闸室有效体积利用率及应用研究

李珊珊，张玮，刘曙明，刘金龙，顾丹平

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098； 2.扬州市航道管理处，江苏 扬州 225003；3.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014）

闸室有效体积利用率及应用研究

李珊珊1，张玮1，刘曙明2，刘金龙3，顾丹平1

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098； 2.扬州市航道管理处，江苏 扬州 225003；3.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014）

提出闸室有效体积利用率的概念，通过理论分析和实例计算，分析了闸室有效体积利用率的特点，探讨提高闸室有效体积利用率的措施。结果表明，闸室有效体积利用率可以更加合理地反映闸室综合利用程度，对于指导船闸运行、提高船闸通过能力具有实用价值。

船闸；有效体积利用率；有效面积利用率；一次过闸总吨位

0 引言

闸室利用率作为船闸运行中利用程度的参数，涉及过闸船舶尺度、闸室规模和船舶标准化程度，也与船舶到达的统计分布及船闸的繁忙程度等有关，反映了航道（段）上的船舶组成结构及船闸运行、调度和管理的现状[1-2]，是计算一次过闸船舶总吨位的关键参数，在船闸通过能力研究中具有重要意义。

王振喜、张玮、廖鹏等学者针对闸室利用率这一参数做了大量研究，取得了一定的成果。文献[3]从过闸船型随机性出发，根据船舶发展预测，首次推荐采用统一的闸室有效面积利用率参数 。 文 献 [4]将 闸 室 有 效 面 积 利 用 率 λA和 过 闸船 舶 吨位与面积的函 数关系 S（g）相结 合，提出更合理有效的一次过闸船舶总吨位计算方法。文献[1] 分析大量实测资料，确定有效面积利用率多年平均范围，可为一次过闸船舶总吨位计算中闸室利用率的取值提供参考。由此可见，目前主要采用闸室有效面积利用率来衡量闸室利用效率。然而，该参数仅考虑闸室平面尺度上的利用情况，没有涉及闸室水深利用程度，存在一定局限性。为此，本文基于闸室有效面积利用率，结合水深利用效率，提出闸室有效体积利用率这一新概念，通过闸室有效体积利用率在计算船闸一次过闸船舶总吨位中的应用，探讨闸室有效体积利用率的实用价值及提高闸室有效体积利用率的策略。

1 闸室有效体积利用率的定义

闸室有效体积利用率定义为：闸室内船舶吃水总体积与闸室有效体积之比。

式中：λV为闸室有效体积利用率；V′为一次过闸船舶吃水总体积；V为闸室有效体积。

船舶吃水总体积为一次过闸所有船舶吃水体积之和。就单艘船舶来说，吃水体积为船舶面积与吃水深度的乘积。由于各过闸船舶吨位、尺度不一，可取过闸船舶加权平均后的虚拟代表船型为研究对象，以方便计算分析，即：

式中：S′为一次过闸船舶总面积；T 为虚拟代表船型吃水深度。

定义闸室水深利用率为过闸船舶吃水深度与闸室槛上水深的比值。

式中：λH为闸室水深利用率； H 为闸室槛上设计水深。

综合式（1）、（2）、（3），可以得到闸室有效体积利用率与闸室有效面积利用率间的关系：

式中：λA为闸室有效面积利用率，λA=S′/S；S为闸室有效面积。

2 有效体积利用率的变化范围

根据现有统计，闸室有效面积利用率通常为0.5～0.8，因此，可取 0.5、0.6、0.7、0.8 为其代表值。考虑到闸室水深利用率与船闸等级、船舶吨位有关，现以天然和渠化河流航道上 I～IV 级船闸及规范给定标准船型[5]为参考，各参数如 表 1 所示。综合公式（3）、（4），计算不同吨位船舶通过不同等级船闸时有效体积利用率，结果见表2。

表1 内河船型吃水及船闸槛上水深Table 1 Design draft and water depth on the threshold for standard vessels in each level

表2 闸室有效体积利用率Table 2 Relative utilization rate of lock chamber area of Waterway in each level for vessels with different tonnage

结果表明：闸室有效体积利用率的变化范围为 0.15～0.51，主要随船闸等级、船舶吨位以及闸室有效面积利用率而变化。

1）船舶吨位和船闸等级一定时，有效面积利用率越大，有效体积利用率越大。如 λA=0.5 时，3 000 吨级船舶通过 I 级船闸的 λV是 0.32，而当λA=0.8 时，其 λV则增为 0.51。

2） 面积利用率一定时，对于某一等级船闸，船舶吨位越接近该船闸等级，闸室有效体积利用率越大，当船舶吨级与船闸等级一致时，闸室有效体积利用率最大。以 λA=0.5 为例，500 吨级船舶通过 I级船闸时，λV仅为 0.15，如船舶增大为 3 000 吨级，与 I级船闸等级一致时，λV增至0.32。

因此，要提高闸室有效体积利用率，应尽量使运行船舶吨位与船闸等级相匹配，大闸走小船实际上是对船闸通过能力的浪费。

3 有效体积利用率的应用

根据一次过闸船舶总吨位计算公式，可得以闸室有效体积利用率为参量的一次过闸总吨位计算公式：

式中：G为一次过闸船舶总吨位；V为闸室有效体积；λV为有效体积利用率； Vd为虚拟代表船型吃水体积；gd为虚拟代表船型吨位。

4 实例分析

4.1 有效体积利用率及一次过闸总吨位

宝应船闸位于盐宝线扬州段上游进口处，2013 年经扩容改造后等级为三级，船闸尺度为180 m × 23 m × 4 m（闸室长 × 口门宽度 × 槛上水深），现计算其闸室有效体积利用率和一次过闸船舶总吨位。

参考内河通航标准船型[5]，可以假定通 过宝应船闸的代表船型尺度，根据江苏多年统计资料，取宝应船闸的闸室有效面积利用率多年平均值为λA=0.55，利用一次过闸总吨位计算公式 （5），可得到不同吨级船舶过闸时闸室有效体积利用率，详见表3。

表3 宝应船闸一次过闸总吨位Table 3 Once lockage gross tonnage for different ships' tonnages through Baoying lock

分析宝应船闸计算结果可以发现，宝应船闸有效体积利用率在 0.18～0.28 之间，闸室利用效率较低。其中，闸室水深利用率低是造成闸室有效体积利用率低的主要原因。国内外现行过闸船舶吃水控制标准规定，最小闸室水深吃水比普遍为1.5～1.6，其中，我国船闸设计规范要求， 门槛水深需大于等于设计最大船舶 （队）满载吃水的 1.6倍，即闸室水深利用率最大仅为 0.625，而宝应船闸的槛上水深比规范深 0.5 m，所以其水深利用率更低，最大仅为 0.50。水深利用率与面积利用率（λA=0.55）相乘，故闸室有效体积利用率最大值仅为 0.28。

由表3还可以看出，在闸室有效面积利用率相同的条件下，随着闸室体积利用率的不同，一次过闸船舶总吨位变化明显。由此可见，利用闸室有效体积利用率这一参数，可以较好地反映闸室利用程度对一次过闸总吨位的影响，进一步印证了公式（5）的合理性。

4.2 提高闸室有效体积利用率的措施

1）提高有效面积利用率

首先，从国家政策上，应加强船舶标准化建设，使过闸船舶平面尺度与闸室的平面尺度相适应，提高船闸利用率及运输效率[6]。然后，针对各船闸特殊情况，在通航船舶条件已知的情况下，研究合理的船舶过闸调配方案，充分发挥船闸的过船能力。

2）提高水深利用率

一方面，对于因船舶吨位较小，通过能力未能充分发挥的中小型船闸，应推进船舶大型化进程，使过闸船舶吨位与船闸等级相匹配，充分利用闸室水深。同时，对于河网地区，还要关注航道网内航道（船闸）等级尽量一致，以使全河网地区水深利用率均达到最高水平。

另一方面，对于船舶吨级与船闸等级均已达到最高标准的大型船闸，可根据我国船闸的实际运行情况，适当放宽吃水比要求。槛上水深一定时，在满足水深安全富裕的条件下，通过控制船舶进闸速度、减少下沉量，可以科学合理地挖掘船闸的富余水深，提高闸室水深利用率。

5 结语

1）闸室有效体积利用率是反映闸室利用程度的关键参数，当过闸船舶与船闸等级一致时体积利用率为最大。

2）船舶吨级与船闸等级不匹配是造成有效体积利用率数值较低的主要原因。提高有效面积利用率和水深利用率，是提高闸室有效体积利用率的两个方面。

3）要提高闸室有效面积利用率，主要应加强船舶标准化建设，并合理调配船舶排挡过闸。要提高闸室水深利用率，主要应推进船舶大型化进程，使过闸船舶与船闸等级相匹配；在河网地区，关键是提高低等级航道的尺度，使航道间等级匹配。对于大型船闸，应科学合理地挖掘船闸的富余水深，提高闸室水深利用率。

[1] 廖鹏，张玮.船闸一次过闸平均吨位计算模型 [J].东南大学学报：自然科学版，2010，40(1):207-212. LIAO Peng,ZHANG Wei.Analytical model for average lockage tonnage of waterway lock[J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition,2010,40(1):207-212.

[2] 廖鹏，张玮，吴玲莉.船闸服务水平与船舶待闸时间[J].中国港湾建设，2014（2）：17-19. LIAO Peng,ZHANG Wei,WU Ling-li.Relationship between level of service and delays at a waterway lock[J].China Harbour Engineering,2014(2):17-19.

[3] 王振喜.关于船闸通过能力计算中若干问题探讨[J].水运工程，1998（6）：19-22. WANG Zhen-xi.Discussion on calculation of lock capacity[J].Port and Waterway Engineering,1998(6):19-22.

[4] 张玮，廖鹏，梁应辰，等.船闸通过能力计算中的若干问题研究 [J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2005，29(5): 681-684. ZHANG Wei,LIAO Peng,LIANG Ying-chen,et al.Discussion on the calculation of lock capacity[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science and Engineering,2005,29(5): 681-684.

[5]GB 50139—2004，内河通航标准[S]. GB 50139—2004,Navigation standard of inland river[S].

[6] 张玮，廖鹏，吴玲莉，等.船闸通过能力主要影响因素[J].交通运输工程学报，2004，4(3):108-110. ZHANG Wei,LIAO Peng,WU Ling-li,et al.Main parameters of waterway lock capacity[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2004,4(3):108-110.

Relative utilization rate of lock chamber volume and its application

LI Shan-shan1,ZHANG Wei1,LIU Shu-ming2,LIU Jin-long3,GU Dan-ping1
（1.College of Harbor Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;2.Yangzhou Waterway Management Department,Yangzhou,Jiangsu 225003,China;3.Mid-South Design&Research Institute, CHECC,Changsha,Hunan 410014,China）

The concept of relative utilization rate of lock chamber volume(RUV)was proposed in this paper.Through the theoretical analysis and practical calculations,we analyzed the characteristics of RUV,and discussed the measures to increase the RUV.The results show that the RUV can more accurately reflect the comprehensive degree of lock chamber,which has practical value for guiding the waterway lock operation and improving the waterway lock capacity.

waterway lock;relative utilization rate of lock chamber volume(RUV);relative utilization rate of lock chamber area(RUA);once lockage gross tonnage

U641.3

：A文献标志码：2095-7874（2014）11-0001-03

10.7640/zggwjs201411001

2014-06-18

江苏省交通运输科技与成果转化计划项目 （2012Y18-2）

李珊珊 （1990 — ），女，山东淄博人，硕士研究生，主要从事港口航道工程研究。E-mail：1032305832@qq.com