通航水域承载能力模型研究

刘畅, 李响

(交通运输部水运科学研究院, 北京 100088)

0 引 言

近年来,游船安全事故时有发生。2019年7月20日,在松花江哈尔滨段滨州铁路桥附近,一艘夜航游船与一艘货运船相撞,导致游船左前部受损严重,并造成多名游客受伤入院。2021年5月2日,甘肃刘家峡水库两艘游船相撞造成1死16伤。为从根本上降低此类安全事故的发生概率,保障船舶航行安全和游客生命财产安全,需要采取切实可行的措施,其中包括科学合理地确定通航水域内船舶(游船)的最大数量。

以往的关于通航水域内船舶(游船)最大数量的相关研究主要以码头靠泊能力、生态环境保护、航道承载力等为约束因素。高嵩等[1]从码头最大靠泊能力分析入手,计算了普陀山客运航线上船舶最大数量;刘芳等[2]从生态保护方面,确定了嘉峪关市水环境承载能力;包秀凤[3]从环保入手确定了闽清县梅溪流域水资源承载能力;张喜峰等[4]从生态红线出发分析确定了龙江县区域水资源承载能力;赵艺为等[5]提出长江航道承载力的概念,涉及船舶数量研究,以保证生态效益等需求;马驰等[6]分析了长江下游航道承载力,涵盖船舶数量研究,以表征在生态安全的前提下区域内航道的可开发能力;杨坤[7]进行了青岛市大沽河干流流域水环境承载力研究。

综合来看,以往的研究未对影响船舶通航安全的各类环境因素、船舶自身因素加以考量,缺乏对在保证安全的前提下通航水域所能容纳的船舶(游船)的最大数量的研究。因此,本文开展通航水域承载能力模型研究,提出通航水域承载能力的概念,用以表征通航水域在保证安全的前提下所能容纳的船舶(游船)的最大数量。

1 通航水域承载能力概念及建模理论

2019年修订施行的《中华人民共和国内河交通安全管理条例》指出,内河通航水域是指由海事管理机构认定的可供船舶航行的江、河、湖泊、水库、运河等水域[8]。通航水域分类见图1。

图1 通航水域分类

结合通航水域和船舶实际,采用模型对通航水域承载能力进行计算是科学、合理、有效的研究手段。为计算通航水域承载能力,需建立通航水域承载能力模型。通航水域承载能力亦可表征船舶最大密度。

现有关于船舶通航安全的理论包括避碰领域[9]和船间效应[10]。避碰领域是指航行中的船舶周围的安全缓冲领域,他船进入该领域内就认为有碰撞的危险。避碰领域包括3种形状,见图2。避碰领域主要针对航道航行船舶,主要为避免船舶追尾,因此避碰领域长度大于宽度。对于同一艘船,3种避碰领域长度相同,均为8L(L为船长)。船间效应是指两船在近距离航行(对驶会船、追越或驶近系泊船)时,船舶之间流体作用所导致的船舶互相吸引、排斥、转头和波荡等现象。若两船避碰领域不存在交叉,则船间效应较弱。

(a)椭圆形避碰领域

在开阔水域航行的游览船、游览艇等经常存在掉头行为,因此对这类船舶不应只侧重考虑前后方向避碰,而应综合考虑各方向的避碰。本文对椭圆形避碰领域进行范围扩展,构建主要针对开阔水域船舶的圆形避碰领域,见图3。

图3 圆形避碰领域示意图

为建立通航水域承载能力模型,本文提出船舶密集排布理论,即以避碰领域作为排布单元进行密集排布。在航线水域,每条航线上矩形避碰领域首尾相接,沿航线方向进行排布,见图4。在开阔水域,借鉴金属晶体原子堆积理论[11],多个圆形避碰领域相接,见图5。圆形避碰领域布满该开阔水域后,中心排布单元的配位数为6。以中心排布单元的圆心作为中心,作外接此7个圆形避碰领域的正六边形,称此正六边形为排布六边形。整个开阔水域排布六边形的数量,可近似用开阔水域面积除以排布六边形的面积得出。密集排布后的避碰领域数量为通航水域承载能力。

图4 航线水域船舶密集排布(双线航道)

图5 开阔水域船舶密集排布

2 通航水域承载能力模型的构建

2.1 通航水域承载能力的影响因素

计算通航水域承载能力,需要确定航线水域参数(包括航道等级、长度、线数等)、开阔水域参数(包括水域面积)、船型参数(包括各船型船长及数量占比)等。

通航水域承载能力的影响因素有6个:航道/水域、码头、过河建筑物、天气、船速和船舶技术。利用模糊层次分析法(fuzzy analytic hierarchy process, FAHP)[12]按“目标层、准则层、指标层”对通航水域承载能力影响因素进行分解:目标层[13]为通航水域承载能力计算;准则层[14]包括航道与水域环境、船舶;指标层[15]包括上述6个影响因素的影响性。由于准则层内“航道与水域环境”的侧重点与“船舶”的侧重点不同,二者的权重系数难以比较,故假定二者的权重相同[16]。分别用B1、B2、B3、B4、B5、B6表示航道/水域、码头、过河建筑物、天气、船速和船舶技术的影响性,B1、B2、B3、B4之间的优先关系矩阵和B5、B6之间的优先关系矩阵分别为

将F1和F2分别改造成模糊一致性矩阵[17]:

利用层次单排序中各指标相对权重的计算公式得到各指标的相对权重,利用准则层指标权重一致性原则计算出综合权重,见表1。

表1 通航水域承载能力计算指标权重

2.2 通航水域承载能力模型构建

通航水域承载能力模型总体采用分段函数的形式,对航线水域和开阔水域[18]分别选择不同的计算公式:

式中:N为通航水域承载能力,艘;Li为通航水域内i型船的船长,m;αi为通航水域内i型船占比(详见模型使用方法);m为船型种类数;n为航道线数,单线通航为1,双线通航为2;S为航道长度,m;M为开阔水域面积,m2;v为船速,km/h;wj为Bj的综合权重,δj为Bj的修正幅度,j=1,2,…,6。

对公式做如下解释说明:

(2)在开阔水域,当船速较小时,无论船长大小,船舶都较容易控制,故第3个子公式中忽略了船长因素,按船速进行计算。在这种情况下,通航水域承载能力的计算亦可选择第2个子公式。

2.3 通航水域承载能力模型参数标定

在通航水域承载能力模型使用过程中,应基于所研究对象的客观情况,确定Li、αi、m、n、S、M、v;6个影响因素的综合权重上文已确定(见表1);修正幅度δj(j=1,2,…,6)需依据表2,进而根据实际情况及专家评价在表3中进行取值;将wj(j=1,2,…,6)、δj(j=1,2,…,6)、Li、αi、m、n、S、M、v依据情况代入通航水域承载能力公式,可得出通航水域承载能力N。

表3 各指标修正幅度分段点取值

对水域内各种类型船舶的总长及其占比的确定,应以当前正常营运的各种类型船舶的总长及其占比为基本依据,同时考虑未来发展或既定规划中各种类型船舶的总长及其占比。因为目前通航水域内的船舶数量一般未达到其承载能力,各种类型船舶占比将发生动态变化,所以计算面向未来的通航水域承载能力时,应综合考虑各种类型船舶的总长及其占比。

对表3做如下解释说明:(1)各分段点取值可根据通航水域、船型等进行调整;(2)各指标修正幅度取值大小与各指标权重之间存在正相关关系,即某指标权重越大,其对应的分段点取值就越大;(3)若某因素的影响为良性影响,其影响性的修正幅度可在良性影响的两个值之间进行取值,具体取值根据实际情况判定。

2.4 模型特色

建立的通航水域承载能力模型输入输出结构清晰[19]、表达式条理清晰,相关工作人员无须进行复杂培训便可利用本模型进行通航水域承载能力计算。模型的表现特点在于:(1)综合考虑了水域及船舶特征对水域承载能力的影响,同时考虑了6个影响因素对承载能力的修正。(2)既涵盖航线水域承载能力的计算,又涵盖开阔水域承载能力的计算。(3)通过模型计算出的通航水域承载能力能够表征在保证通航安全的前提下该通航水域所能容纳的船舶(游船)的最大数量。

3 实证分析

3.1 实例介绍

京杭大运河北京段全长40.49 km,河道宽140～180 m,双向通航。依据《大运河北京段(通州段)全线游船通航工作方案》中通州境内大运河设计代表船型的船舶尺度进行通航水域承载能力计算。该工作方案中共5种船型:漕运游船(23.8 m×5.0 m×1.3 m)、观光游船(29.8 m×7.1 m×1.5 m)、客渡船(30.0 m×7.0 m×1.0 m)、水上巴士(20.0 m×4.4 m×1.4 m)、游览快艇(30 m以内,按15.0 m计)。以此为依据设定大运河北京段内5种船型的船长及船舶数量占比,分别为:23.8 m(35%)、29.8 m(35%)、30.0 m(10%)、20.0 m(10%)、15.0 m(10%)。通过对大运河北京段水域、船舶情况进行分析,确定δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6的取值分别为-0.13、-3.43、-0.55、-0.41、0.42、-0.72。承载能力计算如下:

奥森公园可供游船航行的开阔水域面积为19万m2,游船主要为小型非自航船。计算中设定2种类型的游船,其船长及数量占比分别为:7.78 m(60%)、3.89 m(40%)。通过对奥森公园水域、船舶情况进行分析,确定δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6取值分别为-0.18、-3.12、-0.2、-0.65、1.31、-0.72。承载能力计算如下:

北京市内通航水域承载能力计算结果见表4和5。该结果同时包括各开阔水域的自航船和非自航船数量[20]及设定的非自航船行驶区域范围。

表4 北京市内航线通航水域承载能力

表5 北京市内开阔通航水域承载能力

对北京市内通航水域承载能力计算结果做如下说明:(1)对于航线水域,除古北水镇、仙栖洞(入洞)水域因具体实际计算得出的单艘自航船所占航线长度较小外,其余水域单艘自航船所占航线长度均在400 m左右,该长度大于船舶领域理论要求的8倍船长,故上述计算准确;(2)对于开阔水域,规定承载数量是按每500 m2一艘非自航船、每5 000 m2一艘自航船测算的结果,综合来看承载能力较规定承载数量的差异分布于0附近,证明二者计算结果较为相近,故上述计算准确。

3.2 参数标定

选取计算得出的京杭大运河北京段、奥森公园开阔水域的承载能力进行分析,同时以此为依据对模型进行标定以说明模型的通用性、可靠性。承载能力计算结果见表6。

表6 承载能力计算结果

3.3 计算结果与分析

京杭大运河北京段承载能力计算差异度较大,这是因为京杭大运河北京段航道建设先于游船的投入,现有游船数量较少,且现有游船数量中包括非自航船数量。为充分利用航道能力,建立的模型是基于现有航道情况的,计算的是理论上该航段在保证通航安全的情况下所能容纳的船舶(游船)的最大数量,具有前瞻性,对未来游船的投入数量具有指导性。故此处较大的差异度反映了模型精度较高。

奥森公园开阔水域承载能力计算差异度较大,这是因为该水域面积较大,游船实际运行从未出现重大安全事故,游船安全性较高,该水域游船数量可在现有基础上增加。承载能力计算值小于规定承载数量,反映出在保证通航安全的情况下该水域所能容纳船舶(游船)的最大数量大于现有船舶数量。故此处较大的差异度反映了模型精度较高。

京杭大运河北京段、奥森公园开阔水域承载能力计算结果因数据来源较可靠、数值准确,故误差较小。以这两个水域对所建立的承载能力模型进行标定,在考虑各因素综合影响后得出的承载能力结果科学客观,模型精度较高。

在古北水镇航行的船舶为摇橹船,船速低,故船速影响性指标的修正幅度较大,计算出的古北水镇承载能力提高,该通航水域所能容纳的船舶数量多,单艘船所占航线长度短。

在仙栖洞(入洞)航行的船舶,因洞内航道狭窄,故船舶尺度小、船长小,所载游客数量少。将该船长代入通航水域承载能力计算公式,计算出的仙栖洞(入洞)承载能力提高,该通航水域所能容纳的船舶数量多,单艘船所占航线长度短。

4 结 论

本文开展了通航水域承载能力模型研究工作,提出通航水域承载能力概念、建模理论——船舶密集排布理论,设计了通航水域承载能力模型建立步骤,并用该模型计算航线水域和开阔水域的承载能力。通过计算实例对模型进行了标定,结果表明模型精度较高。本文研究成果可为通航水域船舶(游船)最大容量确定、船舶(游船)的新增和清退、景点发展规模划定、运力调控等工作提供依据。

后续可对通航水域承载能力开展进一步研究:可对本文建立的模型进行进一步研究,将其推广应用至货运船舶领域;通航水域承载能力计算所需的修正幅度可根据具体对象做针对性的调整;可对通航水域承载能力或船舶最大密度的获取进行规范的制定,以便于实际应用。