李惠娟，范憶平，黃黎輝

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

加拿大某礦石出運(yùn)碼頭位于北部地區(qū)島嶼，在北極圈以北約500 km。項(xiàng)目建成后，該碼頭作為主要的礦石出運(yùn)點(diǎn)，將承擔(dān)每年1 800 萬t 的礦石處理及出運(yùn)至中國(guó)的任務(wù)，同時(shí)在其工藝設(shè)計(jì)上考慮預(yù)留未來每年3 600 萬t 的裝卸能力。

由于項(xiàng)目位于北極地區(qū)，工程的建設(shè)、設(shè)備的運(yùn)輸、鐵礦石的開發(fā)及出運(yùn)等都會(huì)受到極寒冰凍天氣的影響。筆者針對(duì)該礦石出運(yùn)碼頭所在地的自然條件、冰況、運(yùn)營(yíng)要求等特點(diǎn)，就其船級(jí)、航道及碼頭前沿除冰措施提出建議，并對(duì)船型出運(yùn)組合進(jìn)行論證。

1 自然條件

項(xiàng)目所在地區(qū)屬降雨量很少的半干旱氣候，氣溫通常在-50～21 ℃，年平均氣溫約-15 ℃。最暖月份為7 月，日平均溫度6 ℃；最冷月份為2 月，日平均氣溫約-30.5 ℃。該地區(qū)約在11 月12 日至次年的1 月29 日會(huì)經(jīng)歷24 h 的極夜，僅有不到2 h 的暮色。在冬季(12 月至次年4 月)，荒蕪的地形會(huì)帶來細(xì)粉狀的飛雪，能見度有限。無冰凍期很短(7 月底至8 月底)。從5 月初至8 月初為極晝期。9—11 月，氣溫降低，白天時(shí)間減少，到10 月中旬，平均日氣溫遠(yuǎn)低于0 ℃，最大降雪量通常發(fā)生在此期間。灣內(nèi)常風(fēng)向?yàn)槲鞅毕颉?/p>

隨著全球氣候變暖，北極地區(qū)的氣溫持續(xù)升高，在過去的10 年間，項(xiàng)目所在區(qū)域冬季平均氣溫上升了2.5 ℃，夏季平均氣溫上升了1.5 ℃，港區(qū)無冰通航期相應(yīng)延長(zhǎng)。根據(jù)1980—2014 年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目所在海灣破冰期每年平均提前約0.7 d，結(jié)冰期平均每年推遲約0.62 d。

2 冰況及除冰方案

2.1 冰況

項(xiàng)目所處海域的冰通常為當(dāng)年冰齡，多年冰齡或者來自冰山的冰基本上可以忽略，冬季每年冰層厚度約2 m。由于船舶航行會(huì)導(dǎo)致冰層破碎，形成的碎冰在寒冷天氣下又會(huì)重新凍結(jié)累積，從而導(dǎo)致進(jìn)港航道及碼頭前沿水域的碎冰厚度遠(yuǎn)大于未受擾動(dòng)正常累積的冰層厚度。如圖1 所示，當(dāng)船舶通過航道時(shí)，一部分碎冰會(huì)被推到原有冰蓋下方，其余碎冰會(huì)留在航道內(nèi)，而在碼頭前沿水域，船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的所有碎冰會(huì)留在此處，導(dǎo)致碼頭前沿碎冰大量累積。

圖1 船舶航道內(nèi)碎冰累積典型斷面

根據(jù)附近已建的類似極地港口的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在年運(yùn)量為1 800 萬t 的情況下，礦石碼頭前沿的碎冰層厚度預(yù)計(jì)將達(dá)到6～12 m，而當(dāng)未來出運(yùn)量增加、冬季船舶航行更加密集時(shí)，碎冰層厚度甚至?xí)^6～12 m 的范圍，如果不采取措施，這些碎冰層在來年冬天來臨之前也不能完全融化。6～12 m 厚的碎冰層會(huì)嚴(yán)重影響船舶的靠離泊，并可能導(dǎo)致碼頭停運(yùn)，因此需要采取措施減少碼頭前沿碎冰層的厚度。

圖2 為項(xiàng)目所在海域在1 年中不同時(shí)段的冰層覆蓋范圍。以海冰密集度(一個(gè)區(qū)域被冰而不是水覆蓋的比例)來表示，其中5 月為全年積冰最多的時(shí)段。

圖2 項(xiàng)目所在海域冰層覆蓋范圍

2.2 海冰管理

為了防止因船舶通航造成碎冰在港池內(nèi)快速累積，項(xiàng)目前期對(duì)碼頭前沿存在4～8 m 厚未固結(jié)碎冰情況下就不同的碼頭結(jié)構(gòu)形態(tài)(碼頭前沿完全封閉的連續(xù)式結(jié)構(gòu)和碼頭前沿開敞的分離式結(jié)構(gòu))、散貨船操縱模式、靠泊方位及破冰船輔助破冰等進(jìn)行物模試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論:1)船首靠泊十分困難，帶有低功率全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器且船尾先靠泊的方式在所有工況下都更容易，船舶與碼頭之間的殘冰較少；2)利用帶有全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)裝置可成功地沖刷和清除碎冰；3)由破冰船在散貨船到達(dá)之前清除碎冰，并且輔助靠泊操作行之有效；4)分離式結(jié)構(gòu)更有利于清除前沿碎冰，但在某些情況下由于船舶撞擊受損的風(fēng)險(xiǎn)卻大于連續(xù)式結(jié)構(gòu)，碼頭的結(jié)構(gòu)形式最終取決于造價(jià)；5)破冰船足以適用于最差的冰況，若有需求也可處理港外浮冰；6)輔助海冰控制方案如氣泡系統(tǒng)及小型破冰船可酌情考慮。

綜合以上結(jié)論及已建港口的經(jīng)驗(yàn)，通常配備專門的港口破冰船進(jìn)行海冰管理。破冰船通過推進(jìn)器沖刷，定期清除碼頭前沿水域的碎冰，減小碎冰累積厚度。根據(jù)Enkvist[1]的計(jì)算結(jié)果，在2 m厚的冰層中以1.55 m∕s 的速度通行的破冰船可以處理的固結(jié)碎冰厚度為6 m，需要的船舶功率約為16 MW。本項(xiàng)目建議配備2 艘破冰船用于冬季及秋季結(jié)冰期領(lǐng)航及破除港口周圍的碎冰，并在全年配合2 艘拖輪用于輔助進(jìn)港及靠離泊。

2.3 破冰船級(jí)

根據(jù)項(xiàng)目所在海域的冰況條件，按照國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(International Association of Classification Societies，IACS)對(duì)極地船的冰級(jí)定義[2]，本礦石碼頭冬季適用的船舶應(yīng)為PC4 級(jí)極地散貨船，即適用冰況為全年在當(dāng)年厚冰狀況下，可包括舊夾冰。破冰船用于領(lǐng)航及破除碎冰，其等級(jí)應(yīng)高一級(jí)，為PC3 級(jí)，即適用冰況為全年在第2 年冰齡狀況下，可包括多年夾冰。在春秋季融冰及結(jié)冰過渡期，可采用《芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則》FSICR[3]等級(jí)為1C，即可以在輕度的冰級(jí)狀態(tài)下航行(最大冰厚0.4 m)的冰級(jí)散貨船。

2.4 氣泡防冰系統(tǒng)

除破冰船外，氣泡防冰系統(tǒng)也是一種經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)的可輔助抑制碎冰累積的方法。氣泡系統(tǒng)由安裝在結(jié)構(gòu)表面的空壓機(jī)與放置在水體深處或底部管壁設(shè)有若干氣孔的穿孔管網(wǎng)組成，將壓縮空氣通入水中，形成一定數(shù)量的氣泡群，氣泡群在初始速度和浮力作用下向水面運(yùn)動(dòng)，對(duì)周圍水體產(chǎn)生擾動(dòng)形成流場(chǎng)，并夾帶深處較暖的水流將其運(yùn)送至表層，從而抑制冰的形成。氣泡防冰原理見圖3[4]。

圖3 氣泡防冰系統(tǒng)原理

氣泡防冰設(shè)施在北歐國(guó)家港口及游艇碼頭比較常見，該系統(tǒng)在具備溫度梯度的淡水和淡鹽水環(huán)境中應(yīng)用良好。氣泡系統(tǒng)有時(shí)會(huì)與工業(yè)廠房的熱廢水結(jié)合使用，在芬蘭的一些港口如科特卡港，穆薩洛電廠冬季排入海里的熱廢水在天然冰層下方沿海岸漂流，沿港池岸線布置的氣泡系統(tǒng)將一部分排放的熱廢水帶入港池形成水體循環(huán)后，靠近碼頭前沿線的停泊水域內(nèi)碎冰層全部融化，證明氣泡系統(tǒng)結(jié)合港池內(nèi)引入熱能對(duì)于改善港池內(nèi)的冰凍效果十分顯著。

在北極海岸，由于海水含鹽度基本在3.0%～3.5%，最大密度水體的溫度基本接近水的冰點(diǎn)，冬季水體的溫度缺乏梯度通常會(huì)導(dǎo)致氣泡系統(tǒng)無法產(chǎn)生明顯效果。但是在格陵蘭北部地區(qū)，利用夏季港區(qū)水溫的余熱，在冰季的早期，氣泡系統(tǒng)可以延遲和抑制港內(nèi)冰的形成。該地區(qū)冰凍期始于10 月初，但在碼頭前方直到12 月底才會(huì)形成完整的覆冰層。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，熱儲(chǔ)備會(huì)在大約2 周后耗盡，在此時(shí)段內(nèi)由氣泡系統(tǒng)產(chǎn)生的表層流依然有助于抑制冰的形成，表明在初冬時(shí)段北極地區(qū)港口利用氣泡系統(tǒng)控冰是有效的[5]。

本礦石碼頭為采用4 個(gè)沉箱的墩式碼頭，結(jié)合以上實(shí)踐及研究，在每個(gè)沉箱前沿安裝1 套壓縮空氣簾幕氣泡系統(tǒng)，通過盡量減少冰與碼頭前沿立面的接觸來控制碎冰累積。此外，氣泡系統(tǒng)還用于將底部較暖的水流帶至表層，從而融化部分表層冰。本項(xiàng)目附近無法提供工業(yè)熱廢水，但是北極海岸冬季會(huì)釋放一定的地?zé)崮?，也可將船舶底部排出的較暖的壓艙水作為熱源使用。碼頭前沿的氣泡防冰系統(tǒng)布置見圖4。

圖4 碼頭沉箱前沿氣泡防冰系統(tǒng)布置

可以通過物理及數(shù)值模擬試驗(yàn)對(duì)上述氣泡防冰系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行模擬，選定參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，確定最佳的布置方案，并對(duì)防冰效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 設(shè)計(jì)船型及出運(yùn)組合

3.1 設(shè)計(jì)船型

礦石出運(yùn)船型全部采用有效載質(zhì)量為22 萬t的散貨船，根據(jù)《港口設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]中提供的置信限為75%的20 萬噸級(jí)散貨船型(最大有效載質(zhì)量達(dá)25 萬t)確定的礦石碼頭設(shè)計(jì)船型尺度為:總長(zhǎng)311.0 m，型寬50.0 m，型深25.9 m，最大吃水18.6 m。

3.2 船型組合

鐵礦石出運(yùn)的目的地為中國(guó)，考慮到夏季開放水域時(shí)間僅有1 個(gè)月，為了保證結(jié)冰期、融冰期及冬季鐵礦石出運(yùn)，擬在格陵蘭島南部海域建設(shè)一個(gè)水-陸-水中轉(zhuǎn)不凍港，將礦石從冰級(jí)或極地散貨船轉(zhuǎn)運(yùn)到普通散貨船，通過普通散貨船可全年運(yùn)送至中國(guó)。

礦石碼頭至中轉(zhuǎn)港的航程為2 250 km，按照航速14.5 kn 計(jì)算，冰級(jí)或極地散貨船單程時(shí)間需要3.5 d，按平均在港時(shí)間4.5 d 估算，往返中轉(zhuǎn)港需要的時(shí)間為11.5 d。夏季可按需租用普通散貨船直接將鐵礦石出運(yùn)至中國(guó)，考慮碼頭及船舶的充分利用，特別是夏季開放水域期航道及碼頭的充分利用，建議采用的船型組合及對(duì)應(yīng)的相應(yīng)運(yùn)量(按所有運(yùn)輸船舶載質(zhì)量均為22 萬t)見表1。

表1 礦石碼頭出運(yùn)(1 800 萬t∕a)建議船型組合

由表1 可知，為了完成全年1 800 萬t 的礦石出運(yùn)量，需要配備4 艘1C 級(jí)冰級(jí)散貨船，19 艘紐卡斯?fàn)栃蜕⒇洿? 艘PC4 級(jí)極地散貨船，共82 次航程。在冬季及秋季結(jié)冰期，還需要利用港口破冰船輔助破冰。

3.3 泊位利用率

運(yùn)量為1 800 萬t∕a 時(shí)，礦石碼頭全年各時(shí)段泊位利用率如表2 所示。

表2 礦石碼頭泊位利用率

夏季礦石碼頭泊位利用率最高，達(dá)87%；冬季最低，僅23%。說明夏季開放水域期間的泊位利用率基本達(dá)到飽和，遠(yuǎn)期可通過在冬季增加PC4 級(jí)極地散貨船來增加總運(yùn)量。

若在冬季將PC4 級(jí)極地散貨船增至6 艘，則可完成的航次數(shù)量可達(dá)144 次，根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，泊位占用時(shí)間相應(yīng)增至5 046 h，泊位占用率將達(dá)到71.5%，碼頭總運(yùn)量將增至3 900 萬t，可滿足遠(yuǎn)期3 600 萬t 的出運(yùn)量需求。

4 結(jié)論

1)本工程冬季適用的船舶應(yīng)為PC4 級(jí)極地散貨船，在春秋季融冰及結(jié)冰期，可采用等級(jí)為1C的冰級(jí)散貨船。配備港口專用的破冰船是最有效破除碎冰的方法，破冰船等級(jí)為PC3 級(jí)。配備2 艘破冰船用于冬季及秋季結(jié)冰期領(lǐng)航及破除港口周圍的碎冰，并在全年配合2 艘拖輪用于輔助進(jìn)港及靠離泊。

2)在碼頭前沿每個(gè)沉箱處安裝氣泡防冰系統(tǒng)作為輔助防冰措施，在港池水體內(nèi)形成循環(huán)，在初冬時(shí)節(jié)可以有效抑制港池內(nèi)結(jié)冰，地?zé)崮芙Y(jié)合船舶排放的壓艙水可考慮作為底部水體的熱源。

3)通過建設(shè)水-陸-水中轉(zhuǎn)港，礦石碼頭可以實(shí)現(xiàn)全年運(yùn)營(yíng)，夏季由普通散貨船直航中國(guó)，其余時(shí)段則由自帶破冰功能的冰級(jí)或極地散貨船運(yùn)至中轉(zhuǎn)港，再換至普通散貨船運(yùn)往中國(guó)，通過船型組合的合理配置，可以完成每年1 800 萬t 的礦石出運(yùn)量。此外，在冬季增加極地散貨船的數(shù)量可滿足遠(yuǎn)期3 600 萬t 的出運(yùn)量需求。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，須充分考慮影響泊位利用率的各種因素，根據(jù)船型組合，合理安排調(diào)整全年各時(shí)段的航程，以確保碼頭的出運(yùn)量。