福姜沙中水道船舶操纵模拟试验研究*

应翰海，关宏旭

(1.长江南京以下深水航道建设工程指挥部，江苏 南京 210017；2.中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014；3.武汉理工大学 航运学院，湖北 武汉 430063)

福姜沙水道是长江下游河道冲淤变化较剧烈的水道之一，也是长江南京以下12.5 m深水航道二期工程中技术最为复杂的河段。工程河段呈“二级分汊、三汊通航”的格局，经过多轮技术和经济等方面的方案比选，二期工程最终选择“福中单向通航+福北单向通航”的设计方案[1-2]。但是，福北水道进口段和上段受靖江边滩尾部冲刷下移沙体的影响，深槽并不稳定[3]。二期工程试运行以来，福北航道维护疏浚量大，疏浚船舶在航道内频繁作业，影响了其他船舶的通航效率，同时船舶流量增长较快，航道维护疏浚与通航的矛盾较为突出。与此同时，福中水道则呈冲刷发展态势，其12.5 m深槽已贯通并逐渐展宽，具备进一步拓宽航道尺度的基础。本文通过分析船舶操纵模拟试验数据，研究不同水文条件、不同船型交会情况下的航迹分布及船舶航迹带宽度，论证船舶交会时的最小安全距离，为实现福中水道双向通航、进一步发挥其航运潜能提供参考。

1 福姜沙中水道通航现状

长江南京以下12.5 m深水航道选择福中水道和福北水道作为福姜沙水道12.5 m深水航道的通航主通道，设计为单向航道，设计最小宽度为260 m，其中福中水道为下行通航分道，福北水道为上行通航分道。2018年5月长江南京以下12.5m深水航道二期工程整体交工投入试运行。试运行初期，为充分利用航道水深条件，福中航道最小宽度定为350 m(52#和53#浮附近)，船长150 m以上的上行大型船舶和自身操纵能力受到限制的其他上行船舶，可选择福中水道行驶，但避免在51#浮与53#浮之间与船长150 m以上的下行大型船舶会船。试运行之后，福北水道通航船舶数量大，洪季航道维护量也较大，航道维护与通航的矛盾较大。2018年6月，经海事部门同意，福中航道最小宽度增加至400 m(52#和53#浮附近)，同时允许船长110～150 m的上行船舶选择福中水道行驶，以减小福北水道通航船舶流量(图1)。

图1 福姜沙水道试运行期通航组织示意

二期工程试运行以来，福北航道维护疏浚量大，3条大型疏浚船舶同时在航道内维护疏浚，影响了船舶通航效率。另外，深水航道开通之后，船舶流量增长较快，日均通航船舶约800艘次，航道维护疏浚与通航的矛盾较为突出。与此同时，福中水道则呈冲刷发展态势，12.5 m深槽已贯通并逐渐展宽，航道无须维护即能保持良好的水深条件。但是现行航道在52#至53#浮航段宽度较小(图2)，在航道53#浮处转弯较大，落潮流向54#黑浮推压明显，大型船舶的交会存在较大困难[4]。为充分利用福中水道优良的航道水深条件，有必要通过船舶操纵模拟试验，研究进一步拓宽福中水道并实现双向通航的可行性。

注：51#航宽496 m；52#航宽400 m；53#航宽400 m；54#航宽529 m。

2 船舶双向通航模拟工况

2.1 试验代表船型

根据长江南京以下12.5 m深水航道二期工程初步设计，江阴大桥以下将5万吨级海轮(包括5万吨级集装箱船、油船、散货船和化学品船)作为设计船型，5万吨级以上其他海轮作为兼顾船型。本次船舶操纵模拟试验选定5万吨级集装箱船、8万吨级和5万吨级油船、15万吨级散货船等4种船型作为代表船型，船型主要参数见表1。

表1 仿真模拟试验船型

2.2 试验条件

2.2.1气象

52#～53#浮标段是福中水道航道宽度最窄(400 m)处，也是本次模拟的重点航段，其航道走向070°～250°，流向与航道走向交角不大，风对航迹带及艏向的影响更为明显，对航行最不利条件风向为340°(正横、对整治建筑物最不利风向)及160°(正横、洪水期常见不利风向)。依据现场自然条件，模拟气象条件设置风向为340°和160°，风力7级；降雨不大于中雨；雾天水平能见度不小于2 km。

2.2.2水文

选取平均枯季流量1.6万m3和洪季造床流量5.75万m3分别叠加大潮落急时刻进行模拟，模拟结果最终导入模拟器内进行船舶操纵实操模拟。

2.3 试验方案

目前，福中水道52#～53#浮航段是福中水道航道宽度最窄处，航宽400 m。航道北边线距离整治建筑物约98 m，航道南侧为小船推荐航路。考虑到航道边线与整治建筑物的安全距离以及对小船通航的影响，拟采用航道最小宽度提升至420 m的方案进行船舶操纵模拟试验。在模拟试验过程中由经验丰富的船长、引航员进行船舶操纵，同一工况下分别进行3次操作，其中上行船舶选择满载船舶、下行船舶选择压载船舶。

3 船舶双向通航模拟数据分析

3.1 船舶交会距离

试验数据显示，在大通流量1.65万m3s枯水期涨急条件下，上行船舶顺流航行过程中，在51#～53#黑浮之间水域船舷与航道左边线最小距离约为48 m，与52#黑浮平均距离为80.4 m，与53#黑浮平均距离为88.0 m。上行船与左边线最近距离安全略显不足，但参与试验的船长反映，上行船舶顶流航行时船舶操纵性能较好，能够满足船舶双向通航的要求。下行船舶顶流航行过程中，在51#～53#红浮之间水域船舷与航道右边线最小距离约为57 m，与52#红浮平均距离为87.9 m，与53#红浮平均距离为80.7 m，均符合《海港总体设计规范》[5](简称规范)规定的船舶与航道底边线的安全距离为1～1.5倍船宽的要求。两船间距最小约为115 m，大于规范要求的“船舶间富余宽度取1倍船宽”的相关要求。枯季大潮涨急条件下能满足15万吨级及以下船舶双向通航。1.65万m3s流量下船舶模拟数据见表2 。

表2 大通流量Q=1.65万m3s枯季大潮涨急时刻船舶双向通航试验数据

表2 大通流量Q=1.65万m3s枯季大潮涨急时刻船舶双向通航试验数据

船型组合 距离类型 距离∕m51#52#53#平均值最小值平均值最小值平均值最小值上行:8万吨级油船下行:5万吨级集装箱船上行航道边界110.09883.07293.080下行航道边界118.710197.07788.770两船间距191.7183155.0146158.3150上行:15万吨级散货船下行:5万吨级集装箱船上行航道边界113.39988.77498.784下行航道边界112.310196.37787.070两船间距187.3183139.3133141.7138

续表2

在大通流量5.75万m3s洪水期落急条件下，上行船舶在顶流航行过程中，在51#～53#黑浮之间水域船舷与航道左边线最小距离约为53 m，与52#黑浮平均距离为74.9 m，与53#黑浮平均距离66.6 m，符合规范要求；下行船舶顺流航行过程中，在51#～53#红浮之间水域船舷与航道右边线最小距离约为50 m，与52#红浮平均距离为102.0 m，与53#红浮平均距离为81.7 m，大于规范要求。两船间距最小距离约为108 m，大于规范要求的“船舶间富余宽度取1倍船宽”的要求。洪季落急条件下，能满足15万吨级及以下船舶双向通航。5.75万m3s流量下船舶模拟数据见表3。

表3 大通流量Q=5.75万m3s洪季大潮落急时刻船舶双向通航试验数据

表3 大通流量Q=5.75万m3s洪季大潮落急时刻船舶双向通航试验数据

船型组合距离类型距离∕m51#52#53#平均值最小值平均值最小值平均值最小值上行:5万吨级集装箱船下行: 8万吨级油船上行航道边界123.3121727071.067下行航道边界121.7119102.39887.783两船间距167.7161168.0161182.0176上行:5万吨级集装箱船下行:15万吨级散货船上行航道边界121.311367.35869.766下行航道边界93.085129.711777.358两船间距190.3180124.0108*182.7159上行:5万吨级油船下行:15万吨级散货船上行航道边界124.311773.77066.063下行航道边界115.094112.79663.350*两船间距166.0145134.7126202.0194上行:15万吨级散货船下行:5万吨级油船上行航道边界120.011569.76761.058下行航道边界128.312199.09583.080两船间距159.0147167.0165191.0189

续表3

同时，咨询11位引航员、8位船长后可知，为保障船舶航行安全，驾引人员通常认为在航道内航行的船舶与灯浮的安全距离一般约为50 m，与规范要求的船舶与航道底边线的安全距离为1～1.5倍船宽基本一致。因此，航道内航行的船舶与灯浮的安全距离保持50 m左右是可接受的，符合驾引人员对航行安全的基本要求[6]。因此可以认为，在试验工况下福中水道420 m宽方案可以满足15万吨级及以下船舶双向通航。

3.2 船舶航迹带宽度

福中水道52#～53#浮之间船舶航迹带宽度见表4 和图3。随着大通流量的增大，船舶航迹带宽度增加，船舶操纵模拟试验统计的航迹带宽度与规范计算值的差距缩小，大流量条件对船舶航行的操纵性能要求更高。

表4 不同工况下船舶航迹带宽度 m

图3 Q=5.75万m3s洪水期落急时刻双向通航航迹带

4 结论

1)在1.65万m3s流量枯水期涨急条件下，上行船距离航道边界最近约为48 m，下行船距离航道边界最近约为57 m，两船间距最近距离约为115 m；在5.75万m3s流量洪水期落急条件下，上行船距离航道边界最近约为53 m，下行船距离航道边界最近约为50 m，均符合规范要求。船舶交会过程中操纵没有明显影响，在试验方案条件下，船舶之间加强沟通，协调避让，可以满足15万吨级及以下船舶双向航行的安全要求。

2)在大通流量1.65万m3s及5.75万m3s条件下，各代表船型的航迹宽度均小于计算值。但随着大通流量的增大，船舶航迹带宽度增加，说明大流量条件对船舶航行的操纵性能要求更高。