长江深水航道通过能力研究

张玮，刘锦安*，孙宏杰，刘怀汉，褚明生

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏　南京　210098；2.长江航道局，湖北　武汉　430010；3.奉化市规划局，浙江　宁波　315500）

长江深水航道通过能力研究

张玮1，刘锦安1*，孙宏杰1，刘怀汉2，褚明生3

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2.长江航道局，湖北武汉430010；3.奉化市规划局，浙江宁波315500）

综合船舶交通流理论和船舶领域解析公式，引入加权平均船型和设计小时系数等概念，结合船舶吨位与船舶尺度关系，推荐任意船型下航道理论和设计通过能力计算方法，并应用于即将颁布的长江干线航道通过能力计算。研究表明:长江干线最高等级航道（I-1级）的通过能力最大，理论年通过能力270亿~310亿t，设计年通过能力80亿~93亿t，约为理论通过能力的30%；船舶吨位是决定航道通过能力的最关键因素，对于深水航道，通行的船舶吨位应尽量与航道等级相匹配；船舶吨位对于水深变化较为敏感，特别是海轮航道，航道增深带来的通过能力增加效果最为明显。

长江深水航道；船舶领域；船舶交通流；航道通过能力

0　引言

长江干线是世界上运量最大、运输最为繁忙的通航河流。近年来，为适应船舶大型化和江海联运的快速发展，长江深水航道建设由河口起步，并逐步向上游扩展。同时，长江干线航道新的等级划分标准的研究工作也已开展，并将于近期公布。与原有标准相比，新的长江干线航道等级变化较大，开展航道通过能力研究非常必要。

国内外关于航道通过能力的计算公式较多，其中以西德公式、长江公式、闵朝斌公式最具代表性[1]。西德公式以欧洲标准驳船为计算船型，引入减载系数、减速影响系数等多个修正系数，但未考虑同一航道混合交通流影响。长江公式考虑到船队通过桥孔或其他控制河段对通过能力的影响，并引进非标准船队影响总吨位系数，但未考虑到实际航道中船舶交通密度和速度的变化。闵朝斌公式从交通流角度建立了航道年通过能力计算模型，但其采用船舶间纵向距离系数与船长的乘积来代替船舶领域，忽视了船速及船舶动力对船舶领域的影响。近年来，随着水上交通密度的提高、船舶大型化以及船舶动力的增强，有关船舶领域的研究不断深入。陈恺等[2]基于船舶交通流和船舶领域理论，研究航道基本小时通过能力计算方法，并通过设计小时系数将小时通过能力换算为年通过能力，但其船舶领域的确定仍未能考虑到船速、船舶动力特征以及水流流速的影响。李瀛等[3]基于道路交通工程中停车视距的概念，提出了航道中停船视距的概念，探讨了船舶领域模型长轴取值的计算方法。刘金龙等[4]基于停船视距和船舶领域理论，根据动力学原理，推导出船舶领域新的解析表达式。最近，长江干线航道新的等级划分标准即将颁布[5]，亟需根据航道通过能力研究的最新成果，推荐通过能力计算方法，用来研究长江干线深水航道的通过能力。

本文综合航道通过能力领域研究的最新成果，推荐一种航道通过能力的计算方法，针对即将颁布的长江干线航道等级划分标准，计算不同等级航道的理论通过能力和设计通过能力，在此基础上，探讨影响通过能力的主要因素，研究成果可为相关部门进行航道规划、设计以及运行管理提供参考。

1　航道通过能力计算

1.1基于船舶交通流的小时通过能力

1）航道小时基本通过能力

对于给定船型，利用交通流相关理论，可以得到航道小时基本通过能力计算公式:

式中:qh为航道基本通过能力，艘/h；mu，md分别为船舶上行和下行的通道数目；vu，vd分别为船舶交通流中给定船型对应上水和下水航速，m/s；vw为航道内的水流速度，m/s；lu，ld分别表示上、下行船舶流中给定船型的船舶领域纵长，m。

2）船舶领域计算公式

船舶领域是研究船舶通过能力的重要基础[6]，文献[3]给出了新的船舶领域计算公式:

式中:L为船舶领域，m；P为船舶功率，kW；V为船舶相对于水流的速度，m/s；M为船舶的平均吨位，t；l为船舶的长度，m；k1，k2分别为风荷载和水流力的系数；k0为反应距离与停船视距的比值。

船舶上行、下行的船舶领域lu、ld的计算公式如下:

将式（3）和式（4）代入式（1）便可以计算理想状态下航道小时通过能力。然而，对于水运行业来说，通常习惯于采用年通过能力，因此，需要将航道的小时通过能力转化为年通过能力。

1.2年通过能力计算

1）理论通过能力计算公式

理论通过能力是指理想条件下的航道通过能力，是按最佳设计船型、船舶满载，在不考虑任何其他条件影响的情况下，以连续的、不间断的理想船舶流计算的单位时间内通过某段航道的船舶数或船舶的载重吨数。需要注意的是，本文所涉及到的通过能力如没特别说明均指船舶通过量（船舶载重吨）。

根据定义，在航道小时通过能力计算方法的基础上，可以得到航道年理论通过能力计算公式:

式中:Qy（1）为航道理论通过能力，t/a；T为年通航天数，d/a；M为船舶的平均吨位，t。

2）设计小时系数

设计小时交通量与年平均日交通量的比值称为设计小时系数kh，通过设计小时系数可以方便地将航道小时基本通过能力折算成年通过能力，实现微观交通流与宏观通过能力的转换，进而得到具有一定保证率的航道年通过能力。

在实践中，可以利用实测资料研究船舶设计小时交通量，选取适当的小时交通量作为设计值，从而得到对应的设计小时系数。在缺少实测资料的情况下[7]，设计小时系数可根据经验在0.14~ 0.16间选取。

需要注意的是:设计小时系数与设计小时时位有关，在其确定过程中既要保障航道大多数情况下处于畅通状态，又不能使得通过能力富裕过多，造成资源浪费。因此，通过设计小时系数换算得到的年通过能力在严格意义上是一种具有一定保证率的年通过能力。

3）年设计通过能力计算公式

通过设计小时交通量系数，可将航道小时通过能力转换成日设计通过能力Qd（s），并进一步转换成年设计通过能力Qy（s）:

式中:Qy（s）为航道年设计通过能力，t/a；T为年通航天数，d/a；M为船舶的平均吨位，t。

将式（1）代入式（7），得航道年设计通过能力最终计算公式:

式中:md为加权平均船型吨位；mi为第i级船型吨位；Pi为第i级船型占全年的艘数比。

2）船舶吨位与尺度的关系

研究表明，海轮和内河船舶的吨位与尺度（船舶长度、船舶面积等）之间存在着显著的相关关系，在实际应用中，两者之间的关系可以借用

1.3设计船型和非设计船型

目前内河航道中实际运行船舶的船型繁多，吨位、尺度变化幅度大[8]。因此，在具体计算时，如何选择代表船型是合理计算航道通过能力的关键。在此，引入加权平均船型概念，结合考虑船舶吨位与船舶尺度的相关关系式，从而可以计算任意平均吨位船舶的航道通过能力。

1）加权平均船型

加权平均船型（吨位），是根据各级实际（或设计）通行船舶吨位，按照该级船舶艘数所占比例进行加权后的平均值:相应的标准船型来建立，由此减少对船舶资料的依赖[9]。

以船舶吨位与船长之间关系为例，根据JTJ 211—2008《海港总平面设计规范》中提供的标准船型尺度，可以看出船舶吨位和船长之间存在良好的相关性（详见图1），相关系数超过0.96。因此，可以通过这一关系，将前述的加权平均船型的平均吨位换算为对应的船长，在此基础上计算船舶领域，进而计算航道通过能力。

图1　标准船型吨位与船长关系回归曲线Fig.1　The regression curve for the relationship between tonnage and length of standard vessels

2　长江深水航道通过能力

2.1长江干线新的航道等级

目前，新的长江干线航道等级划分标准即将颁布，新标准将长江干线航道按照通航船舶吨级划分为3级，即内河航道I、II、III级，其中，II级和III级航道与现行国标一致，I级航道则在现行国标基础上又进一步细分为6个次级[5]，I-1和I-2为海轮航道，I-3到I-6为内河船舶航道，详见表1，所以，以下的分析计算主要针对I-1到I-6级航道进行。

2.2理论通过能力

以散货船为例，结合长江干线内河散货船和进江海轮散货船设计船型尺度，计算各等级航道的理论通过能力。应该注意的是，在实际运行过程中，航道中通行的船舶吨位一般小于或等于该级航道的等级吨位，如I-1级航道中通行船舶的等级吨位为5万吨级，但是因大小船混合通行，所以，实际的加权平均吨位要小于5万吨级，也就是小于等级吨位。为简单计，在具体计算时，暂不考虑实际通行船舶的复杂性，各级航道均按照等级吨位船舶考虑，如I-1级航道的代表船型就为5万吨级，I-2级航道为2万吨级。

表1　最新长江干线航道等级划分标准Table 1　The latest division standard of channel grade in Yangtze River

各级航道理论通过能力的计算结果如表2所示，不难看出，航道等级越高，理论通过能力越大，不同航道等级之间理论通过能力存在着较大差异，I-1级航道的理论通过能力在270亿~310亿t之间，而I-6级航道的理论通过能力只有35亿~40亿t，两者相差7倍以上。

表2　各等级航道理论通过能力计算Table 2　The calculation of theoretic capacity for different grades of channel

2.3设计通过能力

在考虑航道运行天数的基础上，通过设计小时系数可以方便地将航道小时基本通过能力折算成年通过能力，实现微观交通流与宏观通过能力的转换。

利用公式（8）计算了各等级航道的年设计通过能力，计算结果见表3。结果表明:I-1级航道的设计通过能力在80亿~93亿t之间，约为理论通过能力的30%；I-6级航道的设计通过能力只有10亿~12亿t，与I-1级航道相差8倍左右。

表3　各等级航道的设计通过能力计算Table 3　The calculation of designing capacity for different grades of channel

3　通过能力影响因素分析

决定航道通过能力的主要因素包括水深、船舶吨位等。表4给出了航道等级、航道水深、船舶吨位、通过能力之间的计算结果，可以看出:各因素之间存在良好的对应关系，特别是船舶吨位与航道通过能力之间的相关性极高（见图2），相关系数近1.0，说明船舶吨位是决定航道通过能力的最关键因素。

表4　通过能力随水深及船舶吨位增幅表Table 4　The increase of theoretic capacity with the increase of ship tonnage and channel depth

图2　船舶吨位与理论通过能力关系曲线Fig.2　The curve for the relationship between the ship tonnage and the theoretic capacity of channel

考虑到以上航道通过能力是按照等级船舶吨位进行计算的，所以，计算所得航道通过能力是各种船舶组合中的最大值，实际运行时，由于加权平均船舶吨位要小于等级船舶，所以实际的航道通过能力要小得多。以I-1级航道为例，如实际运行船舶吨位等于等级船舶吨位，也就是5万吨级，则设计通过能力81.2亿~92.5亿t/a；如实际运行船舶等于2万吨级，则通过能力仅为42.4亿~48.3亿t/a，也就是仅与I-2级航道相同。因此，对于深水航道，通行的船舶吨位应尽量与航道等级相匹配，只有这样，才能充分利用高等级航道的能力，不会造成水运资源的浪费。

图3给出了航道水深与船舶吨位之间的关系，不难看出，船舶吨位对于航道水深的变化极为敏感，特别对于I-2级以上航道，例如，I-2级航道水深10.5 m，船舶吨位20 000 DWT，I-1级航道水深为12.5 m，船舶吨位50 000 DWT，水深虽然仅增加了19.0%，但船舶吨位增加了150%，航道通过能力增加了91.4%，说明对于海轮航道，航道增深带来的通过能力增加效果要明显得多。

图3　水深与船舶吨位关系曲线Fig.3　The curve for the relationship between the ship tonnage and depth of channel

4　结语

1）基于船舶交通流理论和最新船舶领域研究成果，借助加权平均船型和设计小时系数等概念，结合船舶吨位与船舶尺度之间的相关关系，推荐了航道通过能力计算方法。该法使用便捷，既适用于设计船型，又适用于非设计船型。

2）在即将颁布的长江干线航道等级划分标准中，航道将主要划分为I、II、III级，其中，II级和III级航道与现行国标一致，I级航道则在现行国标基础上又进一步细分为6个次级，I-1和I-2为海轮航道，I-3到I-6为内河船舶航道。

3）经过计算，I级航道中，I-1级航道通过能力最大，理论年通过能力（船舶通过量）270亿~ 310亿t，设计年通过能力80亿~93亿t，约为理论年通过能力的30%；I-6级航道通过能力最小，理论年通过能力35亿~40亿t，设计年通过能力10亿~12亿t。

4）决定航道通过能力的主要因素包括水深、船舶吨位等。船舶吨位与航道通过能力之间存在极好的相关关系，为充分发挥高等级航道通过能力，应尽量使通行船舶吨位与航道等级一致；船舶吨位对于水深变化较为敏感，特别是海轮航道，航道增深带来的通过能力增加效果要明显得多。

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Research on channel transit capacity in Yangtze River deepwater channel

ZHANG Wei1,LIU Jin-an1*,SUN Hong-jie1,LIU Huai-han2,CHU Ming-sheng3
（1.College of Harbor Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;2.Changjiang Waterway Bureau,Wuhan,Hubei 430010,China;3.Fenghua Planning Bureau,Ningbo,Zhejiang 315500,China）

Integrating the theory of vessel traffic flow and the analytical formula of ship domain,introducing the concept of weighted average ship model and design-hour traffic volume,combining the relationship between ship tonnage and ship size, we recommended and applied a calculation method of transit capacity for all ships to calculate the theoretic capacity and designing capacity in Yangtze River channel divided by the latest division standard.The result shows that the transit capacity of the highest grade channel I-1 is maximum,its theoretic capacity lies between 27 billion-31 billion tons and designing capacity lies between 8 billion-9.3 billion tons,and the latter is about 30%of the former;the tonnage of ship is the most critical factor for channel transit capacity,so the tonnage of ship in the deep-water channel should be matched with the grade of channel as far as possible;the change of ship's tonnage is sensitive to the change of channel′s depth,especially for ocean-going vessel channel,and the increasing benefit of transit capacity caused by the increasing of channel depth is most obvious.

Yangtze River deepwater channel;ship domain;vessel traffic flow;channel transit capacity

U611

A

2095-7874（2016）02-0005-06

10.7640/zggwjs201602002

2015-10-14

交通运输部重大科技专项“黄金水道通过能力提升技术”（2011328201002）

张玮（1958—），男，山东青岛市人，教授，博导，主要从事港口航道工程研究。

刘锦安，E-mail:liujinan90@163.com