长江口航道通过能力的评价与预测研究

杨兴晏，胡世津，孙景龙（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）



长江口航道通过能力的评价与预测研究

杨兴晏，胡世津，孙景龙
（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

摘要：针对长江口现有航道条件建立了计算机仿真模型并结合2014年的统计数据以及规划预测的船舶条件进行了多方案的仿真模型试验。利用航道利用率及船舶平均等航道时间两项技术指标对多方案试验结果进行了比较分析，评价了长江口航道的运行现状并对现有航道的通过能力问题进行了预测研究。

关键词：仿真模型；航道通过能力；航道利用率；船舶平均等航道时间；评价与预测

引 言

长江口河段上起徐六泾，下迄入海口，是长江的入海通道和咽喉，战略地位十分重要。从长江口河势（图1）可以看出长江口是一个“三级分汊、四口入海”的大型复杂河口。虽然名义上有 4个入海口，但因受通航条件限制，目前进江入海的货船主要还是通过北槽和南槽航道。

随着长江流域经济的进一步发展，特别是深水航道进一步向上游延伸到南京，长江口航道的货运量将会有很大的增长、入江大船的数量也会大幅地增加。在现有航道条件下，随着海运需求的持续增长，长江口航道的通航状况将会发生怎样的变化，能否满足规划的运量需求是长江口航道管理部门及有关领导十分关心的一个问题。针对长江口现有航道条件建立了计算机仿真模型并结合2014年的统计数据以及规划预测的船舶条件进行了多方案的仿真模型试验。对长江口航道的运行现状及航道的通过能力进行了评价与预测研究，为有关领导部门提供更加科学的决策依据。

图1 长江口河势

1 仿真模型

由船和航道构成的系统是典型的随机服务系统，系统模型中应包括 “服务窗口”即航道条件；“顾客”即到港船舶；“服务规则”即海事部门为保证航行安全所制订的管理办法以及“窗口的开放时间”即航道运营时间；最后是评价指标即用于评价航道服务水平的技术指标。

1.1 航道条件

深水航道（以圆圆沙警戒区分界下游为北槽，上游为南港段），水深12.5 m能够满足5万t级集装箱船（实载吃水11.5 m）全潮、5万t级散货船满载乘潮双向通航，兼顾10万t级集装箱船舶和10万t级满载散货船及20万t级散货船减载乘潮通航。深水航道的宽度350～400 m，属于有条件双向航道。

南槽航道，位于北槽航道的南侧，航道上段自然水深可达10.0 m；下段受拦门沙浅滩影响，水深仅5.5 m左右，是来往南方沿海的较小船舶和吃水较浅的空载大型船舶进出长江口的主要航道，主要通航万吨级以下船舶。因其水面宽度非常宽，经与有关专家讨论，认为将南槽航道假设为“双向 4车道”更为合适。

长江口航道南港段，南港段的航道比较复杂，除了深水航道之外，在深水航道的北、南两侧分别是小船进港和出港航道，小船航道的宽度约200 m，水深约10 m能满足2万t级船舶全天侯航行。

外高桥沿岸航道，在南港段的最南侧是外高桥沿岸航道，水面也比较宽，原则上是作为出港（单向）使用，但实际上也有少部分船通过其进港。水深大约12 m。

1.2 船舶条件

1.2.1 现状的通航艘次

以2014年作为“现状”，通过对全年的AIS数据及北槽记录资料的统计分析，船舶总量为191 680艘次，其中上行（由海进江）船89 355艘次，下行（由江入海）船102 325艘次。船舶的流向流量见表1、表2；吨级分布见表3。

表1 上行船舶流向流量统计

表2 下行船舶流向流量统计

表3 船舶吨级分布

1.2.2 规划的通航艘次

模型以 2020年作为规划“目标水平年”，根据《长江口航道“十三五”发展规划》［1］（以下简称为十三五规划）的预测，2020时长江口航道货运量为17.35亿t，其中北槽深水航道货运量为11.71亿t，南槽航道货运量为5.64亿t。结合北槽深水航道、南槽航道规划目标及通航船舶大型化发展趋势，分别预测北槽、南槽航道通航船舶流量为229 842艘次/年，因规划只是针对货船做出的估计，所以还应再考虑3万多条其他船，这样2020年时通过长江口航道的船舶总量约为264 887艘次/年。因为十三五规划中对船舶吨级的划分比较粗，所以参照现状数据统计的划分标准，给出了 2020年时的船舶吨级分布，见表4。

表4 2020年船舶吨级分布

1.2.3 船舶的到港规律

因受诸多因素影响，船舶在到港时间上是随机的，通过大量的统计分析，其在数学上应遵从一定的规律性，既分布函数。国内外大量的研究成果认为，以每天到港的船舶艘数作为随机变量应服从Poisson分布，其分布函数为：

式中λ为单位时间t内平均到港船舶数。

若以船舶到港的间隔时间作为随机变量可认为服从exponential分布，其分布函数为：

式中μ为船舶到港平均间隔时间。

1.3 通航安全管理办法

目前上海海事局仅对深水航道发布了通航安全管理办法，其中《长江口深水航道（12.5 m）试通航期间通航安全管理办法》是针对北槽航道，《长江口深水航道（12.5 m）延伸段试通航暂行规定》则针对的是深水航道的南港段。因篇幅关系，此处仅模型所关心的部分内容加以介绍。

1.3.1 航速

在北槽的管理办法中规定船舶航速最大不能超过15节，而对南港段规定最大航速不能超过12节。根据对研究区域AIS数据的统计分析，船舶在研究区域深水航道中的平均航速为9.7节，而在其他航道的平均航速为8.7节，模型中采用统计值。

1.3.2 乘潮

在北槽的管理办法中对船舶乘潮有一些详细规定。根据横沙验潮站 2006年一年的观测资料对乘潮水位分别为1.5 m、2 m和2.5 m条件下的延时情况进行统计分析，模型中对于也将乘潮时段分为乘潮高1.5 m ，2 m和2.5 m三个时段进行管制。各类船舶乘潮水位见表5。

表5 各类船舶乘潮水位

因深水航道南港段的实际水深比较深，所以在深水航道南港段的管理办法中没有提及乘潮问题，即无须考虑乘潮。所以，模型中只对北槽和南槽考虑了船舶乘潮问题。

1.3.3 双向通航的宽度限制

海事部门规定在深水航道中相向航行的两船船宽之和不能超过80 m。

1.3.4 安全间距

海事部门规定深水航道中两船间的安全距离为1海里，对其他航道则没有明确说法。在国内，天津港规定航道中两船间的安全距离不能小于6倍船长。模型中深水航道两船间的安全距离为1海里，其他航道则假设为6倍船长。

1.3.5 恶劣天气影响

长江口航道为全天候运转，只有当发生会威胁船舶航行安全的恶劣天气时才会关闭航道。模型中考虑了每年44天的恶劣天气影响，其中30天为大雾影响，其余的 14天则为风、雨、浪等天气影响并以随机的方式发生。

1.4 模型范围

由于南槽航道的大部分航段水面非常宽，船舶航行时在横向上几乎不受约束，船舶之间会频繁出现追越等复杂航行行为，以目前的建摸技术还难以在模型中给予客观的反映。另外，在长江口航道南港段的南岸分布着许多的码头而它们的锚地却往往位于航道的北岸一侧，若考虑锚泊船靠码头时对其他船的航行干扰，模型也必须模拟这些码头的运营过程，加大建模的工作量。为了简化，确定将圆圆沙警戒区及周边的部分航道段作为构造模型的范围。圆圆沙警戒区位于北槽、南槽及南港航道的交汇处是长江口航道中最为繁忙的区段，所以，它的通过能力应该能够代表长江口航道的通过能力。我们在圆圆沙警戒区及周边部分航道设置了 10个断面（见图2）。通过分析经过各断面的船舶记录能够掌握船舶的流向、流量等信息，还可以用断面的利用率来评估所代表航道的繁忙程度。

图2 圆圆沙警戒区及周边部分航道

图中用大写字母标示了航道断面，分别为：

GH —— 北槽进港航道；

H I —— 北槽出港航道；

LM —— 南槽进港航道；

MN —— 南槽出港航道；

AB —— 小船进港航道；

DE —— 小船出港航道；

BC —— 南港深水进港航道；

CD —— 南港深水出港航道；

EP —— 外高桥沿岸进港航道；

PF —— 外高桥沿岸出港航道。

1.5 评价指标

1.5.1 利用率

航道利用率是反映航道繁忙程度的一个指标，航道断面利用率与通过该断面的船舶艘数、长度、航速、安全距离及航道年运营时间有关，其定义为：

式中：ρ为航道利用率；N-年通过该航道断面的船舶数量；L为平均船舶长度；D为两船间安全距离； V为航速； T为航道年运营时间。

航道利用率指标的评价标准，日本学者根据大量的实际观测和研究认为航道的利用率在 0.5～0.6比较合适。

1.5.2 船平均等航道时间

船平均等航道时间是评价航道系统服务水平的一项指标，联合国贸促会建议用指标AWT/AST，即平均等待时间与平均服务时间的比值评价港口系统的服务水平并认为比值 0.3～0.5对于发展中国家是合适的。针对本模型的情况，平均等待时间的标准值应为34～55 min/艘。模型也会输出产生等待的原因及所占比重。

2 仿真实验

虽然，仿真模型是目前研究随机服务系统最为有效的方法，但其本身并不能自行给出“最优解”，只能通过多次模型实验对比分析诸多“if-what”问题的答案，最后确认“合理方案”。

图3 仿真模型显示介面

为了评估长江口航道的通过能力，针对2014-2020年的船舶情况共设计7个模型实验。其中以2014年的数据作为“现状”本底，2020年作为十三五规划的目标水平年。为了便于对比分析，模型假设2015-2020年间的船舶增量是逐年递增的。采用从美国引进的仿真专用软件建模，图3为仿真模型显示介面。

3 仿真实验结果

3.1 “现状”的实验结果

3.1.1 各航道断面的利用率

现状条件下各航道断面的利用率，分别见表 6和表7。

表6 上行航道各断面利用率

表7 下行航道各断面利用率

3.1.2 船平均等航道时间

上行船平均等航道时间为 25.24 min/艘，约45.66 %的船没有发生等待，等待时间大于1.5 h的船占 6.09 %。其中，因恶劣天气造成的等待约占29 %，因侯潮原因约占14 %，对遇船宽超限原因约占18 %，船舶密度大原因约占29 %，还有近8 %是受船舶交叉会遇的影响。

下行船平均等航道时间为 16.77 min/艘，约58.60 %的船舶没有发生等待，等待时间大于1.5 h的船舶占5.03 %。其中，因恶劣天气造成的等待占42 %，因侯潮占6 %，对遇船宽超限占22 %，船舶密度大原因占30 %。船等航道时间的分布见图4。

图4 船等航道时间分布

3.2 2020年的试验结果

3.2.1 航道断面利用率

针对十三五规划 2020年的船舶条件，各航道断面的利用率见表8和表9。

表8 上行航道各断面利用率

表9 下行航道各断面利用率

3.2.2 船平均等航道时间

图5 船等航道时间分布

上行船平均等航道时间为 105.29 min/艘，约24.12 %的船没有发生等待，等待时间大于1.5 h的船占10.90 %。其中，因恶劣天气原因占10 %，因侯潮原因占25 %，对遇船宽超限占31 %，船舶密度大原因占27 %，约8 %是受船舶交叉会遇的影响。

下行船平均等航道时间为 47.35 min/艘，约44.53 %的船舶没有发生等待，等待时间大于1.5 h的船舶占1.90 %。其中，恶劣天气原因占17 %，乘潮占6 %，对遇船宽超限占54 %，船舶密度大原因占23 %。船等航道时间的分布见图5。

3.3 各水平年的主要结果

3.3.1 航道断面利用率

表10 2014-2020年上行航道断面利用率

表11 2014-2020年下行航道断面利用率

3.3.2 船平均等航道时间

图6 2014-2020年船平均等航道时间

4 结果分析

4.1 “现状”结果分析

“现状”（2014年，191 680艘次船舶流量）条件下，上行航道中利用率比较高是深水航道，其中北槽为0.440 8，南港段为0.460 7。其次是小船进港航道0.337 2。尽管从船舶数量走南槽的船最多，但因是“双向4车道”所以南槽上行一侧的利用率仅为0.189 1。下行航道，因外高桥沿岸航道的分流以及部分空载大船选择南槽出港，大大降低了深水航道下行的通行压力。深水航道南港段的利用率为0.210 8，北槽航道的利用率为0.356 8。小船出港航道0.348 4，外高桥沿岸航道0.205 9，南槽下行一侧0.270 9。

上行船的平均等航道时间为25.24 min/艘，下行船为16.77 min/艘。

从上述结果来看，“现状”条件下长江口现有航道的两项指标均低于标准值。

4.2 “十三五规划”结果分析

由上节分析得知，长江口航道的上行压力大于下行。因此，我们仅就上行航道在十三五规划船舶条件下的试验结果加以分析。首先分析2020年（通过264 887艘次/年）的结果，北槽航道的利用率已高达0.775 9、深水航道南港段的利用率为0.677 2，均超过了标准值的上限。再从平均等航道时间来看，2020年时船平均等航道时间为105.29 min /艘超出标准值上限近50 min。尽管此时航道依然能够完成预期的交通量，但从两项指标来看均超过了合理的区间范围。虽然 2020年时南槽航道的利用率仍然比较低，但因小船进港航道的利用率已达0.488 2，所以南槽→小船进港航道的能力空间依然有限，可以说控制长江口航道通过能力的瓶颈在南港段。对比分析各水平年的试验结果，以 2018年（通过235 605艘次/年）深水航道的利用率及船平均等航道时间尚在可接受范围内。另外，此次研究发现北槽航道的通过能力约为80 000艘/年，低于文献［2］的研究结果，因为当时深水航道尚未投入使用，对船舶航速的预期高于实际统计的结果。从理论上讲，航道的通过能力是船舶密度和航行速度的函数，假定航道的通过能力为定值，那么，航道中的船舶密度增大则船舶的航行速度就会变小，反之亦然。所以，平均航速是一个非常重要的参数，今后应加强观测研究。

5 结 语

基于十三五规划预测数据及各水平年的基本假定，通过仿真模型研究了长江口现有航道的通过能力问题。因为每年通过长江口航道的船舶情况是随着经济形式的变化而不同，所以仅从时间概念上讲关于各水平年的分析讨论没有太多的实际意义。但是，仿真模型通过航道利用率及船平均等航道时间两项指标在船舶数量与航道通过能力之间建立了对应关系，所以应用仿真模型来评价现有航道的运营情况以及预测航道系统尚待开发的能力空间还是十分有意义的。

参考文献：

［1］ 交通运输部长江口航道管理局.长江口航道“十三五”发展规划（初稿）［Z］.2015，4.

［2］ 杨兴晏.长江口深水航道通航能力的仿真研究［C］.第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集，2008.

［3］ Yang Xingyan， Li Wei， Ji Hua， et al.Study on the Navigation Capacity of the Approach Channel of Tianjin Port［J］.Port Technology International.

［4］ Nilsen K O， Abdus-Samad U.“Simulation and Queuing Theory in Port Planning” Annual Sumposium of ASCE［J］.Ports '77， Long Beach， California， USA： 196-211.

［5］ Pachakis D， A S Kiremidjian “Ship Traffic Modeling Methodology for Ports［J］.Waterway，Port， Coastal， and Ocean Eng， 129（5）：193-202.

Evaluation and Prediction on Trafficability of Navigation Channel at Estuary of Yangtze River

Yang Xingyan，Hu Shijin，Sun Jinglong
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

Abstract：A computer simulation model has been built for the existing navigation channel at the estuary of Yangtze River.Multi-option simulation tests have been made by using the above model on the basis of 2014 statistic data and the vessel conditions planned and predicted.The results of multi-option tests have been compared and analyzed by referring to two technical indices， i.e.the utilization rate of channel and the average waiting time of a ship before entering the channel.In addition， an evaluation has been given to the present state of the channel at the estuary of Yangtze River， and the prediction has been made for the trafficability of the existing channel in the future.

Key words：simulation model； trafficability of channel； utilization ratio of channel； average waiting time of a ship before entering channel； evaluation and prediction

中图分类号：U652.1+4

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）02-0034-06

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160209

收稿日期：2015-12-19

作者简介：杨兴晏（1953-），男，教授级高级工程师，主要从事港口工程模拟模型的研究和CAD软件的开发。