基于大型船舶实船观测的开敞海域浅滩深挖槽航道通航宽度

郭冬冬，金雪英，曹恩广，程鑫，车军，马兴华

（1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.连云港引航站，江苏 连云港 222042；3.东海航海保障中心连云港航标处，江苏 连云港 222000）

基于大型船舶实船观测的开敞海域浅滩深挖槽航道通航宽度

郭冬冬1，金雪英1，曹恩广2，程鑫3，车军1，马兴华1

（1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.连云港引航站，江苏 连云港 222042；3.东海航海保障中心连云港航标处，江苏 连云港 222000）

航道通航宽度直接影响船舶进出港的航行安全，而对于类似连云港港的大型船舶浅滩深挖槽航道，航道基建投资、维护成本对航道通航宽度更为敏感。我国现行规范航道通航宽度计算公式是根据7.4万t以下船舶实船航迹观测后推导的经验公式，缺少大型船舶的实船航行数据作为支撑。本研究通过观测连云港港15万吨级航道内15万吨级船舶实船航行数据，并引入航道宽度保证率的概念，提出不同保证率对应的船舶漂移倍数以及不同条件下航道船舶漂移倍数取值，优化了开敞海域大型船舶浅滩深挖槽航道通航宽度计算参数，完善了计算方法，解决了规范公式及参数缺乏大型实船航行数据支撑和缺乏保证率概念的问题，为规范修编提供技术依据。

实船观测；航道通航宽度；航迹带宽度；船舶漂移倍数；保证率

0 引言

航道通航宽度涉及航道的安全性和经济性，航道越宽，船舶航行越偏安全，但航道基建投资和维护成本也会越高；反之，航道过窄，航道基建投资和维护成本降低，但增加了船舶通航安全风险。特别是对于淤泥质浅滩深挖槽航道，由于滩浅坡缓、人工开挖航段长、基建疏浚工程量大，航道基建投资、维护成本对航道通航宽度更为敏感。因此，如何安全、经济地确定航道通航宽度显得尤为重要。

我国JTJ 211—99《海港总平面设计规范》[1]航道有效宽度（现行规范JTS 165—2013《海港总体设计规范》[2]称为航道通航宽度）计算公式是根据7.4万t以下船舶实船航迹观测后推导的经验公式。该公式及参数总体上是合理和适用的，但由于缺少大型船舶实船航行数据作为支撑，且大型船舶操纵性能不同于中小型船舶，因此业界在工程实践中对该公式在深水航道的合理性存在诸多争议。

为此，依托连云港港深水航道工程，在连云港港15万吨级航道内进行实船航行观测，基于大型船舶实船航行观测并引入航道宽度保证率的概念，研究开敞海域大型船舶浅滩深挖槽航道内大型船舶航迹带宽度、漂移倍数等，优化了开敞海域大型船舶浅滩深挖槽航道通航宽度计算参数，完善了开敞海域浅滩深挖槽航道有效宽度计算方法，解决了现行公式及参数缺乏大型实船航行数据支撑和缺乏保证率概念的问题，为规范修编提供技术依据。研究成果被纳入863计划课题《开敞海域淤泥质浅滩深水航道建设关键技术研究》[3]。

1 15万吨级航道实船航行观测概况

大型船舶实船航行观测在连云港港15万吨级航道内进行，该航道是开敞海域淤泥质海岸浅水深挖槽航道，航道全长33.9 km，通航宽度230 m，底标高-16.0 m/-16.5 m，可乘潮单向通航15万吨级散货船。航道由外向内分别为外航道、内航道、庙岭航道，其中外航道25.7 km，走向243°—063°；内航道5.5 km，走向292°—112°；庙岭航道2.7 km，走向270°—090°。为避免船舶转弯、低速航行等因素影响实船航行研究结果，选择在15万吨级航道的外航道进行实船航行观测。

如何获取大量的准确的实船航行轨迹是实船航行观测研究的关键之一。本次研究[4]利用船舶自动识别系统，采集了2010年3月—2014年9月近130艘15万吨级散货船进港航行实时船位、对地航向COG、对地航速SOG、船艏向、回转速率ROT等航行数据。同时，为验证AIS数据的可靠性，采用GPS定位仪对7艘15万吨级散货船进港航行进行同步观测。

验证结果显示：无论是实船航行中心轨迹平均偏差，还是全程航迹带宽度，GPS定位测量和AIS系统取得的实船航行数据偏差均在10 m以内，相比15万吨级航道通航宽度230 m而言，偏差占比较小，属可接受范围内。因此，AIS系统获取的船舶航行数据完全满足研究精度需要。

2 实船航行同步横流及风流压偏角确定

2.1 实船航行横流

航迹带宽度主要受自然因素、船舶操纵性能和人为因素共同影响。由于本次实船航行观测对象均为15万吨级散货船，船舶操纵性能相差不大，故该因素可忽略不考虑。而人为因素主要为船舶操纵所体现的船舶航行状态，包括航行轨迹、风流压偏角、航速、航迹带宽度等，均可通过AIS数据直接和间接体现。自然因素主要包括水流、风和波浪等，其中横流是引起船舶航行偏角的主要动力因素，因此，如何准确地实时观测或推算船舶航行时段的潮流也是实船航行观测研究的关键所在。

一方面，采用数学模型计算工程海域代表潮型大、中、小潮流场[5]，再通过船舶通航期间实时潮位推算航道沿线实时潮流，进而得到实时横流。推算结果表明，船舶航行期间，航道沿线横流均较小，但基本不小于0.1 m/s，最大不超过0.5 m/s；从各观测船舶航行期间航道沿程实时横流分布来看，横流沿程变化明显，且自外海向内基本呈逐渐减小趋势。

另一方面，在进行GPS航迹观测时同步开展ADCP跟踪测流，航道沿线实测潮流见图1。对比ADCP实测潮流和数模推算的潮流，发现两者基本接近，因此，研究认为数模推算的潮流可以作为实船航行期间的潮流。

图1 ADCP实测流矢示意图Fig.1 Current observation by ADCP

2.2 风流压偏角确定

根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》中横流与风流压偏角的关系，由数模推算的横流确定相应的风流压偏角。其中横流在0.1～0.25 m/s范围的航段对应风流压偏角γ取5°，0.25～0.5 m/s范围的航段对应风流压偏角γ取7°。

3 航迹带宽度和漂移倍数统计

3.1 航段划分

众所周知，航道越长，实测的航迹带宽度越宽，反之，航道越短，实测的航迹带宽度越窄，因此，合适的航道长度是研究航迹带宽度的关键。连云港港15万吨级航道外航道全长25.7 km，经各样本航行轨迹分析，船舶1次左右摇摆周期的航行距离约3～5 km，故研究认为将外航道按5 km进行分段研究船舶航迹带宽度是合适的[4]。

3.2 航迹带宽度统计

剔除极少数不合理样本后，γ=5°航段对应样本总数126个，航迹带宽度最大119.6 m，最小55.7 m，均值84.2 m，标准差13.3 m；γ=7°对应样本总数235个，航迹带宽度最大148.3 m，最小57.9 m，均值89.77 m，标准差17.23 m。见表1。

表1 实测航迹带宽度统计汇总表Table 1 Statisticalsummary table of shipping track w idth

3.3 漂移倍数n统计

根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》中航迹带宽度经验公式，由实测航迹带宽度、实际船长、船宽和风流压偏角，反推漂移倍数。具体统计结果如下。

1）γ=5°：样本总数126个，最大漂移倍数1.68，最小0.83，均值1.20，标准差0.191，见图2。

图2 实测漂移倍数n统计图（γ=5°）Fig.2 Statisticaldiagram of the drif tmagnification n（γ=5°）

2）γ=7°：样本总数235个，最大漂移倍数1.81，最小0.68，均值1.12，标准差0.214。

4 漂移倍数概率统计分析

4.1 概率分布统计

采用柯尔莫诺夫-斯米尔诺夫检验法，分别对5°、7°风流压偏角对应实测漂移倍数n进行分布检验。结果显示：实测漂移倍数n样本均服从GARMMA分布[6]。分布拟合结果见图3、图4，概率分布统计结果表2。

4.2 实测值与规范值对比

将概率统计得到的漂移倍数结合《海港总体设计规范》，计算各保证率下的15万吨级散货船航迹带宽度及15万吨级航道通航宽度（见表3），与《海港总体设计规范》的规范值进行对比，发现99%保证率实测漂移倍数及对应的航迹带宽度和航道通航宽度总体与规范值相当，说明规范的风流压偏角取值总体上是合适的。但99.7%保证率下，实测值明显大于规范值，说明规范推荐的漂移倍数及其相应的航迹带宽度和航道通航宽度对于船舶航行的安全性未达到99.7%。

图3 实测漂移倍数n分布检验（γ=5°）Fig.3 Distribution testof driftm agnification n（γ=5°）

图4 实测漂移倍数n分布拟合（γ=5°）Fig.4 Distribution fitting ofdrift magnification n（γ=5°）

表2 实测漂移倍数概率分布统计结果Table 2 Probability distribution results of drift m agnification

表3 统计值与规范值对比表Table3 Com parisonofstatisticalvaluesand standard values

5 航道通航宽度计算参数优化

通过以上研究认为，《海港总体设计规范》计算航迹带宽度和航道通航宽度的计算公式可以适用于大型船舶航道宽度设计，风流压偏角、船舶漂移倍数取值总体是合适的。但为了切实提高船舶航行安全度，针对不同类型航道可根据航道的重要程度、复杂程度推荐相应不同保证率下的航行参数。如一般航道，漂移倍数保证率取99%，但对于特别重要的航道或者特殊航段，建议漂移倍数取99.7%，详见表4。

表4 漂移倍数建议取值Table 4 Recommended value of d rift magnification

6 结语

本研究基于连云港港15万吨级航道实船航行观测，基于大型船舶实船航行观测并引入航道宽度保证率的概念，研究开敞海域大型船舶浅滩深挖槽航道内大型船舶航迹带宽度、漂移倍数，论证了现行《海港总体设计规范》航道通航宽度计算公式及计算参数对于大型船舶深水航道的适用性，提出船舶漂移倍数的优化取值，解决现行公式及参数缺乏大型实船航行数据支撑和缺乏保证率概念的问题，完善了开敞海域大型船舶浅滩深挖槽航道通航宽度计算方法，实现船舶航行安全和节约航道工程投资的协调统一。研究方法和成果可供连云港港30万吨级航道工程和其他开敞海域淤泥质海岸大型深水航道工程通航宽度研究借鉴。

[1]JTJ 211—99，海港总平面设计规范[S]. JTJ 211—99,Design code ofgeneral layout for sea ports[S].

[2]JTS 165—2013，海港总体设计规范[S]. JTS 165—2013,Design code ofgeneral layout forsea ports[S].

[3]中交上海航道勘察设计研究院有限公司.开敞海域淤泥质浅滩深挖槽航道总体设计关键技术研究[R].2014. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.The key technology of the design of a waterway with deeply dredged trench at the site ofshallow shoal[R].2014.

[4]中交上海航道勘察设计研究院有限公司.连云港港15万吨级航道实船观测研究[R].2012. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.On vessel observation of the 150 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].2012.

[5]中交上海航道勘察设计研究院有限公司.连云港港30万吨级航道一期工程初步设计[R].2010. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.Engineering design for Phase I of the 300 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].2010.

[6]WALPOLE R E.概率与统计[M].周勇，马昀蓓，谢尚宇，等译.北京：机械工业出版社，2014. WALPOLE R E.Essentials of probability&statistics for engineers &scientists[M].ZHOU Yong,MA Yun-bei,XIE Shang-yu,et al. translate.Beijing:China Machine Press,2014.

On the width of a waterway with deeply dredged trench at the site of shallow shoal based on vessel observation

GUO Dong-dong1,JIN Xue-ying1,CAO En-guang2,CHENG Xin3,CHE Jun1,MA Xing-hua1
（1.Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai200120,China;2.Lianyungang Pilot Station, Lianyungang,Jiangsu 222042,China;3.Lianyungang Aids to Navigation Departmentof Donghai Navigation Safety Administration,Lianyungang,Jiangsu 222000,China）

The width of a waterway directly affects the safety of vessel entering and leaving port,in terms of waterway with deeply dredged trench at the site of shallow shoal like Lianyungang port,infrastructure investment and maintenance cost are more sensitive to the width.The current calculation formula for the width is based on the shipping track of ships under 74 000 dwt rather than larger ships,lack of actual ship navigation data of large ships as support.By observing shipping track of 150 000 dwt ships in 150 000 dwt waterways,and bringing in the concept of assurance rate,we introduced the vessel drift magnification for different assurance rate and how to determine the vessel drift magnification under different circumstances.We optimized the width calculation parameter and improved calculation method,solved the problem that current formula lacks of large ship shipping data and assurance rate concept.The study can provide strong technical evidence for the revision of the codes.

vessel observation;the width of a waterway;shipping track width;vessel drift magnification;assurance rate

U656.5

A

2095-7874（2016）11-0035-04

10.7640/zggw js201611008

2016-05-25

2016-08-26

国家高技术研究发展计划（863计划）课题（2012AA112509）

郭冬冬（1984— ），男，浙江舟山人，工程师，注册港航工程师，港口航道与海岸工程专业。E-mail：g111otm@126.com