虾峙门深水航槽通航优化探讨

2020-07-20李昂

世界海运 2020年6期

李昂

宁波舟山港作为长江经济带的重要港口和国家原油储备基地，每年都有大量的油散货中转集运，其中超大型油船（VLCC）更是两港原油运输的主力船型，目前，宁波舟山港核心港区30万吨级泊位共有10座。近年来，随着到港的VLCC逐年增多，笔者发现有必要优化满载30万吨级船舶通过深水航槽的时间安排和通航间距管理。

一、概况

宁波舟山港的超大型泊位分布较散，从虾峙门灯船至各泊位航程差距较大，且靠泊时间参考标准不一。宁波港主要参考镇海港潮汐，舟山港参考定海港潮汐，定海港高潮时比镇海港早50分钟左右，低潮时早30分钟左右。各码头信息及靠泊时间安排如表1所示。两港靠泊的满载VLCC吃水一般在20.5米左右，经长期观察其过槽时实际富余水深在3米以上。虾峙门深水航槽全长12海里，宽度390米，海事管理机构规定编队通航时间间距为45分钟，该模式下对航槽水域资源利用率较低，在有3条或以上VLCC排队过槽时会存在编队船舶在过槽和靠泊的时间上前后制约的矛盾，有必要对该模式下的富余水深、通航间距及编队顺序等关键性影响因素进行深入探讨并优化。

表1 宁波舟山港30万吨级码头位置及引航靠泊时间

二、富余水深和可航时段控制

（一）富余水深的计算

富余水深UKC公式=（海图水深+潮高）-（船舶吃水+船体下沉量）。

富余水深的确定关键在于准确计算船体下沉量。关于下沉量的计算，我们结合郝庆龙[1]、洪碧光[2]等以实船试验和各估算公式计算结果的比较，采用Huuska/Guliev公式：

其中：S为下沉量，米；CS为系数，取2.4；Δ为该吃水下的排水量，吨；Lpp为两柱间长，米；Fnh为水深傅汝德数，V为船速，米/秒，g=9.8米/秒2；KS为修正数，其定义如下式：

其中，在非限制性水域，KS通常取值为1.0。

对于挖槽航道Q1=Q/K1，K1取值可查阅参考文献[2]中图2。Q=AS/AC，其中AS为船舶横断面面积（AS≈0.98Bd，B为船宽，d为吃水），AC为航道断面面积，对于挖槽航道AC=Wh+nh2（W为航道底宽，n为航槽边坡斜率，h为水深）。

（二）实例计算结果及运用

以202 0年2月4日来港的VLC C“NE W PROSPERITY”（船长330米，船宽60米，吃水20.5米）为例，测得当日在过深水航槽时最浅富余水深在1418时5号浮附近（航道水深22.1米），速度9.5节，UKC实测为3.3米，查表得该时刻潮高2.60米。根据上述公式计算下沉量S=0.97米，则富余水深UKC公式=3.23米，几乎等于实测值（其误差应由公式系数和计算引起）。

用该公式计算在不同速度下通过航槽最浅点5号浮时的船体下沉量如表2所示。在本文的优化分析中，富余水深在2.5米以上，符合海事管理机构的规定（船舶吃水10%且最少2米）。从表2可知：在进深水航槽时刻潮高高于2.60米时，在航道内以8～12节速度航行均安全可行。另外考虑到一天中大部分时间航槽可通航水深在24米（潮高约1.9米）以上，并以通航速度8节和10节计算，下沉量分别为：S8节=0.70米，S10节=1.13米；富余水深分别为：UKC8节≈2.8米，UKC10节≈2.4米。因此在通航水深不小于24米时航行速度不超过10节均安全可控，该结论表明在以上条件下一天中的大部分时间符合通航水深要求，可拓宽航槽可航时段时长。

表2 不同速度下过5号浮的下沉量和富余水深

三、通航间距控制

（一）通航间距优化的必要性

虾峙门深水航槽单向通航，在满载VLCC乘潮通过时，由于过槽水深及靠泊时间的限制，同一潮水中多达3条或以上VLCC排队通过时，在满足通航规定时就只能对靠泊时间退而求其次，或者增加淌航时间。然而在两港核心港区密集的交通流下，如有2条甚至以上VLCC在航道中慢速淌航，迫使附近交通流速度过于离散，会对周围交通流产生极大影响，不利于交通的组织和航行安全。并且如因排队过槽而错过最佳靠泊时机，在宁波舟山港航道潮流复杂多变的环境下，满载VLCC靠泊也存在重大安全隐患。此外，拓宽航道宽度增加通航能力需进行航道开挖和维护，面临巨大资金需求。单向通航条件下对过槽时间和间距进行优化，可以最大程度地保障日后多条VLCC在同一潮水过潮时的航行和靠泊安全。

（二）通航间距优化

1.跟驰理论模型

跟驰理论，是指车辆在无法超车的单一车道上列队行驶时，利用动力学方法研究后车跟随前车的行驶状态，并以数学模型表达跟驰过程中发生的各种状态的理论。跟驰理论是分析和研究非自由运行状态车队行驶特性的微观模型，有制约性、延迟性（反应时间）、传递性。其最大特点是制约性，即在一队汽车中，跟随前车运行的后车驾驶员总不愿意落后很多，而且紧随前车车速，跟驰前进，但从安全角度出发，跟驰车辆要满足两个条件：一是后车的车速不能长时间大于前车车速，只能在前车车速附近摆动，否则会发生碰撞，这是车速条件；二是前后车之间必须保持一个安全距离，即在前车刹车后，两车间有足够的距离，从而有足够的时间供后车驾驶员作出反应，采取制动措施，这是间距条件，显然车速高时，制动距离大，安全距离也加大。紧随条件加上车速条件和间距条件就构成了一队汽车跟驰行驶的制约性，即前车车速制约着后车车速和两车之间的距离。

该理论非常适合虾峙门深水航槽通航模式[3][4]，即单向通航编队中后船船速和间距受编队前船速度和制动距离影响，如图1所示。

图1 交通流跟驰示意图

图1 中：B1和A1为前后船的初始位置；A2为后船开始采取制动位置；B2和A3为前后船完成制动的位置。由图中关系可知：

其中：S1为前船制动后与后船初始位置距离，米；Sb1为前船制动距离，米；S0为前船制动前两船净距离，米。

其中：S2为后船制动后移动距离，米；St=VT，即后船在反应时间T（秒）以速度V（米/秒）航行的距离，米；Sb2为后船的制动距离，米。

2.跟驰间距模型计算

跟驰理论模型中，两船先后完成制动时，两船的距离应大于安全余量Sm，即S1-S2≥Sm，整理以上各式得：S0≥Sb2+St+Sm-Sb1。计算Sb值时，在实际操作中既要满足宁波舟山两港10座超大型泊位同一潮水时段的过槽需求，即编队船舶间距和速度要尽可能符合一天中同一潮水所要求的交通量，显然间距过大速度过慢不符合现实意义；也要保证在航槽可航水域宽度受限时的航行安全，在紧急状况下能把船停住不至于碰撞或搁浅，即速度过快或间距过小也不可。在航槽中，为防发生险情，后船在选择跟随速度和间距时要考虑在必要时能紧急制动停船。由于满载VLCC操纵和航槽的双重特性，紧急时要保证它在航槽中的安全，既要保证编队的前后间距，也要在紧急制动前有足够的舵效维持它在航槽中的船位。在跟驰理论计算前后船的制动距离时，本文研究的对象是既要从引航操作实际出发，即在紧急情况下有安全间距停车淌航，在速度下降后再倒车停船，也要考虑两港现实需求，即安全间距应科学合理。以6节速度为倒车制动前速度进行数学模型分析，既能保证倒车前在顺流时有足够好的舵效，又能较快地把船停住，拖轮或拖锚制动都能发挥较好的作用。停车淌航再制动停船模式的停车冲程可由下式计算：

其中：S为冲程，米；V0为初速度，节；V1为倒车时速度，节；R0为初速度时船舶受到的阻力[5]，千牛。

其中：A（浸湿面积）=L（1.8T+CBB），T为吃水；AM（舯剖面面积）=0.993BT；ξ为剩余阻力系数，m取值1.0。

倒车冲程[4]可由经验公式估算：

其中：Sc为倒车冲程，米；Kx为船舶前进方向虚质量系数，VLCC值为1.07；Tp为螺旋桨倒车拉力，吨，估算值为Tp=0.01Np（Np为倒车功率）。

由估算公式可知，在船速6节到12节时，本文分析对象的全速倒车冲程在820.4米（2.5倍船长）至3 281.9米（10倍船长）之间，其阻力、停车和倒车冲程如表3所示。

3.深水航槽跟驰间距计算模型

倒车停船是一个极其复杂的过程，比较参考文献[5]及文献[6]中的公式计算和实船测试结果，结合参考文献[7]中必要时拖锚和护航拖轮制动效果的影响，速度12节以内该实际值应在10倍船长以内，即1.78海里。St的确认取决于后船反应时间T，实际操作中，交通流密度越大则敏感度越高。由图1可知，考虑到后船在雷达量取距离时以驾驶台为基准，为留有必要的安全保障，两船制动后的安全余量Sm取值为后船1倍船长。

表3 “NEW PROSPERITY”不同速度下的阻力及停车、倒车冲程

在计算S0时，假定后船A1速度为12节，停车淌航再制动的间距则只需计算停车和倒车（速度6节）冲程和安全余量，前船搁浅时反应时间T以0计算（立即停车）。依次分析以下几种模型情况：

（1）前船搁浅突发式停船（Sb1=0），S0=Sb2+St+Sm，St=0（T为0分钟），则S0=8 270米。

（2）后船速度大于前船速度或后船制动距离大于前船，则在两船间距缩小至8 270米之前后船要减速至等于小于或前船速度，跟随但不可追越，制动距离随之下降。

（3）后船制动距离小于前船，只需考虑后船反应时间和安全余量即可，则S0=St+Sm=1 070米（T取值2分钟）。

以上制动模型在最紧急情况下（Sb1=0）不同速度时的安全间距如表4所示。

表4 不同速度的安全间距

（三）跟驰模型在虾峙门深水航槽应用总结

实际引航中过槽速度一般在8～12节，VLCC编队通航最大的潜在危险就是搁浅，前船搁浅时以极端情况为例（Sb1=0），则航槽内船舶速度为12节时在该制动模式下的安全间距应为8 270米（4.5海里），速度10节时为6 325.5米（3.4海里）。在理论计算中，由于忽略了流体阻力和倒车船首偏转造成的斜航阻力，实际冲程应比计算值小，但在紧急制动时需考虑船首偏移量，要提前抑制。

对比航槽现有通航模式，编队船舶按固定时距45分钟（速度10～12节则间距7.5～9海里）通过，虽然对前后船舶通航安全有足够保障，但在编队整体通航和靠泊时间要求方面有较大的弊端，不利于其他船舶的安全航行。建议在符合上述富余水深要求时，使固定间距更具科学性和经济性。实际引航中，为了留有足够的富余水深和保证良好的操纵性，航槽浅滩段满载VLCC的航行速度一般在10节左右，因此间距在4海里更符合整体安全和效率的要求，避免港区内他船速度过于离散及争取靠泊时机而产生更大风险和压力。深水航槽交通流量如图2所示，按本文分析结果，在潮高1.9米时，以速度8～10节航行，在潮高2.6米以上时，现有的固定时距通航模式下航槽VLCC交通2艘次。本文通航速度10～12节、固定间距4海里的模式，可大幅提高通航艘次，1小时内交通量可达4艘次，极大地提升航槽水域资源利用率，降低追赶靠泊时机的风险。海事管理机构在实际航行监管中，可参考以下几个关键点：A点（航槽起点）为第四艘船进入点；B点为第一个4海里点，即编队中第三艘船船位；第二艘应在C点处（距浅滩出口约1海里）；第一艘船则已在航槽出口D点。第三艘船即将进入浅滩段时，第二艘船即将出浅滩，在航槽浅滩段时一般速度为10节左右，间距控制在4海里则有足够的时间和距离采取应急处置措施，航槽浅滩段之外速度可适量增减以适应航行计划，该处可航宽度也更宽，有更多应急空间。

（四）靠泊时机下的通航编队顺序

根据航槽通航水深及泊位靠泊时机的特点，两港10座30万吨级泊位最优的靠泊时间都是初落时机，即船舶在虾峙门涨水时段过槽，该时段交通流量需求最大。参考表1中靠泊时机和潮汐要求，建议两港VLCC编队进槽先后顺序为：①算山2号和1号泊位；②外钓；③册子；④大榭中油；⑤大榭实华3号和1号泊位；⑥岙山1号和5号泊位；⑦武港。