黃驊港煤炭港區(qū)超限船舶對航道通航效率的影響

丁文濤，薛天寒，左天立，查雅平

(交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100028)

黃驊港煤炭港區(qū)是我國重要的能源運(yùn)輸樞紐和“北煤南運(yùn)”第二通道的主要出?？?，年煤炭運(yùn)輸量超過2億t，對保障我國能源安全和煤炭運(yùn)輸通暢的意義重大。作為在粉砂質(zhì)海岸上通過大規(guī)模疏浚、吹填建設(shè)的港口，煤炭港區(qū)進(jìn)港航道狹長，總里程超過40 km，航道擴(kuò)建和維護(hù)成本較大，通航環(huán)境復(fù)雜，通過能力有限。

人工長航道的通過能力和通航效率受船舶進(jìn)出港管理規(guī)則的影響較大。目前，煤炭港區(qū)進(jìn)港航道以煤炭船舶通航為主。地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提出通航LNG(液化天然氣)、低溫液化烴等船舶的需求，此類船舶進(jìn)出港通航管制嚴(yán)格[1]，超出了煤炭船舶的管理標(biāo)準(zhǔn)，難以與煤炭船舶統(tǒng)一編組，對煤炭船舶進(jìn)出港調(diào)度和效率產(chǎn)生影響，因此本文概括為超限船舶。

針對船舶通航規(guī)則和航道通航效率，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，LNG船舶、超大型船舶等管制規(guī)則特殊的船舶是通航效率影響研究的重點(diǎn)。沈忱等[2]針對曹妃甸LNG碼頭建設(shè)規(guī)模和通航效率適應(yīng)性開展了仿真研究；史殿中[3]基于仿真技術(shù)對超大型船舶通航對航道通過能力影響進(jìn)行了定性和定量分析；周偉等[4]對長江口深水航道大型船舶進(jìn)出港過程進(jìn)行仿真，分析不同交會寬度限制對船舶通航的影響；唐穎等[5]基于航道管制規(guī)則等影響因素對廣州港深水航道船舶進(jìn)出港全過程進(jìn)行仿真分析。

國內(nèi)外人工長航道條件下通航一定規(guī)模超限船舶的情況相對較少。為了論證超限船舶對煤炭港區(qū)航道通航效率的影響，保障煤炭船舶下水能力，本文基于多智能體仿真建模方法，進(jìn)行煤炭港區(qū)船舶進(jìn)出港全過程仿真模擬，定量分析不同吞吐量規(guī)模、不同航道條件和不同管制規(guī)則對超限船舶的航道通航效率的影響，為煤炭港區(qū)規(guī)劃建設(shè)和航道管理提供參考。

1 煤炭港區(qū)通航環(huán)境

1.1 進(jìn)港航道現(xiàn)狀

目前煤炭港區(qū)航道底高程-14.0 m，可滿足5萬噸級散貨船全天候、7萬及10萬噸級散貨船舶乘潮進(jìn)出港要求，航道有效寬度270 m。口門段航道底高程-15.0 m，有效寬度290 m。

雙向通航規(guī)定方面，現(xiàn)狀航道實(shí)行有條件的雙向通航，其中口門段只允許單向通航，其余航段滿足3.5萬噸級及以下散貨船、5萬與2萬噸級散貨船雙向通航要求。由于到港船舶5萬及以上噸級的比例較大，2018年已經(jīng)達(dá)到65%以上，航道基本以單向通航為主。煤炭港區(qū)進(jìn)港航道見圖1。除現(xiàn)狀外，研究中增加考慮5萬噸級有條件雙向通航的航道段放寬為5萬噸級及以下散貨船雙向通航，口門處繼續(xù)維持單向通航。

圖1 煤炭港區(qū)進(jìn)港航道

1.2 超限船舶通航管制

超限船舶通航規(guī)則比普通貨船嚴(yán)格，如LNG船舶通航須設(shè)置移動安全區(qū)，在航道內(nèi)航行的或需要穿越航道航行的船舶(除護(hù)航、警戒船舶外)應(yīng)保持在移動安全區(qū)外。低溫液化烴船舶由于與LNG船舶類似，經(jīng)常比照LNG船舶進(jìn)行管理。對于煤炭港區(qū)人工長航道，超限船舶主要的通航管制措施如下：

1)嚴(yán)格單向通航。進(jìn)出港全過程中，不允許與其他船舶發(fā)生交會，實(shí)行嚴(yán)格的單向通航。

2)加大安全間距。煤炭船舶前后安全間距在1.5 n mile以上，超限船舶由于具有一定的危險(xiǎn)性，與前后船舶的安全間距大于煤炭船舶。

3)禁止夜航。參考大部分港口對危險(xiǎn)品船舶進(jìn)出港的管理，禁止超限船舶夜航。

2 通航效率影響評價(jià)方法

2.1 仿真模型

航道通航效率關(guān)系到港口系統(tǒng)運(yùn)營[6]，超限船舶產(chǎn)生的通航效率影響屬于復(fù)雜系統(tǒng)的適應(yīng)性問題。本文采用多智能體仿真方法，將港口系統(tǒng)概化為船舶-航道-泊位三者交互的仿真模型，模擬煤炭港區(qū)船舶進(jìn)出港、作業(yè)及靠離泊全過程，進(jìn)而分析超限船舶進(jìn)出港產(chǎn)生的通航效率影響。模型邏輯見圖2。

圖2 船舶-航道-泊位仿真模型邏輯

根據(jù)煤炭港區(qū)船舶作業(yè)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。對2017年煤炭港區(qū)船舶到港時間分布進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)船舶到港時間間隔服從負(fù)指數(shù)分布，擬合參數(shù)R2為0.99，故模型按照負(fù)指數(shù)分布規(guī)律生成船舶。

超限船舶到港規(guī)律無歷史數(shù)據(jù)參考，綜合考慮后方產(chǎn)業(yè)需求的均衡性和區(qū)域冬季用氣高峰影響，按照均勻分布規(guī)律生成，設(shè)置其中4個月為超限船舶到港高峰期，到港船舶占全年的50%。

2.2 工況設(shè)置

2.2.1仿真工況

基于煤炭港區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)運(yùn)營現(xiàn)狀，結(jié)合港區(qū)建設(shè)規(guī)劃和吞吐量增長，設(shè)置6種工況，重點(diǎn)分析不同航道條件、不同到港船舶流量和超限船舶不同管制規(guī)則對超限船舶通航的影響。煤炭泊位個數(shù)按照黃驊港煤五期工程實(shí)施后進(jìn)行考慮，航道條件考慮現(xiàn)狀有條件的雙向通航和放開5萬噸級船舶雙向兩種，船舶流量按照吞吐量2.5億和3.0億t兩種進(jìn)行設(shè)置，超限船舶管制規(guī)則考慮前后安全距離為3 n mile和5 n mile兩種。為與有超限船舶的工況進(jìn)行對比，工況6設(shè)置為無超限船舶的情況。仿真工況設(shè)置見表1。

表1 仿真工況設(shè)置

2.2.2船型設(shè)置

煤炭港區(qū)到港船舶大部分都是煤炭船舶，分析煤炭港區(qū)歷年到港煤炭船舶結(jié)構(gòu)變化，結(jié)合船舶大型化發(fā)展趨勢，分別預(yù)測煤炭吞吐量2.5億和3.0億t條件下的到港船舶流量見表2。煤炭港區(qū)其他貨種船舶較少，根據(jù)規(guī)劃吞吐量和碼頭等級進(jìn)行設(shè)定。

表2 煤炭船型結(jié)構(gòu)預(yù)測

2.3 評價(jià)指標(biāo)

從船舶等待航道時間、延誤船舶數(shù)量、船舶延誤時間和煤炭吞吐量4個角度評價(jià)超限船舶對航道通航效率的影響。

1)船舶等待航道時間：船舶指定泊位后，等待航道滿足進(jìn)出港條件需要的時間，包括進(jìn)港等待航道時間和出港等待航道時間。

2)延誤船舶數(shù)量：包括全年延誤船舶數(shù)量和單船延誤數(shù)量，以在超限船舶進(jìn)出港和靠離泊期間因超限船舶而導(dǎo)致不滿足進(jìn)出港航行條件為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單船延誤數(shù)量是全年延誤船舶數(shù)量與到港超限船舶數(shù)量的比值。

3)船舶延誤時間：受超限船舶通航影響，延誤船舶的平均延誤時間。包括直接延誤時間，(以因超限船舶通航直接導(dǎo)致不滿足進(jìn)出港航行條件為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì))和全部延誤時間(以最終進(jìn)出港時間與首次因超限船舶不滿足進(jìn)出港航行條件的時間之差進(jìn)行計(jì)算)。

4)吞吐量：煤炭港區(qū)全年完成裝卸作業(yè)船舶的裝卸貨物總質(zhì)量。

3 通航效率影響結(jié)果分析

3.1 等待航道時間

統(tǒng)計(jì)各工況船舶等待航道時間見圖3，可知煤炭港區(qū)航道資源較為緊張，進(jìn)港等待航道時間在9 h以上，隨著到港船舶數(shù)量增加，船舶等待航道時間總體呈現(xiàn)增長趨勢。航道條件提高至5萬噸級完全雙向，對減少等待航道時間有一定作用，工況4、5比工況3進(jìn)港等待航道時間分別減少了0.8、0.7 h。對比工況1和2，超限船舶從40艘次增加到70艘次，進(jìn)出港等待航道時間均增加0.1 h，對比工況5和6，沒有超限船舶比超限船舶70艘次情況下，進(jìn)港等待航道時間減少0.4 h，出港減少0.1 h。分析認(rèn)為超限船舶通航對航道整體服務(wù)水平產(chǎn)生一定影響。

圖3 船舶等待航道時間

3.2 延誤船舶數(shù)量

統(tǒng)計(jì)受超限船舶影響延誤船舶數(shù)量見圖4。根據(jù)仿真結(jié)果，超限船舶在40艘次時，單船造成的延誤船舶為1.6艘次，超限船舶達(dá)到70艘次后的工況2～5單船造成的延誤船舶均超過2.4艘次，在2.4～3.6艘次之間。分析認(rèn)為，隨著到港超限船舶數(shù)量增加，延誤船舶數(shù)量迅速增加，從工況1到工況2，超限船舶增加了0.75倍，其他條件不變，但延誤船舶數(shù)量增加了1.63倍；到港船舶總數(shù)會正向影響延誤船舶數(shù)量，對比工況2和3，超限船舶數(shù)量維持70艘次不變，其他船舶數(shù)量增加，延誤船舶也增加了21艘次，說明船舶流量越大，超限船舶造成的延誤船舶數(shù)量也會增長；高峰期超限船舶影響進(jìn)一步加劇，工況2～5的高峰期延誤船舶數(shù)量占全年比例均在50%以上。

圖4 受超限船舶影響延誤船舶數(shù)量

對比工況4和5，發(fā)現(xiàn)超限船舶前后安全距離從3 n mile提高至5 n mile后，延誤船舶數(shù)量迅速增加，增加了0.47倍，超限船舶單船延誤數(shù)量從2.4艘次增加到3.6艘次，受到影響的船舶范圍明顯變大。

3.3 船舶延誤時間

直接延誤時間能夠反映受延誤船舶的直接影響程度，全部延誤時間反映受延誤船舶的總體進(jìn)出港等待時間。各工況受超限船舶影響直接延誤時間之和見圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著超限船舶數(shù)量增加，受影響的船舶平均延誤時間也出現(xiàn)增長，對比工況1和2，超限船舶增加了0.75倍，但延誤時間之和增加了1.45倍。

分析超限船舶單艘造成的延誤時間可知，超限船舶增加后，單船影響強(qiáng)度也在增加。超限船舶40艘次時單船造成的延誤時間為0.84 h，超限船舶達(dá)到70艘次后的工況2～5單船延誤時間均超過1 h，在1.18～1.93 h。

圖5 受超限船舶影響船舶延誤時間

對比工況4和5發(fā)現(xiàn)，船舶延誤時間迅速提高，與延誤船舶變化趨勢一致，超限船舶單船造成的延誤時間從1.18 h以內(nèi)增加到1.93 h，超限船舶增加后造成的影響強(qiáng)度也迅速提高。

延誤船舶的平均和同異向延誤時間見表3。分析可知，超限船舶前后安全距離加大后，船舶平均延誤時間隨之增加，工況5已增加至6.65 h。與超限船舶異向的船舶延誤時間明顯大于同向，異向延誤時間基本在6.5 h以上，同向延誤時間均在4 h以內(nèi)。

表3 延誤船舶平均和同異向延誤時間

3.4 吞吐量

工況5超限船舶管制更為嚴(yán)格，延誤船舶數(shù)量和船舶延誤時間都比其他工況大，以工況5為例統(tǒng)計(jì)各月份港區(qū)吞吐量變化見圖6。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，工況5超限船舶到港高峰期的平均吞吐量比其他時間吞吐量低近180萬t月。

分析認(rèn)為，超限船舶對航道通航效率的影響會進(jìn)一步反映在泊位作業(yè)上，加大泊位作業(yè)的不平衡性。超限船舶到港高峰期全港吞吐量比無超限船舶或者船舶較少時普遍偏低。工況2～5的超限船舶均為70艘次，雖然航道條件和其他貨類吞吐量設(shè)定存在不同，但是超限船舶到港高峰期的平均吞吐量比其他時間低98～176萬t月。

圖6 工況5各月份吞吐量變化

對比工況5和6，無超限船舶情況全年完成的吞吐量比超限船舶70艘次情況下完成的除超限船舶運(yùn)輸貨類外的其他貨類吞吐量多425萬t。

4 結(jié)論

1)煤炭港區(qū)現(xiàn)狀航道資源十分緊張，通過能力有限。工況1～3船舶進(jìn)港平均等待航道時間都超過9 h，航道資源較為緊張，航道服務(wù)水平較低。同時由于人工長航道的現(xiàn)狀，加之雙向通航存在限制，航道通過能力十分有限。

2)超限船舶進(jìn)出港將對航道通航效率產(chǎn)生明顯影響。超限船舶在達(dá)到70艘次時，單船造成延誤船舶超過2.4艘次，高峰期影響進(jìn)一步加劇，占全年比例均在50%以上。延誤船舶的平均延誤時間集中在5.8～7.0 h，異向延誤時間更長。

3)超限船舶管制規(guī)則關(guān)系通航效率影響程度，超限船舶前后安全距離從3 n mile提高至5 n mile后，延誤船舶增加了0.47倍，超限船舶單船造成的延誤時間從1.18 h以內(nèi)增加到1.93 h。

4)超限船舶通航規(guī)則不同于航道中大部分船舶，會對航道通航效率產(chǎn)生明顯影響，建議煤炭港區(qū)控制超限船舶流量，保障國家煤炭運(yùn)輸通道的通暢。