长沙枢纽船闸运行初期的通过能力研究

蒋明锋，张 明，廖 鹏，冯小香，普晓刚

（1.长沙市湘江综合枢纽开发有限责任公司，长沙410200；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；3.东南大学交通学院，南京210096）

长沙枢纽船闸运行初期的通过能力研究

蒋明锋1，张 明2，廖 鹏3，冯小香2，普晓刚2

（1.长沙市湘江综合枢纽开发有限责任公司，长沙410200；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；3.东南大学交通学院，南京210096）

长沙枢纽为湘江航运的咽喉，交通繁忙，船闸运行压力大。通过分析湘江长沙枢纽河段通航环境，根据船闸调度方案，建立了船舶过闸交通仿真模型，模拟分析了在不同工况、不同调度方案组合情况下长沙枢纽双线船闸近期的运行状态及通过能力。

通过能力;船闸;交通仿真;长沙枢纽

近年来，随着内河航运的发展，船闸堵船滞航现象日渐增多［1］，引起了社会各界的广泛关注。长沙枢纽位于湘江航运的咽喉，交通繁忙，日过往船舶流量大，且由于船型复杂，多数为运砂船，船型庞大，一定程度上降低了船闸的实际通过能力，增大了船闸运行初期的交通压力。为研究长沙枢纽船闸运行初期的通过能力，本文在对长沙枢纽河段交通流特性分析的基础上，根据船闸调度方案，建立船舶过闸交通仿真模型，对近期现有船型情况下，船闸在不同调度方案、不同运行状态下的通过能力进行了分析，并研究了现状情况下长沙枢纽船闸的最大通过能力，为管理部门的决策提供参考依据。

1 长沙枢纽河段交通流特点

1.1 枢纽概况

长沙枢纽是湘江干流八级开发规划中的最下游的梯级，坝址位于长沙市望城县境内的蔡家洲河段，在长沙市城区下游约20 km，上距株洲航电枢纽135 km，下距城陵矶146 km。枢纽于2009年9月开工，2012年9月实现双线船闸通航，2012年10月进行三期导流，计划于2015年完工。

长沙枢纽是一座以改善航运和改善长株潭三市滨水环境为主，兼有供水、发电、城市交通和发展水上旅游等综合效益的枢纽工程。枢纽同步建设了双线2 000 t级船闸，闸室有效尺度280 m×34 m×4.5 m，设计船型为一顶2艘2 000 t级驳船队，一顶4艘1 000 t级驳船队，2个船闸设计年单向通过能力共计为4 900万t。

长沙枢纽正常蓄水位为29.7 m，三期围堰期间上游最低通航水位为24.0 m，满足1000 t级船舶通航标准要求。根据相关设计文件，常水头3.68m时，船闸充水时间为5.6min，船闸泄水时间为5.5min；最大水头7.8 m时，船闸充水时间为7.25min，泄水时间为7.5min。正常运行时，闸门的开启时间为4.5 min。

1.2 湘江货运量特点

随着湘江干流航道等级的提高与湖南省经济的发展，湘江货运量快速增长，2000～2008年，湘江水路货运量由2 003万t增长到10 205万t，年均增长22.6%。目前，湘江水运运量呈现以下特点［2］：

（1）湘江主要以大宗干散货为主体，砂石等矿建材料占有相当大的比重。2008年，湘江主要货种是煤炭、矿建材料、砂石、散水泥、散化肥及化肥等大宗干散货，运量8 726万t，其中矿建材料7 569万t，分别占货运总量及大宗干散货的比重的74.2%和86.7%。

（2）集装箱运输成为新的增长点。湖南省水运集装箱始于1993年，2000年水运完成1.5万TEU，其中湘江完成1.3万TEU；2008年全省水运14.18万TEU，湘江完成13.94万TEU，年均增长32.1%。目前湖南省集装箱航线以到上海的内支线为主，少数为通过武汉港中转至上海的内支线。2012年，集装箱船舶每日通过长沙枢纽断面的时间较为固定，一般早出晚进各有一次，船舶数量一般为5～6艘。

（3）湘江货运量主要集中在株洲枢纽下游河段，尤其是在长沙岳阳两港。2008年，株洲下游湘潭、长沙、岳阳三市的货运量为8 514万t，占湘江货运量的80%以上，其中长沙、岳阳两市为7 699万t，占湘江货运量的75.4%。

1.3 湘江船型特点

2012年5 月，对长沙枢纽河段进行的调研表明［3］，湘江下游主流船舶主要为30～50 m和50～90 m，以1 000 t级船舶为主。根据2012年5月23日～26日的观测结果，平均每日经过长沙枢纽断面的船舶为178艘次，过往船舶中1 000 t级的占46.3%，1 000 t级以上的占14.7%。过往船型中以自卸式运砂船为主，占47.15%。根据Google earth卫星影像量测，运砂船长度一般分为50～56m、60～65m两类，前方自卸式装置为25～30 m。

需要指出的是，2012年5月由于长沙市进行湘江采砂的综合整治，运砂船的过往数量比整治前有所减小，如2011年3月12日8∶30～17∶30，统计经过长沙枢纽坝址断面的船舶数量达347艘，其中自卸式运砂船占到了70%。

2 过闸交通组织模型的构建

2.1 船闸通过能力影响因素分析

船闸通过能力的影响因素较多，在实际运行中，主要与船闸运行的时间、船舶到达规律、船闸排挡方案、运量不均衡系数及装载系数等有关。

（1）船闸运行的时间。

根据三峡船闸的实际运行经验［4-5］，在船闸运行初期，由于设备故障较多，且船长对于船闸需要一个逐渐适应的过程，在船闸运行的初期，船闸每日可服务时间相对较短，而一次过闸时间却相对较长；之后，船闸每日可服务时间和一次过闸时间会逐渐达到甚至超过设计值。

为了研究不同过闸时间参数对长沙枢纽双线船闸通过能力的影响，根据初步设计文件、有关技术支持报告及同类船闸运行的实际经验，设计了两种工况（表1）。工况1、工况2分别为运行初期开始及逐步运行一段时间后设计水平下船闸的运行情况。一次过闸平均时间计算时考虑一次过闸7条船舶，船闸单向运行与双向运行次数的比例为1：4。

表1 一次过闸平均时间参数Tab.1 Average time parameter of ship lock operation

（2）船舶到达规律。

船舶到达规律包括船舶小时到达数量和船型分布两个方面。船舶到达数量分布一般为随机性事件，由于长沙枢纽船闸缺少相应资料，根据经验假定到闸船舶数量服从泊松分布。由长沙枢纽船闸实际调研资料可知，泊松分布的期望λ=178；其船型分布情况，主要由调研资料确定，并适当考虑了运砂船较多的实际情况（表2）。

（3）船闸排挡方案。

表2 近期过闸船舶（代表船型）交通特性统计表Tab.2 Statistical table of traffic characteristics for passing ships in recent time

根据各货类船舶运输特点，并考虑湘江企业的实际需求，为研究不同船闸排挡方案下船闸的通过能力，设计了3组排挡仿真实验方案。

方案一：①船舶过闸优先级按下列次序：危险品船＞公务船＞客船和载运鲜活货的客船＞集装箱运输船舶＞货船等，其中危险品船包括运输烟花爆竹的船舶与液化气体船（如油船）两大类，公务船指担任特殊任务的警卫船、军事运输船等；②危险品船舶安排专闸通过；③同一优先级船舶采用先到先过的原则。

方案二：在调度方案一的基础上，针对同一优先级别的船舶，排档时小船协同大船，以闸室利用率最大为目标，形成过闸队列。

方案三：为应急调度预案，即当船闸可能出现或已经出现大量船舶积压时，在调度方案二的基础上，将易燃易爆危险品船不再优先并安排专闸通过，而是安排集中通过，即在锚地待闸的危险品船舶数量满足一定条件时才允许过闸，但同样不同类型的危险品船不能同一闸通过。调度时允许过闸的条件是闸室利用率大于0.50，以提高船闸的利用率。

（4）运量不均衡系数及装载系数。

根据长沙枢纽工程初设文件，该船闸的运量不均衡系数为1.3，装载系数为0.7。

2.2 仿真模型设计

采用Arena仿真软件，根据船闸排挡方案建立了双线船闸的船舶过闸交通组织模型［6-7］，其中船闸排挡算法是模型的关键，模型中采用的是可排点概念进行船舶的排挡，图1和图2分别为船舶过闸流程图和船闸排挡算法流程图。

图1 船舶过闸流程图Fig.1 Ship-crossing flowchart

图2 船闸排档算法流程Fig.2 Ship lock schedule algorithm flowchart

3 结果与分析

由仿真模型多次运算，统计了近期船闸运行一个月的指标情况（表3）。当过闸交通量λ=178艘/d即λ=3.7艘/h时，相当于年单向过闸运量1 900万t，工况1条件下，调度方案一对应的日平均过闸14.4闸次，闸室利用率平均为0.48，上游和下游锚地平均延误船舶量分别为3.5艘和3.1艘。工况2条件下，调度方案一对应的日平均过闸16.6闸次，闸室利用率平均为0.46，下游和上游锚地平均延误船舶量均为0.6艘。表明，在船闸运行初期交通需求量较小时，到闸船舶基本可以随到随走，船闸的运行状态较优。

表3 近期船闸运行一个月的指标统计表Tab.3 Statistical table of operation indexes in the firstmonth navigation

相同调度方案下，工况2的平均日过闸次数和通过能力均较工况1大，而且相应的交通运行状态较工况1优，显然，提高一次过闸时间，增加船闸日过闸次数，是提高船闸通过能力的重要途径。

相同工况条件下，对于调度方案一、调度方案二和调度方案三，当过闸交通需求量较大时，它们对应的通过能力依次增加，而过闸交通需求量较小时，3个调度方案所反映出来的船闸运行指标是基本一致的。这主要是因为交通需求量较小时，由于到达船舶的随机性，为兼顾船闸运行成本和船舶延误时间，闸室利用率并不能得到显著提高，而且可能还会大大增加个别船闸的延误，如调度方案三中油船的日到船量仅为3艘，先期到达的油船要延误好几天才能等到足够的同类船舶一起过闸（要求闸室利用率大于0.5）；而交通需求量较大时，往往是锚地有大量的船舶等待过闸，这时可充分提高船闸的闸室利用率。

考虑排队系统的最大容量，仿真计算了工况1和工况2条件下各调度方案的日最大过船量（表4）。以工况1条件时调度方案三为例，当日过闸需求量或船舶流量小于215艘/d时，船闸运行状况较优，不会出现大量的船舶积压，当船舶流量大于215艘/d时，船闸将会出现大量的船舶积压。

表4 近期船闸的最大日过船量（艘/d）Tab.4 Themaximum lock capacity in recent time

4 结论与建议

（1）长沙枢纽船闸交通流量大，在运行初期由于一次过闸时间较长，船闸设备故障等原因，抗风险能力相对较低。为防范可能出现的交通拥堵，建议加强坝区船舶航行交通管制，制定有关通航应急预案，建立相应预警机制。

（2）运砂船的船型庞大，进出船闸也有一定危险，为保证船闸运行安全，提高船闸通过能力，应推进对现有运砂船的改造，并进一步促进湘江航运船舶的大型化及标准化；同时做好船闸排挡工作，增加每闸次的过船量，提高船闸闸室利用率。

（3）船舶良好过闸秩序的形成、及船闸通过能力最大化的实现与船舶航行及船闸的调度管理息息相关，为提升长沙枢纽双线船闸通过能力，必须建立高效的船舶监管及过闸调度机制，因此，必须实现湘江航运管理的信息化，以保障湘江黄金水道建设的顺利推进。

［1］张明,李民,冯小香.长洲枢纽双线船闸堵船原因分析及对策［J］.水道港口,2012,33（2）:142-146. ZHANG M，LIM，FENG 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］湖南省交通规划勘察设计院,湖南省水利水电勘测设计研究院.湘江长沙综合枢纽工程初步设计［R］.长沙：湖南省交通规划勘察设计院,2009.

［3］张明.湘江长沙综合枢纽工程船闸交通组织研究［R］.天津:交通运输部天津水运工程科学研究所,2012.

［4］高雄.三峡船闸试通航半年简析［J］.水运工程,2004（5）:64-68. GAO X.SIX Months′Trial Navigation of Three Gorges Ship Lock［J］.Port&Waterway Engineering,2004（5）:64-68.

［5］宋维邦.三峡双线五级船闸通过能力分析［J］.中国三峡建设,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］朱顺应,朱凯,王丽铮.基于Arena的三峡枢纽运输系统仿真模型［J］.水运工程,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］商剑平,吴澎,唐颖.基于计算机仿真的船闸联合调度方案研究［J］.水运工程,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.

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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

湘江长沙综合枢纽公司项目（CSSN-服务-38-03）：湘江长沙综合枢纽工程船闸交通组织研究

蒋明锋（1982-），男，广西桂林人，工程师，主要从事港口与航道工程的设计与管理工作。

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