约束条件下船闸装载系数计算方法研究

陈冬元

（长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002）

约束条件下船闸装载系数计算方法研究

陈冬元

（长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002）

船闸装载系数是计算通航建筑物通过能力的重要指标，通常取过闸船舶装载率，但是在过闸船舶日益大型化的背景下，船舶过闸受水深等条件约束，用船舶装载率代替船闸装载系数可能出现较大误差。通过运用船舶排水量计算原理，提出了船闸装载系数的修正计算方法，并进行了计算验证。

船闸；船舶；装载系数；装载率；计算

装载系数是船闸通过能力计算的一项重要指标，但相关规范并未明确船闸装载系数计算方法，有研究提出装载系数一般取过闸船舶装载率。过闸船舶装载率与经济发展、货物种类、流向和批量等密切相关。三峡船闸自2013年运行以来，综合装载率一般未超过70%，统计数据显示近期过闸船舶装载率与过闸船舶大型化呈现出明显的负相关，大型船舶所占的比例越高，过闸船舶综合装载率越低，与装载系数设计水平的0.9存在较大差距。主要原因是大型船舶受航道、船闸吃水控制标准的影响，无法实现重载过闸。

当前过闸船舶日益大型化，过闸时受到船闸槛上水深（最小水深）、航道维护水深以及恶劣水情等因素约束，无法实现满载过闸。如果简单的以船舶装载率来代替船舶装载系数的取值，不能客观的反映船闸运行指标实际状况，进而影响对船闸实际通过能力的评价，有必要研究科学合理的约束条件下船闸装载系数计算方法，以客观科学评价船闸通过能力、管理水平和水运交通组织水平，为科学决策提供参考。

1 船舶装载率计算

1.1 装载率概念

装载率是评估交通工具营运效率的重要指标。铁路、公路、水路及民航运输均存在装载率的概念，一般指装载物品所占运输工具或运输容器的内容积或底面积或载重量的比率。即容积装载率、面积利用率或重量装载率。

船舶装载率又称船舶负载率，一般对于货船称船舶载重量利用率，客船称船舶客位利用率，推(拖)船称平均每千瓦拖带量，用于表征货船的定额吨位、客船的定额客位和推(拖)船的定额功率的利用程度。

1.2 装载率计算方法

相关水路运输经济学教材[3]提出了船舶装载率的计算方法，过闸船舶装载率计算公式如下：

（1）货船

其中，ac—货运船舶装载率，Q—船舶实载货运量，C—船舶额定载重吨位。

（2）客船

其中，ap—客船装载率，P—船舶实载旅客量，M—船舶客位总数。

由于在三峡船闸通过能力设计参数中，对非货运船舶所占的闸次数量取零，在下文的论述中装载率和装载系数专指货船。

2 船闸装载系数

交通部《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001），双线船闸年单向通过能力可按下式计算：

式中P为过闸货运量（吨），n为日均过闸次数（次），n0为非运客、货船舶过闸次数（次），N为通航天数（天），G为一次过闸平均吨位（吨/次），a为装载系数，β为运量不均匀系数。从公式（3）中可知，装载系数是船闸通过能力的一项重要指标，与货物种类、流向和批量有关，推荐取值范围一般为0.5—0.8，但未明确其计算方法。

2.1 船舶装载率

2003年三峡船闸运行以来，船舶上下行综合装载率2009年最高为0.756，随着货运量的增长和过闸货物重载方向的调整，船舶装载率变化幅度较大，总体呈先升后降趋势（详见表1）。货运量重载方向船舶装载率近年来保持在0.75左右。

表1 2003年～2016年三峡过闸船舶装载率

2.2 装载系数影响因素

随着通航条件的改善，过闸船舶呈现出明显的大型化趋势，2016年三峡船闸船舶额定载重吨位4000t及以上的超过半数，5000t及以上的已经接近40%。船舶的额定载重量越来越大，设计吃水越来越深，大多数船舶的满载吃水已经达到了4m以上，部分船舶设计吃水甚至达到了5m或5.5m。

按照式（1）影响装载率的主要因素为船舶实载货运量（Q）和船舶额定载重吨位（C）。正常情况下Q≤C，当实载货运量达到船舶额定载重吨位时，装载率最大取值为1.0。要保持高的装载率，实际装载量（Q）必须相应增加，实际吃水将向满载吃水逼近。船闸作为特殊的航道，建成后其通航尺度（如集泊长度、集泊宽度、槛上水深、净空高度等）无法改变，对过闸船舶增加货运量形成了一个约束。

三峡船闸集泊长度为266m、集泊宽度为32.8m，槛上水深5m，净空高度18m。结合目前三峡河段航道实际水深情况，最高允许通过的船舶吃水仅为3.5—4.3m，设计吃水超过这一许可的船舶无法满载过闸，制约了船舶装载率的进一步提高，即设计吃水超过船闸航道允许值的船舶永远不可能满载过闸。2016年满载吃水3.5m以上、4.0m以上和4.3m以上的船舶已经分别占到了76.13%，59.39%和41.86%。如果仍以过闸船舶额定载重吨位之和（C）为基础来计算船闸装载系数则明显偏小。

3 约束条件下船闸装载系数（a）计算

通过航海经验公式可以修正船舶过闸期间的额定载重吨位，进而合理计算船闸装载系数。

3.1 计算参数的选取

（1）船舶实载货运量（Q）

船舶过闸前会按照本船额定载重吨位和管理部门公布的吃水控制要求进行配载，船舶实载货运量客观的反映了船舶当航次实际装载的货物重量。

（2）船舶额定载重吨位（C）

船舶额定载重吨位为船舶检验部门根据船舶实际装载能力核定的船体部分的最大参考装载量，正常情况下，船舶装载的货物量达到额定载重吨位时，实际排水量即达到满载排水量。船舶载重是排水量的重要组成部分，船舶满载排水量表述为：

式中：D为船舶排水量，W0为空船重量，包含船体结构、动力装置、舾装设备、仪器设备等固定重量；一般为常数。C为船舶额定载重吨位，为船舶航次储备，主要包含燃料，润料和淡水重量，其大小按航次时间、补给方案及航次储备天数确定。为船舶常数，主要包括船员、食物、船上垃圾、废料和杂物以及船外船体粘附生物等重量。

设ΔD 为船舶从设计吃水降低至吃水控制标准时所需减少的载重量，ΔC 为船舶额定载重吨位的变化量。根据船舶每航次过闸情况来看，均可认为是一常数，此时有：则修正的船舶额定载重吨位

3.2 装载系数计算方法

船舶建造设计阶段，设计部门根据相关原理绘制船舶静水力曲线图，编制船舶排水量数据表，包含船舶浮性要素、初稳性要素和船型系数等与吃水的关系曲线，供驾驶员经常性使用。

在修正额定载重吨位时，设计吃水低于船闸控制标准的船舶可以按实际额定载重吨位取，设计吃水高于吃水控制标准的船舶，可按照排水量表求取该吃水控制标准下的船舶排水量（D＇）。则修正的船舶额定载重吨位累计值（C＇）可按式（5）计算。

式中： Ci为过闸船舶中设计吃水大于吃水控制标准的船舶额定吨位，N为过闸船舶中设计吃水大于吃水控制标准的船舶艘次，Cj为过闸船舶中设计吃水不大于吃水控制标准的船舶额定吨位，K为过闸船舶中设计吃水不大于吃水控制标准的船舶艘次，代入式（1）则船闸装载系数修正计算公式为：

3.3 计算验证

2015年、2016年三峡船闸单向通过量超过5000万吨，由于占比接近40%的5000吨级以上船舶按照船闸最大吃水标准4.3m限制不能满载，上行过闸船舶平均装载系数分别为0.754、0.753，偏离实际较远。如按照4.3m吃水作为满载标准，将船舶参数代入（6）进行测算，则船闸上行装载系数已分别达0.84、0.82，与实际统计相符。

4 结束语

船舶满载过闸是航运企业追求的目标，提高船闸通过能力也是船闸运行管理部门的期望。受货种、货源、运输组织方式和市场影响，船舶过闸运输必然存在空载过闸情况，上下行存在不均匀性，尤其是危险品基本为单向运输，必然影响船闸平均装载系数的进一步提高。约束条件下的船闸装载系数计算方法，对2015年和2016年三峡船闸装载系数进行了修正计算，客观反映了船闸通过能力指标状况。在过闸船舶日益大型化前提下，对国内外船闸装载系数的求取和船闸通过能力的计算有一定的参考价值，具有现实意义。

[1]交通部.船闸总体设计规范（JTJ305-2001）[Z].北京：人民交通出版社，2001.

[2]韦巨求，赖子机、唐琨.船闸通过能力计算系数研究[J].水运工程，2006（1）:59-62.

[3]余思勤.运输经济（水路）专业知识与实务（中级）（2008年版）[M].中国人事出版社,2008.

U641

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1006—7973（2017）10-0051-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.022