橋區(qū)限制性航道通過(guò)能力研究

陳 愷，韓非非，李俊星，張 瑋

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各地規(guī)劃建設(shè)的高速公路、鐵路已逐步形成了縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)，跨越通航河流的各種橋梁也日益增多?？绾訕蛄旱男藿▽?duì)河道兩岸和周邊地區(qū)的區(qū)域合作和發(fā)展十分有利。近年來(lái)全國(guó)水運(yùn)貨物量大幅上升，內(nèi)河船舶交通流量的增長(zhǎng)給橋區(qū)限制性航道的管理帶來(lái)困難［1-10］。因此研究橋區(qū)限制性航道通過(guò)能力，有利于更加科學(xué)地進(jìn)行橋區(qū)航道的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和調(diào)度。

目前，已有水運(yùn)專(zhuān)家提出了橋區(qū)限制性航道的計(jì)算公式，如武漢理工大學(xué)劉明?。?］按船型組成及交通流概念建立的公式，其中包含一些量化現(xiàn)實(shí)影響因素的修正系數(shù)，目的是為了得到與實(shí)際運(yùn)行情況更為接近的結(jié)果。該公式要求統(tǒng)計(jì)各種船型的組成，需要大量詳細(xì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究過(guò)程復(fù)雜且投入較大。

本文通過(guò)引入加權(quán)平均船型概念，在研究船舶噸位與船舶面積關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了船舶噸位與船舶長(zhǎng)度的關(guān)系，基于船舶領(lǐng)域理論及橋區(qū)航速，提出了橋區(qū)限制性航道通過(guò)能力計(jì)算公式。結(jié)合廣西西江長(zhǎng)洲樞紐水運(yùn)規(guī)劃實(shí)際研究情況，對(duì)當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)船型進(jìn)行噸位和長(zhǎng)度回歸，確定兩者的關(guān)系表達(dá)式。根據(jù)船舶平均噸位，計(jì)算各代表年加權(quán)平均船型船長(zhǎng)［6］，應(yīng)用船舶領(lǐng)域和橋區(qū)航速，計(jì)算得到該樞紐橋區(qū)航道通過(guò)能力，在客觀反映航道通航能力的同時(shí)又避免了繁瑣的系數(shù)選取。

1 橋區(qū)航道影響條件

1.1 船舶領(lǐng)域

任何交通工具在前進(jìn)時(shí)，前后之間總要保持一段安全距離。船舶航行相遇或是在同一航道中前后行駛也會(huì)保持一定距離，形成一個(gè)安全區(qū)域，一旦其他船只進(jìn)入本船的安全區(qū)域內(nèi)，就認(rèn)為存在碰撞危險(xiǎn)。20世紀(jì)60年代，日本學(xué)者藤井彌平博士在研究一條水道的交通容量時(shí)，首先提出了船舶領(lǐng)域概念，將其定義為絕大多數(shù)后繼船舶駕駛員避免進(jìn)入的前一艘在航船舶周?chē)念I(lǐng)域，又稱(chēng)碰壁領(lǐng)域。

藤井對(duì)在日本沿海水域海上交通進(jìn)行了調(diào)查，并對(duì)船舶相對(duì)位置的二維頻率分布進(jìn)行了分析研究，提出了以船舶（被避讓船舶）為中心，長(zhǎng)半軸沿船舶首尾方向，短半軸沿船舶正橫方向的一個(gè)橢圓的船舶領(lǐng)域模型。通過(guò)對(duì)日本沿海水道交通實(shí)況的多次觀察，藤井獲得了船舶領(lǐng)域尺寸的數(shù)值為7倍船長(zhǎng)（長(zhǎng)軸）/3倍船長(zhǎng)（短軸）。通常航行條件下被追越船舶的領(lǐng)域尺寸為8倍船長(zhǎng)/3.2倍船長(zhǎng)，當(dāng)船舶航行在需要減速的港口內(nèi)部和狹窄的海峽時(shí)，船舶領(lǐng)域尺寸減小到6倍船長(zhǎng)/1.6倍船長(zhǎng)。

由于內(nèi)河航道的交通環(huán)境與海域船舶航行大為不同，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者參考藤井船舶領(lǐng)域模型，通過(guò)對(duì)內(nèi)河航道船舶的操縱性能、航行環(huán)境等影響因素的研究，建立了內(nèi)河水域船舶領(lǐng)域模型。徐周華等人對(duì)內(nèi)河水域船舶領(lǐng)域三維模型進(jìn)行了研究［3］，得到內(nèi)河航道船舶三維領(lǐng)域模型在水面上長(zhǎng)短軸的范圍（表1）。

綜合考慮藤井船舶領(lǐng)域模型以及內(nèi)河航道三維船舶領(lǐng)域模型的相關(guān)參數(shù)，在內(nèi)河航道通過(guò)能力計(jì)算中，建議船舶領(lǐng)域的長(zhǎng)軸取2.5 L～3.5 L，短軸取0.6 L。限制性航道段船舶領(lǐng)域的長(zhǎng)軸取4 L～8 L，短軸為0.4 L。

表1 三維船舶領(lǐng)域模型在水面上長(zhǎng)短軸范圍Tab.1 Major and minor axis scope of three dimensional ship domain model on water surface

1.2 橋區(qū)航道船舶航行速度

建橋后橋墩對(duì)河床演變，上、下游河勢(shì)以及航道水流條件等均會(huì)產(chǎn)生一定影響，橋區(qū)航道水流環(huán)境也隨之變化，因而船舶過(guò)橋航速也會(huì)受到影響。當(dāng)船舶以船速v0航行時(shí)，船舶縱剖面與水流流速矢量的夾角為α，根據(jù)矢量的加法定律，船舶航行速度v等于水流流速u(mài)與船速v0的矢量和（圖1）。

圖1 橋區(qū)船舶航行速度示意圖Fig.1 Sketch of ship speed near a bridge

船舶逆流上行通過(guò)橋區(qū)的航速為

船舶順流下行通過(guò)橋區(qū)的航速為

2 船舶噸位和長(zhǎng)度關(guān)系分析

國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者研究?jī)?nèi)河運(yùn)輸船舶噸位和面積關(guān)系表明，兩者之間有顯著相關(guān)性，且實(shí)際應(yīng)用中船舶噸位與面積關(guān)系可采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)船型來(lái)代替，減少了對(duì)船舶資料的依賴(lài)。可以借鑒內(nèi)河運(yùn)輸船舶噸位與面積關(guān)系研究經(jīng)驗(yàn)，分析船舶噸位與船舶長(zhǎng)度之間的關(guān)系。

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2004）、《長(zhǎng)江水系分節(jié)駁船型尺度系列》等標(biāo)準(zhǔn)中提供的標(biāo)準(zhǔn)船型尺度，將標(biāo)準(zhǔn)船型的噸位t和船長(zhǎng)L作為一組數(shù)據(jù)散點(diǎn)（t，L）繪制在橫坐標(biāo)為噸位（t）、縱坐標(biāo)為船長(zhǎng)（L）的平面坐標(biāo)內(nèi)，分別采用下列公式進(jìn)行回歸分析。

式（3）～式（5）中：a1、a2、a3、b1、b2、b3、c2均為回歸系數(shù)。

由于我國(guó)內(nèi)河運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)船型是分別按照不同水系和航道條件考慮的，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)船型的噸位和船舶長(zhǎng)度也需要分別討論。圖2、圖3、圖4分別繪出《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中天然和渠化河流航道的標(biāo)準(zhǔn)船型、限制性航道的標(biāo)準(zhǔn)船型、長(zhǎng)江水系分節(jié)駁標(biāo)準(zhǔn)型和江海直達(dá)貨船標(biāo)準(zhǔn)船型的噸位與船長(zhǎng)關(guān)系的回歸曲線，表2列出了3類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)船型的噸位與船長(zhǎng)回歸分析的回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)r2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)船型噸位與船舶長(zhǎng)度回歸系數(shù)Tab.2 Regression coefficients for the relationship between tonnage and length of standard vessels

回歸分析結(jié)果表明，不同航道條件的標(biāo)準(zhǔn)船型的噸位與船長(zhǎng)之間都具有顯著的相關(guān)性，尤其是二次多項(xiàng)式回歸時(shí)，3種船型情況的回歸系數(shù)均大于0.96，因此在研究船型的噸位和長(zhǎng)度關(guān)系時(shí)，可以將二次多項(xiàng)式回歸分析應(yīng)用于橋區(qū)限制性航道通過(guò)能力研究。

圖2 天然和渠化航道標(biāo)準(zhǔn)船型噸位與長(zhǎng)度關(guān)系回歸曲線Fig.2 Regression curves for the relationship between tonnage and length of standard vessels in natural and canalized channel

圖3 限制性航道標(biāo)準(zhǔn)船型噸位與長(zhǎng)度關(guān)系回歸曲線Fig.3 Regression curves for the relationship between tonnage and length of standard vessels in restricted channel

圖4 長(zhǎng)江水系分節(jié)駁船和江海直達(dá)貨船標(biāo)準(zhǔn)船型噸位與長(zhǎng)度關(guān)系回歸曲線Fig.4 Regression curves for the relationship between tonnage and length of standard vessels in the Yangtze River and the river and sea

3 與傳統(tǒng)方法的比較

利用船舶領(lǐng)域概念和船舶噸位與船長(zhǎng)回歸關(guān)系，引入加權(quán)平均船型概念，對(duì)航道上行駛船舶的噸位進(jìn)行加權(quán)平均，得到加權(quán)平均船型的船舶領(lǐng)域，提出橋區(qū)限制性航道通過(guò)能力計(jì)算公式

式中：Q為橋區(qū)限制性航道年單向（上行或下行）通過(guò)能力，艘次/d；T為橋區(qū)限制性航道工作時(shí)間，s；Lu（d）為加權(quán)平均船型上行（或下行）的船舶領(lǐng)域；vu（d）為加權(quán)平均船型上行（或下行）的航速。

根據(jù)河海大學(xué)編制的《長(zhǎng)洲水利樞紐三線四線船閘右岸方案聯(lián)合調(diào)度和上游公路鐵路大橋橋區(qū)航道通過(guò)量專(zhuān)題研究》，得到長(zhǎng)洲樞紐過(guò)閘代表船型以及2015年、2020年和2030年長(zhǎng)洲樞紐過(guò)閘船舶噸級(jí)結(jié)構(gòu)分布，橋區(qū)航道水流與航道軸線交角為15°。樞紐船型的噸位與船長(zhǎng)回歸公式為

相關(guān)系數(shù)為0.96。分別按照文章推薦公式和武漢理工大學(xué)劉明俊等提出的橋區(qū)計(jì)算公式，計(jì)算長(zhǎng)洲樞紐橋區(qū)限制性航道2015年、2020年和2030年通過(guò)能力（表4）。

表3 橋區(qū)限制性航道基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of restricted channel near a bridge

表4 推薦公式與其他公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of the results from recommended formula and other formula 艘次/d

4 結(jié)論

（1）文章推薦公式以船舶領(lǐng)域概念為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)船型的噸位與長(zhǎng)度的回歸取代實(shí)際船型情況，利用船舶平均噸位推求加權(quán)平均船型的船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度，結(jié)合船舶橋區(qū)限制航道航速，計(jì)算橋區(qū)限制性航道單向通過(guò)能力。

（2）將推薦方法的計(jì)算結(jié)果與劉明俊橋區(qū)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算誤差在5%之內(nèi)。

（3）文中采用多種標(biāo)準(zhǔn)船型噸位和長(zhǎng)度進(jìn)行函數(shù)擬合，通過(guò)對(duì)比選取了二次多項(xiàng)式回歸方程，用于船舶噸位與長(zhǎng)度關(guān)系擬合的計(jì)算。不同地區(qū)的航道，應(yīng)該采用適合該區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)船型的資料進(jìn)行回歸計(jì)算。

（4）推薦方法構(gòu)建的橋區(qū)限制性航道通過(guò)能力計(jì)算方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需行駛船舶的平均噸位以及船舶橋區(qū)航速資料，不用選取其他系數(shù)。與其他公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表明，計(jì)算結(jié)果基本可信。

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