天津港北航道通航標準研究

王 軒，周 峰，劉曉強

(1.天津港(集團)有限公司，天津 300461；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

為滿足當前水運貨運量逐步增加以及船舶大型化的需求，港口和航道逐步向深水化、規(guī)模化方向發(fā)展[1-2]。天津港船舶到港的噸級增大趨勢明顯，為滿足北港池與日俱增的通航需求，指揮中心提出了 “先進后出”作業(yè)模式，開展多次實船測試并逐步推廣至通航限制最多的北港池水域，最大限度的加快了船舶周轉。但“先進后出”模式是充分利用主航道的雙向通航條件，通過計算船舶航程時間，讓進出北港池的船舶在水域相對寬闊的主航道末端水域交匯，從而規(guī)避北港池內(nèi)狹小水域的作業(yè)方案，可以一定程度改善北港池現(xiàn)有交通組織的弊病，但并不能徹底摒除因北港池水深不足，部分水域狹小等客觀條件帶來的桎梏，無法充分釋放碼頭生產(chǎn)能力、船舶載運能力和航道通過能力。為改善當前通航條件，減少進出港船舶等待時間，提高通航效率，需要對北航道及其與主航道連接段通航水域這一“咽喉要道”進行拓寬，有效增加進出北港池的可航水域范圍，進一步壓縮進出北港池船舶的等待時間，同時還將增強船舶航行期間的應急處置能力。此外，天津港船舶到港的噸級增大趨勢明顯，到達北港池泊位和東疆港區(qū)集裝箱泊位的通航水域不能滿足20萬t級集裝箱船進出，所以迫切要求將現(xiàn)有北港池通航水域按照20萬t級標準進行提升，天津港北航道示意圖如圖1所示。

圖1 天津港北航道位置及走向示意圖Fig.1 Location and trend of North Channel of Tianjin Port

1 港口概況

1.1 自然條件

天津港是我國北方最大的綜合性外貿(mào)港、國家主樞紐港之一，位于我國環(huán)渤海地區(qū)港口群的中心位置，屬于華北拗陷中的渤海拗陷中心，構造復雜，主要受NNE向斷裂構造控制，呈現(xiàn)出一系列的隆起凹陷。天津港北航道位于天津港北港池，本地區(qū)以堆積地貌為基本特征，海床以黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土、粉砂等細顆粒物質(zhì)為主，主要地貌類型具有明顯的弧形帶分布特點。該海區(qū)常風向為NNW向，次常風向為W向，出現(xiàn)頻率分別為7.91%、7.44%。強風向為E向，次強風向為ENE向。年平均高潮位3.74 m，年平均低潮位1.34 m。本區(qū)常浪向ENE和E，頻率分別為9.68%和9.53%，強浪向ENE，各方向H4%≥1.6 m的波高頻率為5.06%。每年冬季均有不同程度的海冰出現(xiàn)，通常結冰期從12月下旬至翌年2月下旬，總冰期約60 d。

表1 在建及擬建泊位表Tab.1 List of berths under construction and proposed

1.2 港口設施狀況

天津港北港池碼頭泊位位于北疆港區(qū)和東疆港區(qū)之間，北港池內(nèi)現(xiàn)在正在運營的泊位是天津港35-38段、北1-北9段、北13-北14段、北33-北36段以及東1段-東6段共25個泊位，碼頭岸線長度5 529 m，設計通過能力1.021億t，其中，集裝箱設計通過能力890萬TEU，汽車通過能力70萬輛[2]，最大泊位可靠泊20萬t級集裝箱船。為適應港口吞吐量的迅速增長，啟動了北港池海嘉汽車滾裝碼頭、北疆港區(qū)C段智能化集裝箱泊位等工程，在建和擬建的泊位如表1所示。

1.3 航道狀況

天津港所屬港區(qū)現(xiàn)有水陸域面積336 km2，其中陸域面積131 km2，規(guī)劃港口陸域總面積約200 km2。天津港主航道長47.5 km，為30萬t級深水航道，航道水深最深已達-22 m，25 萬t級船舶可以隨時進港，30萬t級船舶可以乘潮進港。北港池通航水域全長約10 km，設計底高程-15.5 m，其中與主航道連接段通航寬度320 m，以北至歐亞國際集裝箱碼頭港池北邊線通航寬度390 m，以北至匯盛碼頭港池通航寬度185 m。僅能夠滿足10萬t級集裝箱船進出港航行的需要，已無法適應北港池快速發(fā)展的需要，所以迫切要求將現(xiàn)有北港池通航水域按照20萬t級標準進行提升[3-8]。

2 港口需求分析

2.1 航道貨運量狀況

北航道占據(jù)天津港航道貨運的重要地位，2020年北港池吞吐量為1.672億t。北航道通航船舶保持在5 000艘次左右，10萬t級以上船舶艘次連年有所增加，通航壓力逐漸增大，對北航道及其與主航道連接段通航水域這一“咽喉要道”進行拓寬，有效增加進出北航道的可航水域范圍，可以保證滿載吃水的20萬t級大型集裝箱船舶在北航道的正常航行、靠離泊、調(diào)頭等作業(yè)，較大提高了天津港船舶航行的級別，充分發(fā)揮新建集裝箱泊位的裝卸效率，大幅度提高集裝箱的吞吐量，增強天津港在國內(nèi)外市場的競爭能力。

2.2 吞吐量預測

2.2.1 預測依據(jù)和采用的預測方法

以2016年—2020年北航道進出船舶艘次和貨物吞吐量作為原始數(shù)據(jù)，綜合類推預測法和專家預測法，采用指數(shù)平滑算法對天津港北航道貨物吞吐量進行預測。

一次指數(shù)平滑法預測模型為

二次指數(shù)平滑法預測模型為

其中

由于天津港集裝箱吞吐量易受季節(jié)影響產(chǎn)生較大的波動，因此取平滑系數(shù)α=0.9。將2016年1月的集裝箱吞吐量記為t=1，計算預測序列S(1)和S(2)。

2.2.2 全港集裝箱吞吐量發(fā)展水平預測

吞吐量預測為天津港北港池所用，主要分析天津港主體港區(qū)吞吐量。由于北航道特殊的地理位置，經(jīng)其到達的碼頭包括東突堤北側、北港池、反“F”型分港池和東疆港區(qū)的碼頭。根據(jù)規(guī)劃，未來上述碼頭通過的主要貨種為集裝箱和其他貨類(除煤炭、礦石、石油等以外的貨類)，2016年—2020年，北航道進出船舶艘次占天津港總進出船舶艘次比例逐年上升，由24.7%上升至43.5%，北航道集裝箱船舶占北港池總船舶艘次比例基本穩(wěn)定在73%左右，北港池進出船舶艘次趨勢見圖2。隨著更多新碼頭建成投產(chǎn)，進出北航道的船舶艘次還將進一步增加，在天津港總體規(guī)劃吞吐量預測結論的基礎上，根據(jù)2016年—2020年北航道進出船舶艘次和貨物吞吐量，采用2.1.1中的指數(shù)平滑算法對天津港北航道貨物吞吐量進行預測，分別對2025年和2030年北航道貨物吞吐量進行預測，結果見表2。目前北航道僅能夠滿足10萬t級集裝箱船進出港航行的需要，根據(jù)預測結果，已無法適應北航道貨物吞吐量快速發(fā)展的需要，所以亟需將現(xiàn)有北通航水域按照更高通航標準(如20萬t級標準)進行提升。

圖2 北航道進出船舶艘次趨勢圖Fig.2 Trend chart of ships entering and leaving the North Harbor Basin

表2 天津港北航道貨物吞吐量預測表Tab.2 Forecast of cargo throughput of North Channel of Tianjin Port

2.3 通航船型分析

對2020年進(或出)北航道船舶進行分噸級船舶艘數(shù)和密度統(tǒng)計，天津港北航道有487艘次10萬t級以上船舶靠泊作業(yè)。根據(jù)天津港集裝箱吞吐量發(fā)展情況、港口發(fā)展規(guī)劃及世界集裝箱船舶發(fā)展趨勢，預測天津港北航道進出港集裝箱船船型：遠洋航線為5 000～24 000 TEU；近洋航線為2 000～10 000 TEU；國內(nèi)沿海航線為1 000～10 000 TEU；支線為100～1 200 TEU。

3 設計通航標準

3.1 通航標準及規(guī)模

3.1.1 航道通過能力

對航道的通過能力進行計算以驗證提升效果[9-11]，航道雙線航道的年通過能力按下式計算

M=2×t×V×ρ×Ty/D

(1)

式中：M為雙線航道的年通過能力，艘；V為船舶在航道中航行的平均速度，取8 kn；Ty為航道年工作天數(shù)，取350 d；ρ為航道利用率，取0.5；D為平均每艘船航行占用航道的長度，取為7倍平均船長；t為航道日通航時間，取19 h。

經(jīng)計算，10萬t級集裝箱船雙線航道的年通過能力為40 679艘次，對比2020年進(出)北航道船舶 4 986艘次，其中10萬t級以上船舶721艘次，滿足北航道船舶的通航要求。

3.1.2 航道建設規(guī)模

根據(jù)港口需求和規(guī)劃、通航船型預測等[3-4]，天津港北航道按照20萬t級集裝箱船單線航行兼顧10萬t級集裝箱船雙線航行進行設計。航道總長7 116.8 m，20萬t級集裝箱船單線航道設計底高程為-18.0 m，通航寬度280 m；10萬t級集裝箱船雙線航道設計底高程為-15.5 m，通航寬度420 m。

3.2 航道尺度

3.2.1 航道軸線

由于本設計屬于北航道通航水域的改造提升工程，天津港現(xiàn)有北航道通航水域通航多年、效果良好，從而驗證了現(xiàn)有航道通航水域軸線的合理性。同時受港池水域限制，為此航道軸線方位設計與原港池通航水域方位幾乎相同，僅在該基礎上進行拓寬、加深。

(1)與主航道相接的轉彎段：當轉向角不大于30°時，加寬方式宜采用切角法[12]。為此20萬t級集裝箱船單線航道采用切角法進行加寬。而10萬t級集裝箱船雙線航道的西邊線離東疆的海監(jiān)基地碼頭較近，若采用切角法，則航道開挖會對碼頭結構穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此采用折線切割法進行加寬。轉彎半徑均為3 000 m(為10萬t級集裝箱船設計船長的8.7倍、20萬t級集裝箱船的7.5倍)，滿足規(guī)范(3～5)船體長度的要求。

(2)與北航道相接的轉彎段：當轉向角大于30°時，加寬方式可采用折線切割法[12]。10萬t級雙線航道與20萬t級單線航道均采用該方法。轉彎半徑均取為3 000 m(10萬t級集裝箱船設計船長的8.7倍、20萬t級集裝箱船的7.5倍)，滿足規(guī)范(5～10)船體長度的要求。

3.2.2 航道設計水深

航道設計最高通航水位是航道規(guī)劃建設和跨河建筑物設計的重要參考依據(jù)，航道條件、設計船型尺寸及泥沙等都會對其產(chǎn)生影響[13-15]，航道水深按照下式計算

D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3

(2)

D=D0+Z4

(3)

表3 航道水深計算表Tab.3 Channel depth calculation

式中：D為航道設計水深；D0為航道通航水深；T為設計船型滿載吃水；Z0為船舶航行時船體下沉值；Z1為航行時龍骨下最小富裕深度；Z2為波浪富裕深度，由于船舶進港允許橫風風速小于等于7級，港池內(nèi)掩護較好，波浪基本為港區(qū)內(nèi)小風區(qū)生成的風浪，根據(jù)推算的波浪情況，H4%取1.3 m，Z2=0.5×1.3=0.65 m；Z3為船舶裝載縱傾富裕深度；Z4為備淤深度，港池內(nèi)掩護條件好，無泥沙來源，取0.4 m。計算結果見表3。

根據(jù)表3，10萬t級航道設計底高程取-15.5 m，20萬t級航道設計底高程取-18.0 m。則10萬t級航道通航底面高程為-15.1 m，20萬t級航道通航底面高程為-17.6 m。

3.2.3 航道有效寬度

航道寬度按照下式計算[6]

W=2A+b+2c(雙線航道)

(4)

W=A+2c(單線航道)

(5)

A=n(Lsinγ+B)

(6)

式中：W為航道通航寬度；A為航跡帶寬度；n為船舶漂移倍數(shù)；γ為風、流壓偏角；c為船舶與航道底邊線間的富裕寬度。

計算得到10萬t級雙線航道通航寬度取為420 m，20萬t級單線航道通航寬度取為280 m。

3.2.4 航道歷時

航道長度 7 116.8 m，按平均航速 8 節(jié)計，航行時間約為 0.48 h，則每潮次船舶進出港所需時間按下式計算。

ts=Ks(t1+t2+t3)

(7)

式中：ts為每潮次船舶乘潮進出港所需持續(xù)時間；Ks為時間富裕系數(shù)；t1為每潮次船舶通過航道時間；t2為船舶在港內(nèi)調(diào)頭時間；t3為靠離泊碼頭和解系纜時間；計算得到ts=1.63 h。

4 結論

隨著天津港深水航道和大型泊位建設的需求，近年來天津港北航道船舶大型化趨勢明顯，本文綜合分析北港池港口現(xiàn)狀及通航需求，提出了北航道設計通航標準，主要結論包括：

(1)北航道建設標準為：按照 20萬t級集裝箱船單線航行兼顧 10萬t級集裝箱船雙線航行進行設計。航道總長 7 116.8 m，20萬t級集裝箱船單線航道通航寬度 280 m；10萬t級集裝箱船雙線航道通航寬度 420 m。

(2)北航道區(qū)域疏浚提升完成后，滿足20萬t級集裝箱船全天候進出港要求，共耗時1.6 h左右。

(3)北航道經(jīng)過疏浚提升后，10萬t級集裝箱船雙線航道的年通過能力為40 679艘次，可以滿足北航道船舶的通航要求。