長(zhǎng)沙樞紐船閘運(yùn)行初期的通過能力研究

蔣明鋒，張 明，廖 鵬，馮小香，普曉剛

（1.長(zhǎng)沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙410200；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；3.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096）

長(zhǎng)沙樞紐船閘運(yùn)行初期的通過能力研究

蔣明鋒1，張 明2，廖 鵬3，馮小香2，普曉剛2

（1.長(zhǎng)沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙410200；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；3.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096）

長(zhǎng)沙樞紐為湘江航運(yùn)的咽喉，交通繁忙，船閘運(yùn)行壓力大。通過分析湘江長(zhǎng)沙樞紐河段通航環(huán)境，根據(jù)船閘調(diào)度方案，建立了船舶過閘交通仿真模型，模擬分析了在不同工況、不同調(diào)度方案組合情況下長(zhǎng)沙樞紐雙線船閘近期的運(yùn)行狀態(tài)及通過能力。

通過能力;船閘;交通仿真;長(zhǎng)沙樞紐

近年來，隨著內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展，船閘堵船滯航現(xiàn)象日漸增多［1］，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。長(zhǎng)沙樞紐位于湘江航運(yùn)的咽喉，交通繁忙，日過往船舶流量大，且由于船型復(fù)雜，多數(shù)為運(yùn)砂船，船型龐大，一定程度上降低了船閘的實(shí)際通過能力，增大了船閘運(yùn)行初期的交通壓力。為研究長(zhǎng)沙樞紐船閘運(yùn)行初期的通過能力，本文在對(duì)長(zhǎng)沙樞紐河段交通流特性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)船閘調(diào)度方案，建立船舶過閘交通仿真模型，對(duì)近期現(xiàn)有船型情況下，船閘在不同調(diào)度方案、不同運(yùn)行狀態(tài)下的通過能力進(jìn)行了分析，并研究了現(xiàn)狀情況下長(zhǎng)沙樞紐船閘的最大通過能力，為管理部門的決策提供參考依據(jù)。

1 長(zhǎng)沙樞紐河段交通流特點(diǎn)

1.1 樞紐概況

長(zhǎng)沙樞紐是湘江干流八級(jí)開發(fā)規(guī)劃中的最下游的梯級(jí)，壩址位于長(zhǎng)沙市望城縣境內(nèi)的蔡家洲河段，在長(zhǎng)沙市城區(qū)下游約20 km，上距株洲航電樞紐135 km，下距城陵磯146 km。樞紐于2009年9月開工，2012年9月實(shí)現(xiàn)雙線船閘通航，2012年10月進(jìn)行三期導(dǎo)流，計(jì)劃于2015年完工。

長(zhǎng)沙樞紐是一座以改善航運(yùn)和改善長(zhǎng)株潭三市濱水環(huán)境為主，兼有供水、發(fā)電、城市交通和發(fā)展水上旅游等綜合效益的樞紐工程。樞紐同步建設(shè)了雙線2 000 t級(jí)船閘，閘室有效尺度280 m×34 m×4.5 m，設(shè)計(jì)船型為一頂2艘2 000 t級(jí)駁船隊(duì)，一頂4艘1 000 t級(jí)駁船隊(duì)，2個(gè)船閘設(shè)計(jì)年單向通過能力共計(jì)為4 900萬t。

長(zhǎng)沙樞紐正常蓄水位為29.7 m，三期圍堰期間上游最低通航水位為24.0 m，滿足1000 t級(jí)船舶通航標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)文件，常水頭3.68m時(shí)，船閘充水時(shí)間為5.6min，船閘泄水時(shí)間為5.5min；最大水頭7.8 m時(shí)，船閘充水時(shí)間為7.25min，泄水時(shí)間為7.5min。正常運(yùn)行時(shí)，閘門的開啟時(shí)間為4.5 min。

1.2 湘江貨運(yùn)量特點(diǎn)

隨著湘江干流航道等級(jí)的提高與湖南省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湘江貨運(yùn)量快速增長(zhǎng)，2000～2008年，湘江水路貨運(yùn)量由2 003萬t增長(zhǎng)到10 205萬t，年均增長(zhǎng)22.6%。目前，湘江水運(yùn)運(yùn)量呈現(xiàn)以下特點(diǎn)［2］：

（1）湘江主要以大宗干散貨為主體，砂石等礦建材料占有相當(dāng)大的比重。2008年，湘江主要貨種是煤炭、礦建材料、砂石、散水泥、散化肥及化肥等大宗干散貨，運(yùn)量8 726萬t，其中礦建材料7 569萬t，分別占貨運(yùn)總量及大宗干散貨的比重的74.2%和86.7%。

（2）集裝箱運(yùn)輸成為新的增長(zhǎng)點(diǎn)。湖南省水運(yùn)集裝箱始于1993年，2000年水運(yùn)完成1.5萬TEU，其中湘江完成1.3萬TEU；2008年全省水運(yùn)14.18萬TEU，湘江完成13.94萬TEU，年均增長(zhǎng)32.1%。目前湖南省集裝箱航線以到上海的內(nèi)支線為主，少數(shù)為通過武漢港中轉(zhuǎn)至上海的內(nèi)支線。2012年，集裝箱船舶每日通過長(zhǎng)沙樞紐斷面的時(shí)間較為固定，一般早出晚進(jìn)各有一次，船舶數(shù)量一般為5～6艘。

（3）湘江貨運(yùn)量主要集中在株洲樞紐下游河段，尤其是在長(zhǎng)沙岳陽兩港。2008年，株洲下游湘潭、長(zhǎng)沙、岳陽三市的貨運(yùn)量為8 514萬t，占湘江貨運(yùn)量的80%以上，其中長(zhǎng)沙、岳陽兩市為7 699萬t，占湘江貨運(yùn)量的75.4%。

1.3 湘江船型特點(diǎn)

2012年5 月，對(duì)長(zhǎng)沙樞紐河段進(jìn)行的調(diào)研表明［3］，湘江下游主流船舶主要為30～50 m和50～90 m，以1 000 t級(jí)船舶為主。根據(jù)2012年5月23日～26日的觀測(cè)結(jié)果，平均每日經(jīng)過長(zhǎng)沙樞紐斷面的船舶為178艘次，過往船舶中1 000 t級(jí)的占46.3%，1 000 t級(jí)以上的占14.7%。過往船型中以自卸式運(yùn)砂船為主，占47.15%。根據(jù)Google earth衛(wèi)星影像量測(cè)，運(yùn)砂船長(zhǎng)度一般分為50～56m、60～65m兩類，前方自卸式裝置為25～30 m。

需要指出的是，2012年5月由于長(zhǎng)沙市進(jìn)行湘江采砂的綜合整治，運(yùn)砂船的過往數(shù)量比整治前有所減小，如2011年3月12日8∶30～17∶30，統(tǒng)計(jì)經(jīng)過長(zhǎng)沙樞紐壩址斷面的船舶數(shù)量達(dá)347艘，其中自卸式運(yùn)砂船占到了70%。

2 過閘交通組織模型的構(gòu)建

2.1 船閘通過能力影響因素分析

船閘通過能力的影響因素較多，在實(shí)際運(yùn)行中，主要與船閘運(yùn)行的時(shí)間、船舶到達(dá)規(guī)律、船閘排擋方案、運(yùn)量不均衡系數(shù)及裝載系數(shù)等有關(guān)。

（1）船閘運(yùn)行的時(shí)間。

根據(jù)三峽船閘的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)［4-5］，在船閘運(yùn)行初期，由于設(shè)備故障較多，且船長(zhǎng)對(duì)于船閘需要一個(gè)逐漸適應(yīng)的過程，在船閘運(yùn)行的初期，船閘每日可服務(wù)時(shí)間相對(duì)較短，而一次過閘時(shí)間卻相對(duì)較長(zhǎng)；之后，船閘每日可服務(wù)時(shí)間和一次過閘時(shí)間會(huì)逐漸達(dá)到甚至超過設(shè)計(jì)值。

為了研究不同過閘時(shí)間參數(shù)對(duì)長(zhǎng)沙樞紐雙線船閘通過能力的影響，根據(jù)初步設(shè)計(jì)文件、有關(guān)技術(shù)支持報(bào)告及同類船閘運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了兩種工況（表1）。工況1、工況2分別為運(yùn)行初期開始及逐步運(yùn)行一段時(shí)間后設(shè)計(jì)水平下船閘的運(yùn)行情況。一次過閘平均時(shí)間計(jì)算時(shí)考慮一次過閘7條船舶，船閘單向運(yùn)行與雙向運(yùn)行次數(shù)的比例為1：4。

表1 一次過閘平均時(shí)間參數(shù)Tab.1 Average time parameter of ship lock operation

（2）船舶到達(dá)規(guī)律。

船舶到達(dá)規(guī)律包括船舶小時(shí)到達(dá)數(shù)量和船型分布兩個(gè)方面。船舶到達(dá)數(shù)量分布一般為隨機(jī)性事件，由于長(zhǎng)沙樞紐船閘缺少相應(yīng)資料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定到閘船舶數(shù)量服從泊松分布。由長(zhǎng)沙樞紐船閘實(shí)際調(diào)研資料可知，泊松分布的期望λ=178；其船型分布情況，主要由調(diào)研資料確定，并適當(dāng)考慮了運(yùn)砂船較多的實(shí)際情況（表2）。

（3）船閘排擋方案。

表2 近期過閘船舶（代表船型）交通特性統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of traffic characteristics for passing ships in recent time

根據(jù)各貨類船舶運(yùn)輸特點(diǎn)，并考慮湘江企業(yè)的實(shí)際需求，為研究不同船閘排擋方案下船閘的通過能力，設(shè)計(jì)了3組排擋仿真實(shí)驗(yàn)方案。

方案一：①船舶過閘優(yōu)先級(jí)按下列次序：危險(xiǎn)品船＞公務(wù)船＞客船和載運(yùn)鮮活貨的客船＞集裝箱運(yùn)輸船舶＞貨船等，其中危險(xiǎn)品船包括運(yùn)輸煙花爆竹的船舶與液化氣體船（如油船）兩大類，公務(wù)船指擔(dān)任特殊任務(wù)的警衛(wèi)船、軍事運(yùn)輸船等；②危險(xiǎn)品船舶安排專閘通過；③同一優(yōu)先級(jí)船舶采用先到先過的原則。

方案二：在調(diào)度方案一的基礎(chǔ)上，針對(duì)同一優(yōu)先級(jí)別的船舶，排檔時(shí)小船協(xié)同大船，以閘室利用率最大為目標(biāo)，形成過閘隊(duì)列。

方案三：為應(yīng)急調(diào)度預(yù)案，即當(dāng)船閘可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)大量船舶積壓時(shí)，在調(diào)度方案二的基礎(chǔ)上，將易燃易爆危險(xiǎn)品船不再優(yōu)先并安排專閘通過，而是安排集中通過，即在錨地待閘的危險(xiǎn)品船舶數(shù)量滿足一定條件時(shí)才允許過閘，但同樣不同類型的危險(xiǎn)品船不能同一閘通過。調(diào)度時(shí)允許過閘的條件是閘室利用率大于0.50，以提高船閘的利用率。

（4）運(yùn)量不均衡系數(shù)及裝載系數(shù)。

根據(jù)長(zhǎng)沙樞紐工程初設(shè)文件，該船閘的運(yùn)量不均衡系數(shù)為1.3，裝載系數(shù)為0.7。

2.2 仿真模型設(shè)計(jì)

采用Arena仿真軟件，根據(jù)船閘排擋方案建立了雙線船閘的船舶過閘交通組織模型［6-7］，其中船閘排擋算法是模型的關(guān)鍵，模型中采用的是可排點(diǎn)概念進(jìn)行船舶的排擋，圖1和圖2分別為船舶過閘流程圖和船閘排擋算法流程圖。

圖1 船舶過閘流程圖Fig.1 Ship-crossing flowchart

圖2 船閘排檔算法流程Fig.2 Ship lock schedule algorithm flowchart

3 結(jié)果與分析

由仿真模型多次運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)了近期船閘運(yùn)行一個(gè)月的指標(biāo)情況（表3）。當(dāng)過閘交通量λ=178艘/d即λ=3.7艘/h時(shí)，相當(dāng)于年單向過閘運(yùn)量1 900萬t，工況1條件下，調(diào)度方案一對(duì)應(yīng)的日平均過閘14.4閘次，閘室利用率平均為0.48，上游和下游錨地平均延誤船舶量分別為3.5艘和3.1艘。工況2條件下，調(diào)度方案一對(duì)應(yīng)的日平均過閘16.6閘次，閘室利用率平均為0.46，下游和上游錨地平均延誤船舶量均為0.6艘。表明，在船閘運(yùn)行初期交通需求量較小時(shí)，到閘船舶基本可以隨到隨走，船閘的運(yùn)行狀態(tài)較優(yōu)。

表3 近期船閘運(yùn)行一個(gè)月的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of operation indexes in the firstmonth navigation

相同調(diào)度方案下，工況2的平均日過閘次數(shù)和通過能力均較工況1大，而且相應(yīng)的交通運(yùn)行狀態(tài)較工況1優(yōu)，顯然，提高一次過閘時(shí)間，增加船閘日過閘次數(shù)，是提高船閘通過能力的重要途徑。

相同工況條件下，對(duì)于調(diào)度方案一、調(diào)度方案二和調(diào)度方案三，當(dāng)過閘交通需求量較大時(shí)，它們對(duì)應(yīng)的通過能力依次增加，而過閘交通需求量較小時(shí)，3個(gè)調(diào)度方案所反映出來的船閘運(yùn)行指標(biāo)是基本一致的。這主要是因?yàn)榻煌ㄐ枨罅枯^小時(shí)，由于到達(dá)船舶的隨機(jī)性，為兼顧船閘運(yùn)行成本和船舶延誤時(shí)間，閘室利用率并不能得到顯著提高，而且可能還會(huì)大大增加個(gè)別船閘的延誤，如調(diào)度方案三中油船的日到船量?jī)H為3艘，先期到達(dá)的油船要延誤好幾天才能等到足夠的同類船舶一起過閘（要求閘室利用率大于0.5）；而交通需求量較大時(shí)，往往是錨地有大量的船舶等待過閘，這時(shí)可充分提高船閘的閘室利用率。

考慮排隊(duì)系統(tǒng)的最大容量，仿真計(jì)算了工況1和工況2條件下各調(diào)度方案的日最大過船量（表4）。以工況1條件時(shí)調(diào)度方案三為例，當(dāng)日過閘需求量或船舶流量小于215艘/d時(shí)，船閘運(yùn)行狀況較優(yōu)，不會(huì)出現(xiàn)大量的船舶積壓，當(dāng)船舶流量大于215艘/d時(shí)，船閘將會(huì)出現(xiàn)大量的船舶積壓。

表4 近期船閘的最大日過船量（艘/d）Tab.4 Themaximum lock capacity in recent time

4 結(jié)論與建議

（1）長(zhǎng)沙樞紐船閘交通流量大，在運(yùn)行初期由于一次過閘時(shí)間較長(zhǎng)，船閘設(shè)備故障等原因，抗風(fēng)險(xiǎn)能力相對(duì)較低。為防范可能出現(xiàn)的交通擁堵，建議加強(qiáng)壩區(qū)船舶航行交通管制，制定有關(guān)通航應(yīng)急預(yù)案，建立相應(yīng)預(yù)警機(jī)制。

（2）運(yùn)砂船的船型龐大，進(jìn)出船閘也有一定危險(xiǎn)，為保證船閘運(yùn)行安全，提高船閘通過能力，應(yīng)推進(jìn)對(duì)現(xiàn)有運(yùn)砂船的改造，并進(jìn)一步促進(jìn)湘江航運(yùn)船舶的大型化及標(biāo)準(zhǔn)化；同時(shí)做好船閘排擋工作，增加每閘次的過船量，提高船閘閘室利用率。

（3）船舶良好過閘秩序的形成、及船閘通過能力最大化的實(shí)現(xiàn)與船舶航行及船閘的調(diào)度管理息息相關(guān)，為提升長(zhǎng)沙樞紐雙線船閘通過能力，必須建立高效的船舶監(jiān)管及過閘調(diào)度機(jī)制，因此，必須實(shí)現(xiàn)湘江航運(yùn)管理的信息化，以保障湘江黃金水道建設(shè)的順利推進(jìn)。

［1］張明,李民,馮小香.長(zhǎng)洲樞紐雙線船閘堵船原因分析及對(duì)策［J］.水道港口,2012,33（2）:142-146. ZHANG M，LIM，F(xiàn)ENG X X.Causes and Countermeasures of traffic jam in Changzhou double line ship lock［J］.Journal of Waterway and Harbor,2012,33（2）:142-146.

［2］湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐工程初步設(shè)計(jì)［R］.長(zhǎng)沙：湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,2009.

［3］張明.湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐工程船閘交通組織研究［R］.天津:交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,2012.

［4］高雄.三峽船閘試通航半年簡(jiǎn)析［J］.水運(yùn)工程,2004（5）:64-68. GAO X.SIX Months′Trial Navigation of Three Gorges Ship Lock［J］.Port&Waterway Engineering,2004（5）:64-68.

［5］宋維邦.三峽雙線五級(jí)船閘通過能力分析［J］.中國(guó)三峽建設(shè),2003（9）:44-45. SONGW B.On traffic capacity of Three Gorges double line five step ship lock［J］.China Three Gorges Construction,2003（9）: 44-45.

［6］朱順應(yīng),朱凱,王麗錚.基于Arena的三峽樞紐運(yùn)輸系統(tǒng)仿真模型［J］.水運(yùn)工程,2011（2）:.40-44. ZHU SY,ZHU K,WANG L Z.A simulation model based on Arena for the transportation system of the Three Gorges Region［J］. Port&Waterway Engineering,2011（2）:40-44.

［7］商劍平,吳澎,唐穎.基于計(jì)算機(jī)仿真的船閘聯(lián)合調(diào)度方案研究［J］.水運(yùn)工程,2011（9）:199-204. SHANG JP,WU P,TANG Y.On multiple-lane lock′s joint scheduling plan based on computer simulation［J］.Port&Waterway Engineering,2011（9）:199-204.

珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展上升為國(guó)家區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略

本刊從交通運(yùn)輸部獲悉，國(guó)務(wù)院不久前正式批準(zhǔn)了由國(guó)家發(fā)展改革委組織擬訂的國(guó)務(wù)院2013年區(qū)域規(guī)劃審批計(jì)劃，其中珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶規(guī)劃列在7個(gè)計(jì)劃審批的區(qū)域發(fā)展規(guī)劃第一位。這是國(guó)家繼續(xù)深入實(shí)施區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措，對(duì)促進(jìn)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)和西江經(jīng)濟(jì)帶“雙核”驅(qū)動(dòng)發(fā)展意義重大。（殷缶，梅深）

巴哈馬擬新建伊科祖瑪港口樞紐

據(jù)報(bào)道，巴哈馬政府?dāng)M于2013財(cái)年內(nèi)新建伊科祖瑪港口樞紐，以支持該島及附近成員島未來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。港口建設(shè)所需資金將通過向加勒比開發(fā)銀行融資解決。加勒比開發(fā)銀行技術(shù)人員已經(jīng)與巴政府工程師一起前往伊科祖瑪島就項(xiàng)目選址、工程范圍及其他問題開展評(píng)估工作。（殷缶，梅深）

合肥市將再建3個(gè)港區(qū)

本刊從合肥港獲悉，合肥市目前正開展新一輪港口總體規(guī)劃修編工作。隨著行政區(qū)劃調(diào)整、工業(yè)布局調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)港口建設(shè)的需要，合肥市港區(qū)建設(shè)規(guī)劃“擴(kuò)容”。規(guī)劃新增巢湖港區(qū)二期、廬江港區(qū)、散兵港區(qū)等3個(gè)港區(qū)。加上原有南淝河、派河、店埠河、豐樂河和臨湖等5個(gè)港區(qū)，合肥港將共有8個(gè)港區(qū)。（殷缶，梅深）

嘉陵江利澤航運(yùn)樞紐項(xiàng)目建設(shè)工作全面啟動(dòng)

本刊從交通運(yùn)輸部獲悉，2013年7月26日，重慶市交委和四川省交通運(yùn)輸廳在重慶組織召開了利澤樞紐項(xiàng)目推進(jìn)工作會(huì)。與會(huì)各方一致同意按照交通運(yùn)輸部《關(guān)于推進(jìn)嘉陵江利澤航運(yùn)樞紐前期工作協(xié)調(diào)會(huì)議紀(jì)要》的要求，全面啟動(dòng)利澤樞紐項(xiàng)目的實(shí)施工作，力爭(zhēng)2014年10月底項(xiàng)目開工建設(shè)、2018年完建樞紐工程。（殷缶，梅深）

Study on recent lock capacity of Changsha hydro-junction

JIANG M ing-feng1,ZHANG M ing2,LIAO Peng3,FENG Xiao-xiang2,PU Xiao-gang2
(1.Changsha Xiang-river comprehensive hub DevelopmentCo.,LTD.,Changsha 410200,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;3.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Changsha hydro-junction is located at the throat position of Xiangjiang river,and the ship locks are confronted with much pressure due to the heavy shipping traffic.Based on the analysis of the navigation environment and the scheduling scheme,the simulation model was established to simulate the lock capacity of the Changsha hydro-junction in the recent time in this paper.

lock capacity;ship lock;traffic simulation;Changsha hydro-junction

U 641.7+3

A

1005-8443（2013）04-0359-05

2012-12-18；

2013-04-11

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐公司項(xiàng)目（CSSN-服務(wù)-38-03）：湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐工程船閘交通組織研究

蔣明鋒（1982-），男，廣西桂林人，工程師，主要從事港口與航道工程的設(shè)計(jì)與管理工作。

Biography：JIANGMing-feng（1982-）,male,engineer.