長江深水航道通過能力研究

張瑋，劉錦安*，孫宏杰，劉懷漢，褚明生

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇　南京　210098；2.長江航道局，湖北　武漢　430010；3.奉化市規(guī)劃局，浙江　寧波　315500）

長江深水航道通過能力研究

張瑋1，劉錦安1*，孫宏杰1，劉懷漢2，褚明生3

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.長江航道局，湖北武漢430010；3.奉化市規(guī)劃局，浙江寧波315500）

綜合船舶交通流理論和船舶領(lǐng)域解析公式，引入加權(quán)平均船型和設(shè)計小時系數(shù)等概念，結(jié)合船舶噸位與船舶尺度關(guān)系，推薦任意船型下航道理論和設(shè)計通過能力計算方法，并應(yīng)用于即將頒布的長江干線航道通過能力計算。研究表明:長江干線最高等級航道（I-1級）的通過能力最大，理論年通過能力270億~310億t，設(shè)計年通過能力80億~93億t，約為理論通過能力的30%；船舶噸位是決定航道通過能力的最關(guān)鍵因素，對于深水航道，通行的船舶噸位應(yīng)盡量與航道等級相匹配；船舶噸位對于水深變化較為敏感，特別是海輪航道，航道增深帶來的通過能力增加效果最為明顯。

長江深水航道；船舶領(lǐng)域；船舶交通流；航道通過能力

0　引言

長江干線是世界上運量最大、運輸最為繁忙的通航河流。近年來，為適應(yīng)船舶大型化和江海聯(lián)運的快速發(fā)展，長江深水航道建設(shè)由河口起步，并逐步向上游擴展。同時，長江干線航道新的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)的研究工作也已開展，并將于近期公布。與原有標(biāo)準(zhǔn)相比，新的長江干線航道等級變化較大，開展航道通過能力研究非常必要。

國內(nèi)外關(guān)于航道通過能力的計算公式較多，其中以西德公式、長江公式、閔朝斌公式最具代表性[1]。西德公式以歐洲標(biāo)準(zhǔn)駁船為計算船型，引入減載系數(shù)、減速影響系數(shù)等多個修正系數(shù)，但未考慮同一航道混合交通流影響。長江公式考慮到船隊通過橋孔或其他控制河段對通過能力的影響，并引進(jìn)非標(biāo)準(zhǔn)船隊影響總噸位系數(shù)，但未考慮到實際航道中船舶交通密度和速度的變化。閔朝斌公式從交通流角度建立了航道年通過能力計算模型，但其采用船舶間縱向距離系數(shù)與船長的乘積來代替船舶領(lǐng)域，忽視了船速及船舶動力對船舶領(lǐng)域的影響。近年來，隨著水上交通密度的提高、船舶大型化以及船舶動力的增強，有關(guān)船舶領(lǐng)域的研究不斷深入。陳愷等[2]基于船舶交通流和船舶領(lǐng)域理論，研究航道基本小時通過能力計算方法，并通過設(shè)計小時系數(shù)將小時通過能力換算為年通過能力，但其船舶領(lǐng)域的確定仍未能考慮到船速、船舶動力特征以及水流流速的影響。李瀛等[3]基于道路交通工程中停車視距的概念，提出了航道中停船視距的概念，探討了船舶領(lǐng)域模型長軸取值的計算方法。劉金龍等[4]基于停船視距和船舶領(lǐng)域理論，根據(jù)動力學(xué)原理，推導(dǎo)出船舶領(lǐng)域新的解析表達(dá)式。最近，長江干線航道新的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)即將頒布[5]，亟需根據(jù)航道通過能力研究的最新成果，推薦通過能力計算方法，用來研究長江干線深水航道的通過能力。

本文綜合航道通過能力領(lǐng)域研究的最新成果，推薦一種航道通過能力的計算方法，針對即將頒布的長江干線航道等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，計算不同等級航道的理論通過能力和設(shè)計通過能力，在此基礎(chǔ)上，探討影響通過能力的主要因素，研究成果可為相關(guān)部門進(jìn)行航道規(guī)劃、設(shè)計以及運行管理提供參考。

1　航道通過能力計算

1.1基于船舶交通流的小時通過能力

1）航道小時基本通過能力

對于給定船型，利用交通流相關(guān)理論，可以得到航道小時基本通過能力計算公式:

式中:qh為航道基本通過能力，艘/h；mu，md分別為船舶上行和下行的通道數(shù)目；vu，vd分別為船舶交通流中給定船型對應(yīng)上水和下水航速，m/s；vw為航道內(nèi)的水流速度，m/s；lu，ld分別表示上、下行船舶流中給定船型的船舶領(lǐng)域縱長，m。

2）船舶領(lǐng)域計算公式

船舶領(lǐng)域是研究船舶通過能力的重要基礎(chǔ)[6]，文獻(xiàn)[3]給出了新的船舶領(lǐng)域計算公式:

式中:L為船舶領(lǐng)域，m；P為船舶功率，kW；V為船舶相對于水流的速度，m/s；M為船舶的平均噸位，t；l為船舶的長度，m；k1，k2分別為風(fēng)荷載和水流力的系數(shù)；k0為反應(yīng)距離與停船視距的比值。

船舶上行、下行的船舶領(lǐng)域lu、ld的計算公式如下:

將式（3）和式（4）代入式（1）便可以計算理想狀態(tài)下航道小時通過能力。然而，對于水運行業(yè)來說，通常習(xí)慣于采用年通過能力，因此，需要將航道的小時通過能力轉(zhuǎn)化為年通過能力。

1.2年通過能力計算

1）理論通過能力計算公式

理論通過能力是指理想條件下的航道通過能力，是按最佳設(shè)計船型、船舶滿載，在不考慮任何其他條件影響的情況下，以連續(xù)的、不間斷的理想船舶流計算的單位時間內(nèi)通過某段航道的船舶數(shù)或船舶的載重噸數(shù)。需要注意的是，本文所涉及到的通過能力如沒特別說明均指船舶通過量（船舶載重噸）。

根據(jù)定義，在航道小時通過能力計算方法的基礎(chǔ)上，可以得到航道年理論通過能力計算公式:

式中:Qy（1）為航道理論通過能力，t/a；T為年通航天數(shù)，d/a；M為船舶的平均噸位，t。

2）設(shè)計小時系數(shù)

設(shè)計小時交通量與年平均日交通量的比值稱為設(shè)計小時系數(shù)kh，通過設(shè)計小時系數(shù)可以方便地將航道小時基本通過能力折算成年通過能力，實現(xiàn)微觀交通流與宏觀通過能力的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而得到具有一定保證率的航道年通過能力。

在實踐中，可以利用實測資料研究船舶設(shè)計小時交通量，選取適當(dāng)?shù)男r交通量作為設(shè)計值，從而得到對應(yīng)的設(shè)計小時系數(shù)。在缺少實測資料的情況下[7]，設(shè)計小時系數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗在0.14~ 0.16間選取。

需要注意的是:設(shè)計小時系數(shù)與設(shè)計小時時位有關(guān)，在其確定過程中既要保障航道大多數(shù)情況下處于暢通狀態(tài)，又不能使得通過能力富裕過多，造成資源浪費。因此，通過設(shè)計小時系數(shù)換算得到的年通過能力在嚴(yán)格意義上是一種具有一定保證率的年通過能力。

3）年設(shè)計通過能力計算公式

通過設(shè)計小時交通量系數(shù)，可將航道小時通過能力轉(zhuǎn)換成日設(shè)計通過能力Qd（s），并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成年設(shè)計通過能力Qy（s）:

式中:Qy（s）為航道年設(shè)計通過能力，t/a；T為年通航天數(shù)，d/a；M為船舶的平均噸位，t。

將式（1）代入式（7），得航道年設(shè)計通過能力最終計算公式:

式中:md為加權(quán)平均船型噸位；mi為第i級船型噸位；Pi為第i級船型占全年的艘數(shù)比。

2）船舶噸位與尺度的關(guān)系

研究表明，海輪和內(nèi)河船舶的噸位與尺度（船舶長度、船舶面積等）之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系，在實際應(yīng)用中，兩者之間的關(guān)系可以借用

1.3設(shè)計船型和非設(shè)計船型

目前內(nèi)河航道中實際運行船舶的船型繁多，噸位、尺度變化幅度大[8]。因此，在具體計算時，如何選擇代表船型是合理計算航道通過能力的關(guān)鍵。在此，引入加權(quán)平均船型概念，結(jié)合考慮船舶噸位與船舶尺度的相關(guān)關(guān)系式，從而可以計算任意平均噸位船舶的航道通過能力。

1）加權(quán)平均船型

加權(quán)平均船型（噸位），是根據(jù)各級實際（或設(shè)計）通行船舶噸位，按照該級船舶艘數(shù)所占比例進(jìn)行加權(quán)后的平均值:相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)船型來建立，由此減少對船舶資料的依賴[9]。

以船舶噸位與船長之間關(guān)系為例，根據(jù)JTJ 211—2008《海港總平面設(shè)計規(guī)范》中提供的標(biāo)準(zhǔn)船型尺度，可以看出船舶噸位和船長之間存在良好的相關(guān)性（詳見圖1），相關(guān)系數(shù)超過0.96。因此，可以通過這一關(guān)系，將前述的加權(quán)平均船型的平均噸位換算為對應(yīng)的船長，在此基礎(chǔ)上計算船舶領(lǐng)域，進(jìn)而計算航道通過能力。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)船型噸位與船長關(guān)系回歸曲線Fig.1　The regression curve for the relationship between tonnage and length of standard vessels

2　長江深水航道通過能力

2.1長江干線新的航道等級

目前，新的長江干線航道等級劃分標(biāo)準(zhǔn)即將頒布，新標(biāo)準(zhǔn)將長江干線航道按照通航船舶噸級劃分為3級，即內(nèi)河航道I、II、III級，其中，II級和III級航道與現(xiàn)行國標(biāo)一致，I級航道則在現(xiàn)行國標(biāo)基礎(chǔ)上又進(jìn)一步細(xì)分為6個次級[5]，I-1和I-2為海輪航道，I-3到I-6為內(nèi)河船舶航道，詳見表1，所以，以下的分析計算主要針對I-1到I-6級航道進(jìn)行。

2.2理論通過能力

以散貨船為例，結(jié)合長江干線內(nèi)河散貨船和進(jìn)江海輪散貨船設(shè)計船型尺度，計算各等級航道的理論通過能力。應(yīng)該注意的是，在實際運行過程中，航道中通行的船舶噸位一般小于或等于該級航道的等級噸位，如I-1級航道中通行船舶的等級噸位為5萬噸級，但是因大小船混合通行，所以，實際的加權(quán)平均噸位要小于5萬噸級，也就是小于等級噸位。為簡單計，在具體計算時，暫不考慮實際通行船舶的復(fù)雜性，各級航道均按照等級噸位船舶考慮，如I-1級航道的代表船型就為5萬噸級，I-2級航道為2萬噸級。

表1　最新長江干線航道等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1　The latest division standard of channel grade in Yangtze River

各級航道理論通過能力的計算結(jié)果如表2所示，不難看出，航道等級越高，理論通過能力越大，不同航道等級之間理論通過能力存在著較大差異，I-1級航道的理論通過能力在270億~310億t之間，而I-6級航道的理論通過能力只有35億~40億t，兩者相差7倍以上。

表2　各等級航道理論通過能力計算Table 2　The calculation of theoretic capacity for different grades of channel

2.3設(shè)計通過能力

在考慮航道運行天數(shù)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計小時系數(shù)可以方便地將航道小時基本通過能力折算成年通過能力，實現(xiàn)微觀交通流與宏觀通過能力的轉(zhuǎn)換。

利用公式（8）計算了各等級航道的年設(shè)計通過能力，計算結(jié)果見表3。結(jié)果表明:I-1級航道的設(shè)計通過能力在80億~93億t之間，約為理論通過能力的30%；I-6級航道的設(shè)計通過能力只有10億~12億t，與I-1級航道相差8倍左右。

表3　各等級航道的設(shè)計通過能力計算Table 3　The calculation of designing capacity for different grades of channel

3　通過能力影響因素分析

決定航道通過能力的主要因素包括水深、船舶噸位等。表4給出了航道等級、航道水深、船舶噸位、通過能力之間的計算結(jié)果，可以看出:各因素之間存在良好的對應(yīng)關(guān)系，特別是船舶噸位與航道通過能力之間的相關(guān)性極高（見圖2），相關(guān)系數(shù)近1.0，說明船舶噸位是決定航道通過能力的最關(guān)鍵因素。

表4　通過能力隨水深及船舶噸位增幅表Table 4　The increase of theoretic capacity with the increase of ship tonnage and channel depth

圖2　船舶噸位與理論通過能力關(guān)系曲線Fig.2　The curve for the relationship between the ship tonnage and the theoretic capacity of channel

考慮到以上航道通過能力是按照等級船舶噸位進(jìn)行計算的，所以，計算所得航道通過能力是各種船舶組合中的最大值，實際運行時，由于加權(quán)平均船舶噸位要小于等級船舶，所以實際的航道通過能力要小得多。以I-1級航道為例，如實際運行船舶噸位等于等級船舶噸位，也就是5萬噸級，則設(shè)計通過能力81.2億~92.5億t/a；如實際運行船舶等于2萬噸級，則通過能力僅為42.4億~48.3億t/a，也就是僅與I-2級航道相同。因此，對于深水航道，通行的船舶噸位應(yīng)盡量與航道等級相匹配，只有這樣，才能充分利用高等級航道的能力，不會造成水運資源的浪費。

圖3給出了航道水深與船舶噸位之間的關(guān)系，不難看出，船舶噸位對于航道水深的變化極為敏感，特別對于I-2級以上航道，例如，I-2級航道水深10.5 m，船舶噸位20 000 DWT，I-1級航道水深為12.5 m，船舶噸位50 000 DWT，水深雖然僅增加了19.0%，但船舶噸位增加了150%，航道通過能力增加了91.4%，說明對于海輪航道，航道增深帶來的通過能力增加效果要明顯得多。

圖3　水深與船舶噸位關(guān)系曲線Fig.3　The curve for the relationship between the ship tonnage and depth of channel

4　結(jié)語

1）基于船舶交通流理論和最新船舶領(lǐng)域研究成果，借助加權(quán)平均船型和設(shè)計小時系數(shù)等概念，結(jié)合船舶噸位與船舶尺度之間的相關(guān)關(guān)系，推薦了航道通過能力計算方法。該法使用便捷，既適用于設(shè)計船型，又適用于非設(shè)計船型。

2）在即將頒布的長江干線航道等級劃分標(biāo)準(zhǔn)中，航道將主要劃分為I、II、III級，其中，II級和III級航道與現(xiàn)行國標(biāo)一致，I級航道則在現(xiàn)行國標(biāo)基礎(chǔ)上又進(jìn)一步細(xì)分為6個次級，I-1和I-2為海輪航道，I-3到I-6為內(nèi)河船舶航道。

3）經(jīng)過計算，I級航道中，I-1級航道通過能力最大，理論年通過能力（船舶通過量）270億~ 310億t，設(shè)計年通過能力80億~93億t，約為理論年通過能力的30%；I-6級航道通過能力最小，理論年通過能力35億~40億t，設(shè)計年通過能力10億~12億t。

4）決定航道通過能力的主要因素包括水深、船舶噸位等。船舶噸位與航道通過能力之間存在極好的相關(guān)關(guān)系，為充分發(fā)揮高等級航道通過能力，應(yīng)盡量使通行船舶噸位與航道等級一致；船舶噸位對于水深變化較為敏感，特別是海輪航道，航道增深帶來的通過能力增加效果要明顯得多。

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Research on channel transit capacity in Yangtze River deepwater channel

ZHANG Wei1,LIU Jin-an1*,SUN Hong-jie1,LIU Huai-han2,CHU Ming-sheng3
（1.College of Harbor Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;2.Changjiang Waterway Bureau,Wuhan,Hubei 430010,China;3.Fenghua Planning Bureau,Ningbo,Zhejiang 315500,China）

Integrating the theory of vessel traffic flow and the analytical formula of ship domain,introducing the concept of weighted average ship model and design-hour traffic volume,combining the relationship between ship tonnage and ship size, we recommended and applied a calculation method of transit capacity for all ships to calculate the theoretic capacity and designing capacity in Yangtze River channel divided by the latest division standard.The result shows that the transit capacity of the highest grade channel I-1 is maximum,its theoretic capacity lies between 27 billion-31 billion tons and designing capacity lies between 8 billion-9.3 billion tons,and the latter is about 30%of the former;the tonnage of ship is the most critical factor for channel transit capacity,so the tonnage of ship in the deep-water channel should be matched with the grade of channel as far as possible;the change of ship's tonnage is sensitive to the change of channel′s depth,especially for ocean-going vessel channel,and the increasing benefit of transit capacity caused by the increasing of channel depth is most obvious.

Yangtze River deepwater channel;ship domain;vessel traffic flow;channel transit capacity

U611

A

2095-7874（2016）02-0005-06

10.7640/zggwjs201602002

2015-10-14

交通運輸部重大科技專項“黃金水道通過能力提升技術(shù)”（2011328201002）

張瑋（1958—），男，山東青島市人，教授，博導(dǎo)，主要從事港口航道工程研究。

劉錦安，E-mail:liujinan90@163.com