內(nèi)河航道寬度的確定方法

李帥斌 王家宏 艾萬政

【摘 要】 為確保船舶在內(nèi)河航道的通航安全，運用概率理論和船舶領(lǐng)域理論研究船間間距、船岸間距確定方法，運用水動力學(xué)理論研究彎道流致漂移量和船橋間距確定方法。研究結(jié)果表明：運用概率理論、船舶領(lǐng)域理論及水動力學(xué)理論研究船間間距、船岸間距及彎道流致漂移量、船橋間距科學(xué)合理；內(nèi)河航道寬度的確立應(yīng)綜合運用各種理論。內(nèi)河航道寬度的確定，有利于減少船舶交通事故發(fā)生的概率。

【關(guān)鍵詞】 航道寬度；通航安全；流致漂移量；船橋間距

0 引 言

航道是船舶通航的載體，其主要功能就是為船舶通航服務(wù)。相關(guān)統(tǒng)計資料表明，大約15%的交通事故是由航道缺陷造成的。因此，合理改造航道、科學(xué)布置航道浮標(biāo)，是確保船舶通航安全的重要前提之一。對于內(nèi)河航道浮標(biāo)設(shè)置而言，最重要的是航道兩邊的邊界浮標(biāo)設(shè)置問題。航道兩邊邊界浮標(biāo)之間的間距安排，是與航道寬度密切相關(guān)的。如果航道兩邊邊界浮標(biāo)之間的距離設(shè)置較大，就會浪費航道資源；如果航道兩邊邊界浮標(biāo)間距過小，就會影響船舶的通航安全。因此，航道邊界浮標(biāo)設(shè)置力求科學(xué)、合理。

眾所周知，影響內(nèi)河航道寬度的主要因素包括代表船型船舶航跡帶寬度、船間間距、船岸間距、附加寬度等。目前我國《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》對內(nèi)河航道寬度都有明確的界定。在該標(biāo)準(zhǔn)中，船舶航跡帶寬度、船間間距、船岸間距等參數(shù)都是以代表船型尺度（船長、船寬）來確定的。毋庸置疑，船舶航跡帶寬度與船舶的長度、寬度、偏航角相關(guān)，其完全可通過通航船舶的長度和寬度來確定。該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于航道的附加寬度并未有明確界定，尤其是天然彎曲航道的附加寬度，只提到應(yīng)適當(dāng)加寬，并未明確具體的計算方式和范圍。不少學(xué)者認(rèn)為，航道的附加寬度主要是指風(fēng)、流等因素對船舶造成的漂移量。目前，有關(guān)順直航道的風(fēng)致漂移量和流致漂移量的研究成果較多，可直接借鑒或用于順直航道的浮標(biāo)布置。[1]由于彎曲航道環(huán)流流向、流速均隨水深的變化而變化，如何確定彎曲航道船舶的流致漂移量，有待于進一步研究。[2]船間間距、船岸間距的大小與船間效應(yīng)、岸壁效應(yīng)密切相關(guān)，而船間效應(yīng)、岸壁效應(yīng)不但與通航船舶的尺度相關(guān)，而且還與水流條件密切相關(guān)，是兩個非常復(fù)雜的問題。因此，單純以船舶尺度確定船間間距和船岸間距，明顯不夠合理。為此，關(guān)于內(nèi)河航道寬度的確定，重點是要解決船間間距、船岸間距及彎道流致漂移量等問題。由此看來，有必要圍繞船舶通航安全討論船間間距、船岸間距及彎曲航道流致漂移量等問題，以便為內(nèi)河航道寬度的確定奠定基礎(chǔ)，以利于減少船舶交通事故的發(fā)生。

1 船間間距和船岸間距的確定方法

1.1 概率論確定法

目前關(guān)于船間效應(yīng)和岸壁效應(yīng)的研究成果較多，但這些成果多數(shù)只限于定性分析層面，尚未有關(guān)于數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗公式的研究。由于船間效應(yīng)和岸壁效應(yīng)的復(fù)雜性，很難從定量層面確定船間間距和船岸間距的大小。但是，概率論的相關(guān)知識為其提供了較好的解決辦法。

假設(shè)上水船和下水船偏離航道軸線的距離分別為x1和x2（見圖1）。由于兩船偏離航道軸線的距離不存在關(guān)系，因而x1和x2是無關(guān)隨機變量且服從正態(tài)分布。由圖1可得：

相關(guān)研究表明：均方差 x與船舶的尺度有關(guān)，其大小可以根據(jù)航道內(nèi)多年船舶通航觀測數(shù)據(jù)確定；同理可確定船岸間距。

1.2 船舶領(lǐng)域理論確定法

日本學(xué)者藤井彌平利用二維頻率分布法對日本近海船舶的相對位置信息進行分析和研究，并得出船舶領(lǐng)域模型。此模型外形為橢圓形，本船處于橢圓圓心，橢圓長軸為本船中心線方向，短軸為本船正橫方向。船舶領(lǐng)域一般尺寸的具體數(shù)值為橢圓長軸是本船船長的7倍，短軸為本船正橫距的3倍。在現(xiàn)實船舶追越局面中，由于水域較寬，認(rèn)為本船可能會被追越船碰撞的船舶領(lǐng)域可以放大，其橢圓長軸一般為8倍船長，短軸為3.2倍正橫距。當(dāng)船舶航行到如港口內(nèi)部或狹窄水道等需要慢行的水域時，船舶領(lǐng)域取值為橢圓長軸為船長的6倍，短軸為正橫距的1.6倍。

Goodwin通過對藤井的船舶領(lǐng)域模型進行研究與分析，創(chuàng)立了適用于寬闊水域的船舶領(lǐng)域模型（見圖2）。Goodwin認(rèn)為，船舶領(lǐng)域模型應(yīng)是不對稱的幾何圖形，藤井的船舶領(lǐng)域模型存在一定的問題，因而基于船舶號燈顯示范圍，重新劃分船舶領(lǐng)域，按照號燈顯示范圍以扇形區(qū)域進行布置。

無論是藤井船舶領(lǐng)域模型還是Goodwin船舶領(lǐng)域模型，均是在分析大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出的，對船舶安全航行具有指導(dǎo)意義。在確定內(nèi)河船間間距及船岸間距時，也可以參考船舶領(lǐng)域理論，將船舶橫向領(lǐng)域的最大范圍作為船間間距及船岸間距的參考量。

2 彎道流致漂移量的確定方法

天然彎曲航道存在彎道環(huán)流，這種環(huán)流正是引起船舶橫向漂移的重要因素。在確定航道寬度時，應(yīng)考慮彎道環(huán)流引起的船舶橫向漂移量，這樣有利于船舶通航安全。彎道環(huán)流與普通橫流的不同之處在于：彎道環(huán)流的面流流向凹岸，隨著水深的增加，環(huán)流流速逐漸減??；當(dāng)水深到達某一深度時，環(huán)流開始反向（從凹岸流向凸岸），流速逐漸加大。彎道環(huán)流的這一特性，決定了其對吃水不同的船舶產(chǎn)生不同的橫向漂移量。

彎道環(huán)流流速表達式為

vr=4.8v （y 0.44 y1.268 0.307）（6）

式中：vr為彎道環(huán)流流速；v為彎道縱向流速；h為彎道水深；y為相對水深（相對水深的水深起點為河底，y=z/h）；r為彎道曲率。

因為彎道橫流與底流流向相反，設(shè)船舶吃水為d，則作用于船體上的平均彎道環(huán)流流速vd為

式（8）表明，作用在船體上的平均彎道環(huán)流流速由彎道曲率、平均縱向流速、彎道水深和船舶吃水共同確定。將式（8）應(yīng)用到順直航道船舶流致漂移量計算公式中，即可得彎道船舶流致漂移量。

3 船橋間距的確定方法

內(nèi)河橋區(qū)航道往往也是事故多發(fā)地段。對于橋區(qū)航道而言，橋墩與航道邊界浮標(biāo)之間的間距也是航道寬度設(shè)計時的重要考慮因素。內(nèi)河航道建橋后，由于橋墩的存在，水流結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，船舶航行安全隱患也隨之增加。由橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)（見圖3）可以看出，橋墩紊流漩渦區(qū)是船舶通航應(yīng)回避的區(qū)域[3]；因此，也有人認(rèn)為橋區(qū)航道應(yīng)布置在橋墩紊流漩渦區(qū)外，也可以說，橋墩紊流漩渦區(qū)的橫向最大范圍應(yīng)是船橋之間應(yīng)保持的最小距離。關(guān)于橋墩紊流漩渦區(qū)范圍的相關(guān)研究較多，可選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗計算模型確定。計算確定的橋墩紊流漩渦區(qū)范圍完全可應(yīng)用到橋區(qū)航道寬度設(shè)計中。

4 結(jié) 語

內(nèi)河航道寬度布置涉及船舶的通航安全。對于內(nèi)河航道寬度而言，最關(guān)鍵的是如何確定船間間距、船岸間距、彎道流致漂移量及船橋間距，這些參數(shù)與多種影響因素相關(guān)，難以單純從定量角度確定。本文結(jié)合船舶操縱特性，從概率論和船舶領(lǐng)域理論兩個角度提出了確定船間間距和船岸間距的方法，從水動力學(xué)角度提出了彎道流致漂移量和船橋間距確定方法。

參考文獻：

[1] 劉明俊，艾萬政，程志友.蘇通大橋橋區(qū)水域船舶通航能力研究[J].船海工程，2006（4）：80-82.

[2] 劉明俊，呂習(xí)道.船舶過彎道所需航寬建模[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2006（1）：178-179.

[3] 莊元，劉祖源.橋墩紊流寬度的試驗研究[J].中國航海，2007（4）：5-9.