港口水域航道规划设计难点与对策研究

娄万里，王能贝

（浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310006）

港口水道是船舶进出港口的必经之路，其合理与否与港口进出港口的安全性密切相关。港口的水运是港口规划、设计和维护中的一项关键内容[1]。在港口水运通道的规划中，主要考虑了水运通道的血线、规模和港口航行标识等方面的问题。随着全球贸易的增加，港口水域航道规划设计变得越来越重要[2]。在这个领域中，规划师必须考虑多种因素，如航道深度、船只尺寸、交通流量、海洋气候等。因此，港口水域航道规划设计面临着一些独特的难点和挑战。

首先，港口水域航道规划设计需要充分考虑不同种类船只的需求。不同类型的船只有不同的尺寸、吃水深度、转向半径和速度，这些因素必须被纳入考虑[3]。其次，规划师必须考虑海洋气候的影响，如风、潮汐和浪涌等，这些因素会影响船只的稳定性和操作能力[4]。此外，随着船只尺寸不断增大，航道的设计也变得更为复杂。航道深度、宽度和转弯半径等参数需要根据不同类型的船只进行优化设计[5]。在这个过程中，需要考虑到港口的使用率和交通流量，以确保船只能够安全、高效地通过航道[6]。

在面对这些难点和挑战时，规划师需要采取一系列对策来解决问题。这些对策包括建立精细的航道模型、应用高精度的测量技术、利用先进的计算机模拟和优化方法等[7]。此外，规划师还需要与港口管理部门、船舶运营商和海事监管机构等相关方进行充分沟通和协调，以确保规划设计符合各方需求和标准[8]。因此，港口水域航道规划设计是一个高度复杂的任务，需要综合考虑多个因素，并采取有效的对策来应对挑战。如何科学、科学地进行港湾河道的规划与养护，对于实现港湾河道的规划与养护是十分必要的。

1 航道设计工作的重要性

水路运输的发展直接关系到我国在“两个大”中的“两个小”，也关系到我国与世界各国之间的经济交往。尽管我国有很多地方因为其特殊的区位，而已是中国外贸快速发展和繁荣的地方。但是，一些地区的水路运输设施的发展还不能很好地满足地方的地区经济发展的需求，更不能满足依靠口岸在外地运输国内外货物和原料等方面的需求。

因此，随着我国各地区经济的均衡发展和工业经济向发达地区的不断转变，中国水路工程也必须紧追不舍。从目前的形势看，随着国内造船朝着 LNG、原油、矿石及集装箱船的大型化发展，对水路建造技术的需要也随之增加，对其工程师的技术要求也随之提高。与此同时，中国不断发展的港口建设，以及大量河道的开挖、挖沙、填沙等，使得许多河道的底质状态发生了变化，进而对原有的通航环境造成了一定的破坏。因此，无论是工程设计者还是科研工作者，都应该对目前形势下的水运规律进行深入的探讨与创新。在深入探索适应现代航线的运营技术的基础上，努力进行技术创新，从而进一步提升航线的品质，促进我国水路运输的发展。

2 港口水域航道合理规划设计存在的问题

2.1 存在的问题

通过对目前国内港口的调研和分析，随着我国海运产业的迅速发展，由于其基本设备和服务的不健全，造成了整个运输系统的运行效率低下，同时也产生了一定程度的“环境污染”现象。在港口航道的建设方面，还存在着航道的淤积、航道的选择、航道的深度、航道的宽度等方面的问题。

2.2 地质条件、自然环境对航线影响

在进行港口航道的规划设计时，要将水文气象、流域水深等各种地质条件对航道的规划产生的影响进行全面的分析，并以最大限度利用自然水资源的地点进行航道的规划。在进行航道规划时，应充分考虑到自然条件对航道规划的作用，具体应考虑如下三个方面：一是考虑强风和强浪等对航道规划的影响；二是要充分考虑到天然条件对堤头的作用，堤头的倾角不宜大于30 度；三是大型舰船的一些特点，例如漂移比较大，所以在进行航路规划时，也要考虑大风和海浪等影响因素。

2.3 航道轴线安置要点

首先，在港口航道轴线的平面设计中，要尽量避免S 型弯道转向，要尽量保证航道轴线光滑，以保证船舶在运行时能够安全出入，防止船舶因转向而产生的触壁等问题。

其次，受客观条件的制约，当港口水道条件无法达到平稳，而需要进行水道转向的平面设计时，就应该对转弯角度的尺寸进行严格的控制，将转弯角度控制在30°之内。若此限制还不能得到充分的保证，则可采取加宽航道宽度和增大转弯半径的方法，以减小转弯时对船体产生的影响。

第三，在航道设计中，当航道轴线位置的限制仍然不能得到满足，并且有可能会发生多个转向的时候，就必须对现实状况进行全面的分析，尽量降低转向的数量，并且要将船舶的体积、功能和航道宽度等方面进行全面的分析，以达到减小掉头角度的目的，并且要对航道的宽度做好足够的规划，以保证船舶在多次掉头过程中能够达到掉头后的船体方向调整的需求。

第四，在码头入口段进行路线设计时，要保证航线轴线呈直线形式。

3 解决对策

3.1 港口通行路线的布局设计

由于河道的数目众多，其所处的自然环境也是千差万别，因此，河道的功能取决于其所处的地理位置、航线上的资源和发展程度、经济发展状况以及交通网络发展状况。将运河划分为三类：高规格运河、区域性运河和其它运河。在确定路线时，既要考虑到安全性，又要考虑到施工工期及施工工期等因素对海运交通的影响。以下规定应予遵守：

（1）根据当地的地质条件，进行航道的规划。要对该航线范围内的水深、水文气象进行全面调查并进行分析，同时要根据港口总体设计、地形条件，尽量选择能够使用天然流量的地区来规划航道。

（2）线路轴心的设计要点。为了保证船舶能够安全进出，并保证给船舶提供充足的工作环境，在对航道轴线进行规划时，需要达到如下几点：在进行航道轴线的设计时，要保证最大限度地保证平坦，最大限度地减小 S 型线路；如图1 所示，如果要改变航线，就需要控制船头的偏转，一般情况下，船头的偏转角要小于30 度。

图1 航道轴线转向

如果因客观条件无法保证转弯角小于30 度时，应适当增大转弯半径，减少受力；在航线规划中，要尽量减小转向的几率，如果一定要进行多次的转变，则要根据船只的体积、船只的性能以及行驶路径的宽窄等因素，尽量减小转变的角度，并保证能够满足船只转变方向后变动船体方向所需要的水道的宽度的需求；在对大门线路进行规划时，要避免产生波浪，要保证采用直线型的布置方式，如果由于目标原因而发生了变化，则要保证路线的直线的长度能够满足两次变化方向所需要的直线距离。

为减小航道轴线、桥梁、灯塔、观测点等不动设施相隔较近，在风的速度、水流的速度作用下，对其它建筑物周围的流场产生一定的影响，并对航道上的原本的风速、水速产生一定的破坏，会导致通过的船舶偏离航线等情况，因此，需要控制航道边缘到不动建筑设施的直线长度，通常情况下，航道边缘到不动建筑设施的间距应大于不动设施的宽度3.5 倍。

（3）进一步考察目标自然因素在路线选择中的影响。要根据当地的客观的水文和地质条件，选择航线的路线布置，同时也要注意到客观的自然条件对船只运输所产生的影响，要综合考虑多种因素。还要考虑到以下条件：选定的通道的中轴要能保证不受强风的作用，避免与湍流发生碰撞；码头的位置要根据当地的实际情况来选择，通常情况下，码头与航道的夹角不能超过30 度。

（4）河道自身也会影响航路。根据当地的客观自然条件，选择河流出口处的航道，在保证水道水深的条件下，使船舶能够方便地转向、通行等。在选择河流入口处的上游位置时，一定要保证在不破坏河流原有力度、水速的前提下，沿着河流的主要流向，沿着河流进行航线布置，保证河道的方向与原来的河流方向在一条线上，这样才能避免河流对船只本体造成的冲击影响。以此为依据，尽量保证水道上没有多余的装备，尽量使设施结构简单化，与此同时，为各种设施配备导航装置，并显示它们的功能，尽量为船舶提供方便。

3.2 航道及航迹带宽度确定

航道宽度的确定方法，主要包含了实船观测方法、操船模拟装置试验等方法。目前，如果有必要将 A 港口水域的单航道扩大到双航道，应该以每日进入、离开港口船舶流密度超过航道全天候通航时船舶的次数90.0%为指标。在此基础上，采用单槽的有效宽度的计算方法：

而双航道有效宽度计算公式为：

式中，W、A、c、b 分别为航道通航宽度、航迹带宽度、船舶与航道底边线间富裕宽度、船舶间富裕宽度航道设计基本尺度如图2。

图2 船舶间富裕宽度航道设计基本尺寸

其中航迹带宽度A 计算公式为：

式中，A 为轨迹波段的宽度，n 为船只的漂流系数；其中，B、L 为设计船体宽度，γ 为风流压差。船的飘移系数与风的压力偏角值之间的关系见表1。

表1 船舶漂移倍数n 和风、流压偏角与风流压偏角γ 值

3.3 航道水深确定

港口水域航道规划设计中，航道水深的确定是非常重要的，因为它直接关系到船舶的安全通行。下面是确定航道水深的一些方法：

根据船型和吃水确定水深。船只的吃水是指船舶在水中的深度，不同船型和船舶吃水深度不同。在航道规划设计中，需要了解船舶的吃水深度，以此来确定航道水深。通常，确定航道水深的方法是将船舶吃水深度与安全通行所需的最小水深进行比较，确定航道水深。

根据船舶通行需求确定水深。在规划港口航道时，需要根据船舶的通行需求来确定航道水深。例如，某些船只需要较深的水深才能进入港口，因此需要在规划设计中增加相应的水深。此外，船只在不同的时间段需要不同的水深，因此在规划设计时需要考虑船只通行的时间，并确定相应的航道水深。

利用测量数据确定水深。港口航道的水深可以通过水下测量技术来确定。测量方法包括单光束测深仪、多光束测深仪、声学测深仪等。这些技术可以测量出航道的水深和底部地形等信息，以此来确定航道水深。

总之，在港口水域航道规划设计中，确定航道水深是一个综合考虑船舶吃水深度、通行需求和实际测量数据等多方面因素的过程。

4 规划航道的安全性评价

规划航道的安全性评价是一个重要的环节，它可以评估航道规划设计是否满足船舶安全通行的要求，帮助决策者制定出更加科学和合理的航道规划方案。下面是规划航道的安全性评价的一些方法：

风险评估法是一种常用的评估航道安全性的方法。该方法通过对各种潜在的事故和灾害进行分析，评估它们的可能性和后果，从而得出航道安全风险的等级和评价结果。评估结果可以为决策者提供重要的参考，以制定出更加安全的航道规划方案。

模拟仿真法是一种基于计算机技术的方法，可以对航道规划设计进行数字化模拟和仿真，以评估航道安全性。该方法可以模拟船舶在不同环境和情况下的行驶情况，例如在不同的天气、潮汐和水深条件下的行驶情况，从而评估航道规划设计的安全性。

专家咨询法是一种基于专家意见和经验的评估方法。该方法通过征求专家的意见和建议，评估航道规划设计的安全性。专家可以从不同角度出发，从船舶技术、环境因素、航道条件等多个方面对航道规划设计进行评估，以提供决策者更加全面的评价结果。

在规划航道的安全性评价中，不同的评价方法可以结合使用，以得出更加科学和合理的评价结果，为决策者提供重要的参考。由于水道是一种多用途的基本结构，它的好坏直接关系到船只能否安全通过。通过对气象条件、管理动态和通航环境等要素的深入分析，可以降低外部要素对口岸河道所造成的负面影响。从整体安全评估的观点出发，应该严格按照风险与安全这两个主要的准则，对风向与航道的流向、深度、底质等多个要素展开科学的评估。

5 结论

总的来说，在进行总体规划和设计时，要遵循安全性、经济性和合理性的原则，重点要从航道选线、航道宽度和水深等方面入手，这样才能形成一个完美的规划设计方案。在进行设计、规划的时候，要与航道的现状以及未来通航要求、发展趋势等相联系，重视对港口水域航道进行规划、设计的长远性，并引进航道设计的安全性评价的原理，以提高港口水域航道设计的合理性，减轻港口水域航道的交通压力，使得船只和港口的数量都在持续增加，以适应未来的港口航道的建设与发展需要。