三峡库区弯曲河段船舶航行过桥操纵风险定量分析

谭志荣 高兴 马奕 赵林基

摘 要：弯曲河段跨江桥梁的法向方向与水流流向夹角随着水位变动处于常年周期性变化，导致汛期水流流速大时船舶航行过桥会产生较大操纵环境压力。运用长江干线通航标准中的偏移量公式，建立流致漂移数学模型，收集典型忠州长江大桥汛期的水流数据和代表船型资料，计算不同工况下船舶航行下水过桥的漂移量，得出影响漂移量的水流流速、船舶速度和偏航角等定量关系。计算结果表明：汛期流速大且水流夹角变大时，船舶按照习惯航法或者低速航行时将产生较大的船撞桥墩风险。最后提出船舶操纵建议，并通过增设多功能航标，采集水文、气象信息提供给驾驶人员，以此来保障船舶航行安全。

关键词：水位变动;漂移量;船撞桥

中图分类号：U698              文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）11-0053-03

船撞桥是水上交通安全领域的研究热点[1-2]，杨君兰[3]提出计算不同可接受风险程度下桥梁通航净宽尺度的计算方法。徐言民[4]通过船舶操纵模拟实验，构建了桥梁主动防船撞预警系统。范平易[5]通过数值模拟方法分析了建桥前后桥区水流变化及其对航道通航的影响。

近年来，三峡库区由于水位调节，部分限制性桥梁的通航风险有所增加。譬如，忠州长江大桥（长江上游航道里程约为428.8km），大桥上游有约1.6km的河段江中有塘土坝（在162m水位时淹没），下游顺直河段长约3.5km。桥区上游塘土坝的存在，高水位时期淹没，船舶可正常航行于该区域。但是在汛期，当水位变动时，塘土坝部分露出水面，导致该河段产生了冲向右岸的斜流。

1忠州长江大桥河段流致漂移量的计算

1.1忠州长江大桥河段流致漂移模型

研究水流作用下的流致漂移量，需要建立起坐标系。设坐标的y轴平行于大桥轴线，x轴平行垂直于大桥轴线，如图2所示。

为了进一步分析船舶在水流作用下的流致漂移量，现进行建模分析。

在船速Vs和流速Vf已知时，假定船舶至桥航程为S，则船舶在以此速度和航向通过桥梁的时间T为：

T=S/（Vscosα+Vfcosβ）                        （1）

这样船舶在y轴方向流致漂移量为：

B=Vy×T=（ Vssinα+Vfsinβ）×S/（Vscosα+Vfcosβ）   （2）

1.2忠州长江大桥水流特性

依据现场调研及走访，下行过桥船舶偏航角（α）汛期在12-18°之间，非汛期在0-5°之间，见表1。

2 基于MATLAB 的船舶流致漂移量

2.1汛期不同航速和水流速度作用下的漂移量计算

现选用水流夹角（β）为25°，船舶偏航角（α）为16°，分别选取计算河长为1500m、2500m、3000m的实验条件（假设河段为顺直河段，流速不变）研究不同水流速度及船舶速度对漂移量的影响，结果如表2、表3、表4：

2.2汛期在不同船舶偏航角和水流夹角下的漂移量

现选用水流速度（Vf）为3.5m/s，船舶速度（Vs）为14km/h，计算河长为1500m的实验条件研究不同船舶偏航角对漂移量的影响，结果如表5：

2.3计算河长与流致漂移量关系

现选用汛期条件为水流速度（Vf）为4m/s，水流夹角（β）为25°，船舶速度（Vs）为15km/h，船舶偏角（α）为16°的实验条件研究不同计算河长对漂移量的影响，具体结果如表6：

3 影响漂移量的因素关联度分析

为了直观描述各个要素与船舶漂移量之间的关系，现使用MATLAB绘制图像。

3.1不同航速和水流速度与船舶漂移量关系

当其他条件一定时，水流速度越大，流致漂移量越大;船速越大，流致漂移量越小。当计算河长为1500m时，船速不应低于12km/h，偏航角不应小于16°。当计算河长为2500m以及3000m时，船速不应低于14km/h，偏航角不应小于15°。在流速较大时应保持谨慎航行，且在适当时机提高航速，实时调整航行，以此减少漂移量。

3.2 船舶在汛期不同船舶偏航角和水流夹角下的流致漂移量

从图7可以看出，当其他条件一定时，船舶偏角越大，流致漂移量也就会相应减少;水流夹角越大，流致漂移量也就会相应增加。

4 基于多功能航标的水流信息预警

可以在桥区水域安装多功能航标（如图8），通过多功能航标上的各种传感器测得实时的水文、气象数据，并且通过AIS设备将这些數据发送给过往船舶、航道管理部门和海事监管部门。在接收到多功能航标发送的数据后，驾驶员可以判断航道的实时状况，为船舶的操纵提供信息决策支持，保障船舶的安全航行。

5 总结

本研究对船舶通过桥区水域的安全条件进行了界定，并结合多功能航标将水流信息传递给过往船舶，后续将进一步提升桥梁水域的船舶通航服务水平。

参考文献：

[1]庄元. 桥梁通航论证关键技术研究[D].武汉理工大学，2008.

[2]谭志荣.长江干线船撞桥事件机理及风险评估方法集成研究[D].武汉理工大学，2011.

[3]杨君兰. 基于风险可接受程度的桥梁通航净宽尺度设计[J]. 船海工程， 2012， 41（001）：129-131.

[4]徐言民. 基于操纵模拟的桥区水域船舶通航安全预控研究[D]. 上海交通大学.

[5]范平易， 邹早建， 汪淳. 基于桥区水流数值模拟的桥墩对通航影响分析[J]. 中国航海， 2010， 33（001）：37-41.

基金项目：国家自然科学基金（项目批准号：51809207）