黄骅港煤炭港区超限船舶对航道通航效率的影响

丁文涛，薛天寒，左天立，查雅平

(交通运输部规划研究院，北京 100028)

黄骅港煤炭港区是我国重要的能源运输枢纽和“北煤南运”第二通道的主要出海口，年煤炭运输量超过2亿t，对保障我国能源安全和煤炭运输通畅的意义重大。作为在粉砂质海岸上通过大规模疏浚、吹填建设的港口，煤炭港区进港航道狭长，总里程超过40 km，航道扩建和维护成本较大，通航环境复杂，通过能力有限。

人工长航道的通过能力和通航效率受船舶进出港管理规则的影响较大。目前，煤炭港区进港航道以煤炭船舶通航为主。地区经济发展提出通航LNG(液化天然气)、低温液化烃等船舶的需求，此类船舶进出港通航管制严格[1]，超出了煤炭船舶的管理标准，难以与煤炭船舶统一编组，对煤炭船舶进出港调度和效率产生影响，因此本文概括为超限船舶。

针对船舶通航规则和航道通航效率，国内外学者开展了大量研究，LNG船舶、超大型船舶等管制规则特殊的船舶是通航效率影响研究的重点。沈忱等[2]针对曹妃甸LNG码头建设规模和通航效率适应性开展了仿真研究；史殿中[3]基于仿真技术对超大型船舶通航对航道通过能力影响进行了定性和定量分析；周伟等[4]对长江口深水航道大型船舶进出港过程进行仿真，分析不同交会宽度限制对船舶通航的影响；唐颖等[5]基于航道管制规则等影响因素对广州港深水航道船舶进出港全过程进行仿真分析。

国内外人工长航道条件下通航一定规模超限船舶的情况相对较少。为了论证超限船舶对煤炭港区航道通航效率的影响，保障煤炭船舶下水能力，本文基于多智能体仿真建模方法，进行煤炭港区船舶进出港全过程仿真模拟，定量分析不同吞吐量规模、不同航道条件和不同管制规则对超限船舶的航道通航效率的影响，为煤炭港区规划建设和航道管理提供参考。

1 煤炭港区通航环境

1.1 进港航道现状

目前煤炭港区航道底高程-14.0 m，可满足5万吨级散货船全天候、7万及10万吨级散货船舶乘潮进出港要求，航道有效宽度270 m。口门段航道底高程-15.0 m，有效宽度290 m。

双向通航规定方面，现状航道实行有条件的双向通航，其中口门段只允许单向通航，其余航段满足3.5万吨级及以下散货船、5万与2万吨级散货船双向通航要求。由于到港船舶5万及以上吨级的比例较大，2018年已经达到65%以上，航道基本以单向通航为主。煤炭港区进港航道见图1。除现状外，研究中增加考虑5万吨级有条件双向通航的航道段放宽为5万吨级及以下散货船双向通航，口门处继续维持单向通航。

图1 煤炭港区进港航道

1.2 超限船舶通航管制

超限船舶通航规则比普通货船严格，如LNG船舶通航须设置移动安全区，在航道内航行的或需要穿越航道航行的船舶(除护航、警戒船舶外)应保持在移动安全区外。低温液化烃船舶由于与LNG船舶类似，经常比照LNG船舶进行管理。对于煤炭港区人工长航道，超限船舶主要的通航管制措施如下：

1)严格单向通航。进出港全过程中，不允许与其他船舶发生交会，实行严格的单向通航。

2)加大安全间距。煤炭船舶前后安全间距在1.5 n mile以上，超限船舶由于具有一定的危险性，与前后船舶的安全间距大于煤炭船舶。

3)禁止夜航。参考大部分港口对危险品船舶进出港的管理，禁止超限船舶夜航。

2 通航效率影响评价方法

2.1 仿真模型

航道通航效率关系到港口系统运营[6]，超限船舶产生的通航效率影响属于复杂系统的适应性问题。本文采用多智能体仿真方法，将港口系统概化为船舶-航道-泊位三者交互的仿真模型，模拟煤炭港区船舶进出港、作业及靠离泊全过程，进而分析超限船舶进出港产生的通航效率影响。模型逻辑见图2。

图2 船舶-航道-泊位仿真模型逻辑

根据煤炭港区船舶作业历史数据统计分析进行参数设定。对2017年煤炭港区船舶到港时间分布进行拟合，发现船舶到港时间间隔服从负指数分布，拟合参数R2为0.99，故模型按照负指数分布规律生成船舶。

超限船舶到港规律无历史数据参考，综合考虑后方产业需求的均衡性和区域冬季用气高峰影响，按照均匀分布规律生成，设置其中4个月为超限船舶到港高峰期，到港船舶占全年的50%。

2.2 工况设置

2.2.1仿真工况

基于煤炭港区基础设施和生产运营现状，结合港区建设规划和吞吐量增长，设置6种工况，重点分析不同航道条件、不同到港船舶流量和超限船舶不同管制规则对超限船舶通航的影响。煤炭泊位个数按照黄骅港煤五期工程实施后进行考虑，航道条件考虑现状有条件的双向通航和放开5万吨级船舶双向两种，船舶流量按照吞吐量2.5亿和3.0亿t两种进行设置，超限船舶管制规则考虑前后安全距离为3 n mile和5 n mile两种。为与有超限船舶的工况进行对比，工况6设置为无超限船舶的情况。仿真工况设置见表1。

表1 仿真工况设置

2.2.2船型设置

煤炭港区到港船舶大部分都是煤炭船舶，分析煤炭港区历年到港煤炭船舶结构变化，结合船舶大型化发展趋势，分别预测煤炭吞吐量2.5亿和3.0亿t条件下的到港船舶流量见表2。煤炭港区其他货种船舶较少，根据规划吞吐量和码头等级进行设定。

表2 煤炭船型结构预测

2.3 评价指标

从船舶等待航道时间、延误船舶数量、船舶延误时间和煤炭吞吐量4个角度评价超限船舶对航道通航效率的影响。

1)船舶等待航道时间：船舶指定泊位后，等待航道满足进出港条件需要的时间，包括进港等待航道时间和出港等待航道时间。

2)延误船舶数量：包括全年延误船舶数量和单船延误数量，以在超限船舶进出港和靠离泊期间因超限船舶而导致不满足进出港航行条件为标准进行统计，单船延误数量是全年延误船舶数量与到港超限船舶数量的比值。

3)船舶延误时间：受超限船舶通航影响，延误船舶的平均延误时间。包括直接延误时间，(以因超限船舶通航直接导致不满足进出港航行条件为标准进行统计)和全部延误时间(以最终进出港时间与首次因超限船舶不满足进出港航行条件的时间之差进行计算)。

4)吞吐量：煤炭港区全年完成装卸作业船舶的装卸货物总质量。

3 通航效率影响结果分析

3.1 等待航道时间

统计各工况船舶等待航道时间见图3，可知煤炭港区航道资源较为紧张，进港等待航道时间在9 h以上，随着到港船舶数量增加，船舶等待航道时间总体呈现增长趋势。航道条件提高至5万吨级完全双向，对减少等待航道时间有一定作用，工况4、5比工况3进港等待航道时间分别减少了0.8、0.7 h。对比工况1和2，超限船舶从40艘次增加到70艘次，进出港等待航道时间均增加0.1 h，对比工况5和6，没有超限船舶比超限船舶70艘次情况下，进港等待航道时间减少0.4 h，出港减少0.1 h。分析认为超限船舶通航对航道整体服务水平产生一定影响。

图3 船舶等待航道时间

3.2 延误船舶数量

统计受超限船舶影响延误船舶数量见图4。根据仿真结果，超限船舶在40艘次时，单船造成的延误船舶为1.6艘次，超限船舶达到70艘次后的工况2～5单船造成的延误船舶均超过2.4艘次，在2.4～3.6艘次之间。分析认为，随着到港超限船舶数量增加，延误船舶数量迅速增加，从工况1到工况2，超限船舶增加了0.75倍，其他条件不变，但延误船舶数量增加了1.63倍；到港船舶总数会正向影响延误船舶数量，对比工况2和3，超限船舶数量维持70艘次不变，其他船舶数量增加，延误船舶也增加了21艘次，说明船舶流量越大，超限船舶造成的延误船舶数量也会增长；高峰期超限船舶影响进一步加剧，工况2～5的高峰期延误船舶数量占全年比例均在50%以上。

图4 受超限船舶影响延误船舶数量

对比工况4和5，发现超限船舶前后安全距离从3 n mile提高至5 n mile后，延误船舶数量迅速增加，增加了0.47倍，超限船舶单船延误数量从2.4艘次增加到3.6艘次，受到影响的船舶范围明显变大。

3.3 船舶延误时间

直接延误时间能够反映受延误船舶的直接影响程度，全部延误时间反映受延误船舶的总体进出港等待时间。各工况受超限船舶影响直接延误时间之和见图5。可以发现，随着超限船舶数量增加，受影响的船舶平均延误时间也出现增长，对比工况1和2，超限船舶增加了0.75倍，但延误时间之和增加了1.45倍。

分析超限船舶单艘造成的延误时间可知，超限船舶增加后，单船影响强度也在增加。超限船舶40艘次时单船造成的延误时间为0.84 h，超限船舶达到70艘次后的工况2～5单船延误时间均超过1 h，在1.18～1.93 h。

图5 受超限船舶影响船舶延误时间

对比工况4和5发现，船舶延误时间迅速提高，与延误船舶变化趋势一致，超限船舶单船造成的延误时间从1.18 h以内增加到1.93 h，超限船舶增加后造成的影响强度也迅速提高。

延误船舶的平均和同异向延误时间见表3。分析可知，超限船舶前后安全距离加大后，船舶平均延误时间随之增加，工况5已增加至6.65 h。与超限船舶异向的船舶延误时间明显大于同向，异向延误时间基本在6.5 h以上，同向延误时间均在4 h以内。

表3 延误船舶平均和同异向延误时间

3.4 吞吐量

工况5超限船舶管制更为严格，延误船舶数量和船舶延误时间都比其他工况大，以工况5为例统计各月份港区吞吐量变化见图6。计算发现，工况5超限船舶到港高峰期的平均吞吐量比其他时间吞吐量低近180万t月。

分析认为，超限船舶对航道通航效率的影响会进一步反映在泊位作业上，加大泊位作业的不平衡性。超限船舶到港高峰期全港吞吐量比无超限船舶或者船舶较少时普遍偏低。工况2～5的超限船舶均为70艘次，虽然航道条件和其他货类吞吐量设定存在不同，但是超限船舶到港高峰期的平均吞吐量比其他时间低98～176万t月。

图6 工况5各月份吞吐量变化

对比工况5和6，无超限船舶情况全年完成的吞吐量比超限船舶70艘次情况下完成的除超限船舶运输货类外的其他货类吞吐量多425万t。

4 结论

1)煤炭港区现状航道资源十分紧张，通过能力有限。工况1～3船舶进港平均等待航道时间都超过9 h，航道资源较为紧张，航道服务水平较低。同时由于人工长航道的现状，加之双向通航存在限制，航道通过能力十分有限。

2)超限船舶进出港将对航道通航效率产生明显影响。超限船舶在达到70艘次时，单船造成延误船舶超过2.4艘次，高峰期影响进一步加剧，占全年比例均在50%以上。延误船舶的平均延误时间集中在5.8～7.0 h，异向延误时间更长。

3)超限船舶管制规则关系通航效率影响程度，超限船舶前后安全距离从3 n mile提高至5 n mile后，延误船舶增加了0.47倍，超限船舶单船造成的延误时间从1.18 h以内增加到1.93 h。

4)超限船舶通航规则不同于航道中大部分船舶，会对航道通航效率产生明显影响，建议煤炭港区控制超限船舶流量，保障国家煤炭运输通道的通畅。