单回旋水域可支撑的泊位数量研究

陈哲淮

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

近年来，越来越多的新建港口工程依托防波堤等防护建筑物进行掩护，通常采用单环抱或双环抱的平面布置形式。为了减少工程费用，节省宝贵的海洋资源，该类项目常常仅设置单个回旋水域。现行港口工程规范[1]和文献[2-6]均未提及单个回旋水域可支撑的泊位数量，仅从节约岸线的角度出发，大量布置泊位，可能导致项目建成后回旋水域紧张。本文结合越南永兴电厂码头工程的平面方案，采用逻辑推理的方法，并借助排队论进行分析，研究单个回旋水域可支撑的泊位数量，具有一定的实用价值。

1 工程概况

某港口工程建设规模为港口吞吐量4 000万t/a，拟建设8个5万～10万吨级泊位。

港口工程港址处岸线基本为东西走向，-10 m水深线距离天然岸线仅1 km，-5 m水深线距离天然岸线约300 m。根据现场收集到的实测波浪资料及其统计结果并结合波浪数学模型试验研究结论，港址处海域波向主要集中在NE和SW两个方向，强浪向为SW向和ESE向，外海SW向重现期50 a的H1%波高约5.0 m，ESE向重现期50 a的H1%波高约6.6 m，波玫瑰图见图1。

图1 波玫瑰图Fig.1 Wave rose diagram

根据工程处建设条件和项目建设规模，码头平面布置方案为：建设东西2条防波堤，呈双环抱形式，防波堤堤头位于波浪破碎水深以外，且堤头与顺岸式码头距离超过5倍船长。2条防波堤之间留出足够距离，可顺岸布置2个5万吨级生产性泊位，2条防波堤内侧可布置4～6个5万吨级码头，本工程码头的布置形式类似大型挖入式港池。

通过分析鹿特丹港、马赛港福斯港区、安特卫普港、香港葵涌港区、台北港、广州南沙港区等国内外大型挖入式港池船舶回旋水域的布置，主要有两种形式：一种是回旋水域直接布置在停泊水域的前方，该类型港池宽度比较大，例如马赛港福斯港区，优点是船舶调头比较方便，可以提高船舶的进出效率；另一种是回旋水域集中布置，该类型港池宽度比较小，船舶由拖轮辅助靠离泊，例如鹿特丹港的内港池，缺点是船舶密度大时需要候船等待调头。为了节省工程投资，减少疏浚工程费用，本工程布置1个回旋水域，码头平面布置见图2。

图2 码头平面布置示意图Fig.2 Layout plan of the wharf

2 回旋水域可支撑泊位数量

参考国内外类似大型码头的布置形式，本工程集中布置1个回旋水域供港内码头共用，平面布置的关键在于单个回旋水域能否支撑8个泊位的靠离泊使用要求。

为了研究这个问题，笔者查询规范、规划、文献等资料，发现类似布置方案港内一般布置8个泊位，更有甚者，布置了12个泊位共用1个回旋水域，但并未搜到单个回旋水域可支撑的泊位数量的研究内容。本文研究思路为：根据港口计划吞吐量和码头规模，分析船舶流量；根据规范对泊位利用率的建议值，提出回旋水域利用率的概念；根据船舶流量，计算回旋水域利用率，分析单个回旋水域是否满足本工程需要；采用回旋水域利用率的极值，计算单个回旋水域可支撑的泊位数量。

1）船舶流量测算

港口吞吐量4 000万t/a，5万吨级船舶平均载货量取3.5万t，码头年作业天数取320 d，则年到港船舶艘次为：

考虑到港时间不平衡性，船舶进出不平衡系数取1.3，则船舶到港高峰数量为N日=4.7艘/d。

2）回旋水域利用率

JTS 165—2013《海港总体设计规范》[1]规定，泊位利用率为一年中船舶实际占用泊位的天数与年日历天数之比。合理的泊位利用率建立在平衡港、航、货三方利益的基础之上，泊位利用率越高，船舶待泊的可能性就会越大，会增加航运公司及货主的成本；泊位利用率过低，会导致码头泊位过度空闲，资源得不到有效利用，会严重影响港方的经济效益。规范规定泊位利用率一般取60%，通常不超过70%。考虑到船舶利用回旋水域调头和船舶占用泊位的性质类似，因此，本文提出回旋水域利用率这一概念，并按照船舶占用回旋水域靠离泊位的特点，提出计算公式。回旋水域利用率指船舶进出港占用回旋水域的小时数与24 h之比，可按下式计算：

式中：数字2表示船舶进出港占用2次回旋水域；N日为船舶到港高峰数量；Tb为每艘次船舶占用回旋水域的平均时间；0.5表示船舶占用回旋水域的安全间隔时间为0.5 h。本工程船舶通过进港航道重载进港，在回旋水域调头，然后去往相应的泊位靠泊并进行卸船作业，卸船完成后，船舶再依次通过回旋水域和航道出港，船舶进出港流程如图3所示。

图3 船舶进出港流程图Fig.3 Flow chart of ships entering and leaving the port

根据规范，本工程5万吨级船舶进港重载调头占用回旋水域时间约1.5 h，离泊占用回旋水域时间约0.5 h，每艘次占用回旋水域的平均时间约1 h，经计算，本工程回旋水域利用率约55%。

根据泊位设计任务量，采用规范公式反算泊位利用率如下：

根据《海港总体设计规范》[1]，船舶平均载货量取3.5万t，船舶靠泊时间取1.5 h，离泊时间取0.5 h，开工准备、结束等其他辅助时间取2 h，根据本工程工艺配置，装卸1艘设计船型所需时间取32 h，经测算，本工程泊位利用率约62%。

对比分析本工程回旋水域利用率和泊位利用率，可以得出结论：单个回旋水域可支撑本工程码头吞吐量及相应工艺配置的泊位数量8个，且回旋水域还有一定的潜力。

采用上述回旋水域利用率计算公式，按规范提出的泊位利用率参考值上限75%，以本工程泊位参数，反算回旋水域可支撑的泊位数量为10个，即本工程码头规模的情况下，单个回旋水域可支撑的最大泊位数量为10个。

3 排队论验证

为进一步论证单个回旋水域可支撑的泊位数量，本文采用排队论[7]进行分析如下。

排队论（Queuing Theory）是研究服务系统中排队现象随机规律的学科，是数学运筹学的分支学科，研究内容有3个方面：1）系统的性态，即与排队有关的数量指标的概率规律性；2）系统的优化问题；3）统计推断，根据资料合理建立模型。研究目的是正确设计和有效运行各个服务系统，使之发挥最佳效益。根据本工程进出港流程（见图3），为便于分析，将船舶进出港使用回旋水域的时间分摊至泊位。

排队论分析常见的排队类型有单队单台、单队多台、多队多台、单队多台（串）等，简化后的船舶进出港符合单队多台排队类型。

排队论排队规则是指顾客到达系统后排队等候服务的方式和规则，可分为3种类型。

1）损失制（消失型）：指顾客到达时若所有服务实施均被占用，则顾客自动离去。

2）等待制（等待型）：指顾客到达时若所有服务实施均被占用，则留下来等待，直至被服务完离去。等待制的排队规则又可按顾客被服务的次序分为先到先服务（FCFS）、后到先服务（LCFS）、随机服务（SS）、具有优先权的服务（PS）。

3）混合制（损失制和等待制的混合）：既允许排队又不允许队列无限长，主要分为系统容量有限制、等待时间有限制。

本工程船舶进出港使用回旋水域采用先到先服务的等待制。

根据《港口规划与布置》[8]，船舶随机到港，船舶作业占用泊位的模式也具有随机性，大量统计资料表明，船舶随机到港的规律符合泊松分布，船舶靠泊作业占用泊位时间符合负指数分布，本工程可采用排队论中的M/M/S模型进行模拟，有n艘船在港的概率Pn采用如下公式计算：

按上述船舶进出港简化流程图，将每艘次船舶占用回旋水域的时间分摊到泊位上，也就是计算平均每艘船舶的装卸时间时，增加船舶占用回旋水域的时间。λ取前述的3.6艘/a，按前述本工程设备配置方案，经计算μ为0.714，ρ为63%，与规范公式计算值大致相同。经计算，船舶在港概率见表1。

表1 船舶在港概率表Table 1 Probability table of ships in port

当保证率取90%时，根据排队论计算结果，本工程布置8个泊位可满足规划泊位等级下的吞吐量。

4 结语

1）按本文提出的回旋水域利用率概念及计算公式，在本文选定的码头规模和设备配置的基础上，单个回旋水域的利用率为55%时，回旋水域可供8个泊位使用。

2）在本文选定的码头规模和设备配置的基础上，参考规范对泊位利用率建议值的极值情况，在回旋水域的利用率取75%时，回旋水域可供10个泊位使用。

3）通过简化模型和理论化参数取值，本文采用排队论分析本工程码头建设规模，分析结果可以一定程度验证单个回旋水域可支撑的泊位数量。