經(jīng)驗(yàn)公式估算：

其中：Sc為倒車(chē)沖程，米；Kx為船舶前進(jìn)方向虛質(zhì)量系數(shù)，VLCC值為1.07；Tp為螺旋槳倒車(chē)?yán)?，噸，估算值為T(mén)p=0.01Np（Np為倒車(chē)功率）。

由估算公式可知，在船速6節(jié)到12節(jié)時(shí)，本文分析對(duì)象的全速倒車(chē)沖程在820.4米（2.5倍船長(zhǎng)）至3 281.9米（10倍船長(zhǎng)）之間，其阻力、停車(chē)和倒車(chē)沖程如表3所示。

3.深水航槽跟馳間距計(jì)算模型

倒車(chē)停船是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，比較參考文獻(xiàn)[5]及文獻(xiàn)[6]中的公式計(jì)算和實(shí)船測(cè)試結(jié)果，結(jié)合參考文獻(xiàn)[7]中必要時(shí)拖錨和護(hù)航拖輪制動(dòng)效果的影響，速度12節(jié)以?xún)?nèi)該實(shí)際值應(yīng)在10倍船長(zhǎng)以?xún)?nèi)，即1.78海里。St的確認(rèn)取決于后船反應(yīng)時(shí)間T，實(shí)際操作中，交通流密度越大則敏感度越高。由圖1可知，考慮到后船在雷達(dá)量取距離時(shí)以駕駛臺(tái)為基準(zhǔn)，為留有必要的安全保障，兩船制動(dòng)后的安全余量Sm取值為后船1倍船長(zhǎng)。

表3 “NEW PROSPERITY”不同速度下的阻力及停車(chē)、倒車(chē)沖程

在計(jì)算S0時(shí)，假定后船A1速度為12節(jié)，停車(chē)淌航再制動(dòng)的間距則只需計(jì)算停車(chē)和倒車(chē)（速度6節(jié)）沖程和安全余量，前船擱淺時(shí)反應(yīng)時(shí)間T以0計(jì)算（立即停車(chē)）。依次分析以下幾種模型情況：

（1）前船擱淺突發(fā)式停船（Sb1=0），S0=Sb2+St+Sm，St=0（T為0分鐘），則S0=8 270米。

（2）后船速度大于前船速度或后船制動(dòng)距離大于前船，則在兩船間距縮小至8 270米之前后船要減速至等于小于或前船速度，跟隨但不可追越，制動(dòng)距離隨之下降。

（3）后船制動(dòng)距離小于前船，只需考慮后船反應(yīng)時(shí)間和安全余量即可，則S0=St+Sm=1 070米（T取值2分鐘）。

以上制動(dòng)模型在最緊急情況下（Sb1=0）不同速度時(shí)的安全間距如表4所示。

表4 不同速度的安全間距

（三）跟馳模型在蝦峙門(mén)深水航槽應(yīng)用總結(jié)

實(shí)際引航中過(guò)槽速度一般在8～12節(jié)，VLCC編隊(duì)通航最大的潛在危險(xiǎn)就是擱淺，前船擱淺時(shí)以極端情況為例（Sb1=0），則航槽內(nèi)船舶速度為12節(jié)時(shí)在該制動(dòng)模式下的安全間距應(yīng)為8 270米（4.5海里），速度10節(jié)時(shí)為6 325.5米（3.4海里）。在理論計(jì)算中，由于忽略了流體阻力和倒車(chē)船首偏轉(zhuǎn)造成的斜航阻力，實(shí)際沖程應(yīng)比計(jì)算值小，但在緊急制動(dòng)時(shí)需考慮船首偏移量，要提前抑制。

對(duì)比航槽現(xiàn)有通航模式，編隊(duì)船舶按固定時(shí)距45分鐘（速度10～12節(jié)則間距7.5～9海里）通過(guò)，雖然對(duì)前后船舶通航安全有足夠保障，但在編隊(duì)整體通航和靠泊時(shí)間要求方面有較大的弊端，不利于其他船舶的安全航行。建議在符合上述富余水深要求時(shí)，使固定間距更具科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際引航中，為了留有足夠的富余水深和保證良好的操縱性，航槽淺灘段滿(mǎn)載VLCC的航行速度一般在10節(jié)左右，因此間距在4海里更符合整體安全和效率的要求，避免港區(qū)內(nèi)他船速度過(guò)于離散及爭(zhēng)取靠泊時(shí)機(jī)而產(chǎn)生更大風(fēng)險(xiǎn)和壓力。深水航槽交通流量如圖2所示，按本文分析結(jié)果，在潮高1.9米時(shí)，以速度8～10節(jié)航行，在潮高2.6米以上時(shí)，現(xiàn)有的固定時(shí)距通航模式下航槽VLCC交通2艘次。本文通航速度10～12節(jié)、固定間距4海里的模式，可大幅提高通航艘次，1小時(shí)內(nèi)交通量可達(dá)4艘次，極大地提升航槽水域資源利用率，降低追趕靠泊時(shí)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。海事管理機(jī)構(gòu)在實(shí)際航行監(jiān)管中，可參考以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：A點(diǎn)（航槽起點(diǎn)）為第四艘船進(jìn)入點(diǎn)；B點(diǎn)為第一個(gè)4海里點(diǎn)，即編隊(duì)中第三艘船船位；第二艘應(yīng)在C點(diǎn)處（距淺灘出口約1海里）；第一艘船則已在航槽出口D點(diǎn)。第三艘船即將進(jìn)入淺灘段時(shí)，第二艘船即將出淺灘，在航槽淺灘段時(shí)一般速度為10節(jié)左右，間距控制在4海里則有足夠的時(shí)間和距離采取應(yīng)急處置措施，航槽淺灘段之外速度可適量增減以適應(yīng)航行計(jì)劃，該處可航寬度也更寬，有更多應(yīng)急空間。

（四）靠泊時(shí)機(jī)下的通航編隊(duì)順序

根據(jù)航槽通航水深及泊位靠泊時(shí)機(jī)的特點(diǎn)，兩港10座30萬(wàn)噸級(jí)泊位最優(yōu)的靠泊時(shí)間都是初落時(shí)機(jī)，即船舶在蝦峙門(mén)漲水時(shí)段過(guò)槽，該時(shí)段交通流量需求最大。參考表1中靠泊時(shí)機(jī)和潮汐要求，建議兩港VLCC編隊(duì)進(jìn)槽先后順序?yàn)椋孩偎闵?號(hào)和1號(hào)泊位；②外釣；③冊(cè)子；④大榭中油；⑤大榭實(shí)華3號(hào)和1號(hào)泊位；⑥岙山1號(hào)和5號(hào)泊位；⑦武港。

四、結(jié)語(yǔ)

圖2 航槽交通流量示意圖

本文總體考慮了通航水深、富余水深、編隊(duì)通航安全間距及靠泊時(shí)間的整體安全要求，建議海事部門(mén)在符合可通航水深要求時(shí)根據(jù)過(guò)槽編隊(duì)船舶的數(shù)量整體安排過(guò)槽時(shí)間，既滿(mǎn)足安全又提高航槽利用率，提升港口經(jīng)濟(jì)效益，更快更好地服務(wù)港口經(jīng)濟(jì)。