多因素耦合的內(nèi)河限制性航道維護底寬確定方法

夏 峰，陳一梅，王宗傳，毛禮磊

(東南大學交通學院，江蘇南京 210096)

航道維護底寬是船舶安全航行的重要指標之一，一方面關(guān)系著航道管理部門的維護工作量和資金投入，另一方面又影響著航道的通過能力。國內(nèi)外對航道維護的研究主要集中在維護方法和維護手段。Cowan研究了通過遺傳算法來改進航道網(wǎng)絡(luò)的維護方案[1]；Prather等以莫農(nóng)加希拉河為例，對航道長期運行和維護進行經(jīng)濟性分析[2]；德國的Kuehni等研究了基于IT的e-maintenance系統(tǒng)(EMS)，從定期檢查和各種數(shù)學模型中獲得數(shù)據(jù)，結(jié)合該系統(tǒng)來確定德國水路網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施是否需要預(yù)防性維護[3]。國內(nèi)一些學者從影響船舶航行安全、船舶阻力等單因素分析出發(fā)提出計算航道底寬的方法[4-7]，但對維護尺度與效益及費用等方面研究尚少。

本文以內(nèi)河限制性航道為對象，從多因素角度探索航道維護底寬確定方法，指導航道維護斷面構(gòu)建，具有實用價值，符合科學管理、綠色發(fā)展理念。

1 研究區(qū)域和方法

表1 諫壁船閘船舶過閘分析Tab.1 Analysis of Jianbi shiplock throughput capacity

京杭運河鎮(zhèn)江段按三級限制性航道整治，兩岸為直立式護岸，航道底寬45 m，水面寬90 m，設(shè)計時采用的1 000 t級標準船型：駁船為65.0 m×10.8 m×2.2 m(船長×船寬×型深)，貨船為68.0 m×10.8 m×2.6 m。研究中實際抽樣調(diào)查了京杭運河鎮(zhèn)江段船舶載重噸位、船型尺度，統(tǒng)計回歸得到1 000 t級實際船型：駁船為48.0 m×10.0 m×2.7 m，貨船為56.0 m×11.0 m×2.8 m。京杭運河鎮(zhèn)江段諫壁船閘2016年通過船舶數(shù)量、噸位及占比見表1。

根據(jù)水位資料統(tǒng)計分析，京杭運河鎮(zhèn)江段每年枯季時間約為60天，洪季約為60天，常水位時間約為240天。

耦合多因素的內(nèi)河限制性航道維護底寬確定步驟如下：

(1)分別對設(shè)計標準船型和實際統(tǒng)計船型，從滿足船舶操縱性和航行可靠性目標出發(fā)，基于船舶運動特性和可靠性理論，計算不同條件下所需的航道寬度。

(2)計算航道維護底寬。根據(jù)內(nèi)河限制性航道斷面形態(tài)，航道維護底寬與航道寬度的關(guān)系如下式所示：

Bb=B-2m(H-T)

(1)

式中：Bb為航道底寬；B為航道寬度；H為航道水深；m為航道邊坡比；T為船舶吃水。

(3)建立效益-費用模型。在(1)和(2)計算得到的航道底寬范圍基礎(chǔ)上，進行航道效益和維護費用分析，確定滿足最佳效益費用比的航道維護底寬。

(4)以通航安全為底線，確定安全可靠、效益費用佳的內(nèi)河限制性航道維護底寬。

2 滿足不同條件的內(nèi)河限制性航道維護底寬

2.1 滿足船舶運動特征的航道維護底寬

船舶行駛時，受風、流等自然條件及航道斷面、助航設(shè)施、船舶操縱性和人為因素的影響,其航行軌跡會在航道中線左右擺動，需要不斷地操舵來校正航向、糾正偏航。船舶航行時，所需航寬為航跡帶在航寬方向的投影與航道富裕寬度之和[8]。在各種風、流影響情況下，雙線航道船舶(隊)航行所需航寬主要考慮風致漂移量及流致漂移量，可采用下式進行計算[9]，即:

B=BFd+BFu+Bad+Bau+Bwd+Bwu+d1+d2+C

(2)

(3)

(4)

式中：Bad，Bau分別為船舶下行和上行時的風致漂移量；Bwd，Bwu分別為船舶下行和上行時的流致漂移量；K為風致漂移系數(shù)；BA為船體水線上側(cè)受風面積；Bw為船體水線下側(cè)面積；Vs為風中航速；Va為相對風速；αf為真風作用方向與船舶首尾線的夾角；S為計算河長；V為船速；U為流速；α為流向角；β為航行漂角。

京杭運河鎮(zhèn)江段常年水位變幅較小、水流平穩(wěn)，流速U為0.5 m/s，船舶航速Vs為8 km/h，K一般取0.038～0.041，流向角α為2°，航行漂角β為3°，計算河長S取3倍船隊長度。由式(1)和(2)得，標準船型和實際船型下考慮船舶運動特性的航道底寬分別為42和39 m。

2.2 滿足通航標準的航道維護底寬

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》，直線段航道寬度包括航跡帶寬度、船間距離和船離岸距離，航跡帶主要包括船舶航行中在航跡線左右的偏移量及船舶本身占用的航道空間，而航行漂角的取值則決定航跡線的左右偏移量，雙線航道水深和寬度的計算方法[9-10]見下式：

B=BFd+BFu+d1+d2+C

(5)

BFd=Bsd+Ldsinβ

(6)

BFu=Bsu+Lusinβ

(7)

式中：B為直線段雙線航道寬度；BFd，BFu分別為下行和上行船舶或船隊航跡帶寬度；d1為下行船舶或船隊外舷至航道邊緣的安全距離；d2為上行船舶或船隊外舷至航道邊緣的安全距離；C為船舶或船隊會船時的安全距離；β為航行漂角。

航行漂角值對船舶航行安全影響較大，GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》中航行漂角為3°，各項安全距離之和d1+d2+C為上行和下行航跡帶寬度和的50%～60%。將標準船型和實際船型代入式(5)，得到標準船型和實際船型所需的航道底寬分別為45和44 m。

2.3 滿足航行可靠性的航道維護底寬

船舶航行可靠性是指在一定的外界條件和環(huán)境下保證船舶安全航行的能力。對航道寬度的可靠性分析，根據(jù)對不同船舶寬度在不同航道寬度情況下航行事故的統(tǒng)計進行分析，得到航道寬度與事故數(shù)或事故百分比間的回歸方程[11]為:

(8)

式中：Bc為航道寬度；Bs為船寬；Kc為事故數(shù)；a，b為回歸方程參數(shù)。統(tǒng)計得出，一般雙線航道寬度應(yīng)大于5倍的船寬才能保證船舶航行的可靠性，Kc值應(yīng)越小越好。

設(shè)計標準船型船寬Bs為10.8 m，實際船型船寬Bs為11.0 m；由式(1)及式(8)統(tǒng)計規(guī)律得，標準船型和實際船型下考慮航行可靠性的航道底寬分別為39和40 m。

2.4 不同條件下京杭運河鎮(zhèn)江段航道維護底寬

綜合前述各種情況，以標準船型和實際船型為研究對象，京杭運河鎮(zhèn)江段在滿足通航標準、運動特征和航行可靠性時，航道維護底寬分別為標準船型45,42,39 m和實際船型44,39,40 m。

3 基于效益-費用模型的航道維護底寬確定

3.1 航道維護的效益模型

航道維護涉及的效益主要有船舶運輸效益、節(jié)能減排效益、替代公路運輸效益。

3.1.1船舶運輸效益 載體船舶的千噸每千米油耗量指在完成單位運輸周轉(zhuǎn)量的時候船舶所消耗的能源總量，用來反應(yīng)航運對能源的利用程度，也側(cè)面反映出航運的能源配置合理程度以及船舶運輸效益。因此，不同噸級船舶千噸千米能耗強度計算公式如下：

Hn=eq=eQ油/(Gd)

(9)

式中：Hn為第n類船舶千噸千米能耗強度；q為內(nèi)河船舶千噸千米的油耗強度；Q油為年燃油消耗量(kg)；G為年載貨量(t)；d為航距(km)；e為燃料能耗強度(kcal/kg)。

內(nèi)河船舶千噸千米能耗強度與單位能耗及單位能耗價格乘積即單位運輸成本En。據(jù)調(diào)研，1 000 t級、800 t級、500 t級、300 t級貨船所對應(yīng)的En分別為63.68,76.64,93.82和124.26元/(kt·km)。

在分析論證運輸船舶的營運經(jīng)濟效益時，大多采用RFR(必要運費率)和AAC(單位運輸成本)兩個主要考核指標[12-13]，這里以運輸成本為指標，分析不同底寬條件下，影響不同等級的船舶航行時所產(chǎn)生的總的船舶運輸效益。

綜合研究航段船舶等級及對應(yīng)單位運輸效益，船舶運輸總效益公式如下：

表2 鎮(zhèn)江段航道每年每千米運費效益Tab.2 Transport benefit per kilometre per year of Zhenjiang reach

(10)

式中：F1為每年每千米運輸總效益；En為第n類船舶對應(yīng)單位運輸成本；an為第n類船舶噸級對應(yīng)的運輸總量。

當航道底寬變小時，相應(yīng)等級的船舶航行受到影響，在水深條件滿足的情況下，航道底寬僅影響雙線船舶交匯，根據(jù)京杭運河鎮(zhèn)江段實地觀測及船舶流量資料，貨運影響量為航道枯季上下行貨運量的各10%。

由式(10)，結(jié)合表1及各等級船舶單位運輸成本，所產(chǎn)生的運費效益見表2。

3.1.2節(jié)能減排效益 船舶航行節(jié)能減排效益主要分為直接效益和間接效益兩部分，直接效益是指航行阻力減小帶來的節(jié)能效益，間接效益則是公路與水運之間貨運量的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的碳排效益。

(1)船舶航行節(jié)能效益：航行阻力是影響船舶節(jié)能減排效益的直接因素，主要與船舶航速以及航道斷面有關(guān)，航道斷面系數(shù)增大，航行阻力減小，能耗減小，從而實現(xiàn)節(jié)能效益，因此，節(jié)能減排直接效益計算式為：

(11)

式中：F2為確定底寬下每年每千米節(jié)能減排直接效益；cn為第n類船舶平均每千米耗油(kg)；Kn為定底寬下不同噸級船舶對應(yīng)的航道斷面阻力系數(shù)；K0為航行阻力不影響船舶通行時的阻力系數(shù)；af為每千克耗油單價(元/kg)。

圖1 船舶阻力換算系數(shù)與斷面系數(shù)之間的關(guān)系[14]Fig.1 Relationships between ship resistance conversion coefficient and section coefficient[14]

據(jù)鎮(zhèn)江段實地調(diào)研，船舶航行經(jīng)濟船速為8 km/h，當斷面系數(shù)n>7時，航行阻力不影響船舶通行時的阻力系數(shù)K0=1.8(見圖1)。不同噸級船舶平均每千米每千噸消耗柴油為：100 t級船舶10.2 kg，200～300 t級船舶8.4 kg，300～500 t級船舶6.2 kg,500～1 000 t級船舶2.9 kg?？紤]到江蘇省內(nèi)柴油價格為6.81元/kg，則不同維護底寬條件下鎮(zhèn)江陵口段每年每千米節(jié)能減排直接效益見表3。

表3 鎮(zhèn)江段航道每年每千米節(jié)能減排直接效益Tab.3 Direct benefit of energy saving and emission reduction per kilometre per year of Zhenjiang reach

(2)節(jié)能減排間接效益：當航道維護底寬不同時，航道斷面則會影響相應(yīng)等級船舶通航，從而使得部分船舶貨運量轉(zhuǎn)移到公路運輸，由于公路運輸相比水路運輸碳排放量大量增加，因此，需計算該類碳排放所帶來的社會效應(yīng)。

根據(jù)《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[15]，可采用交通運輸方式的燃料單位里程消耗量與行車里程的乘積所得到碳排放量，再乘以每種燃料的排放系數(shù)。節(jié)能減排間接效益計算公式如下：

(12)

式中：F3為每年每千米節(jié)能減排間接效益；Pn為第n類船舶載質(zhì)量(103t)；β1指交通方式碳排放因子(β1的取值為公共汽車0.066，軌道交通0.042，私家汽車0.239，出租車0.276，貨運車0.141)；r0為單位體積碳排放量造成的社會效益。

目前，碳排放量價格為77～93元/t[16]，這里取85元/t，碳排放增量間接效益見表4。

表4 鎮(zhèn)江段航道每年每千米節(jié)能減排效益Tab.4 Benefit of energy saving and emission reduction per kilometre per year of Zhenjiang reach

3.1.3替代公路運輸效益 當航道進行疏浚施工時，受到施工區(qū)域水域的限制，部分水路貨運量會改走陸運。水運和陸運相比，轉(zhuǎn)移運量使得總耗油量增加，替代公路運輸效益公式如下：

F4=W×L×(q2-q1)×af

(13)

式中：F4為替代公路運輸效益；W為年貨運量(103t)；L為運距(km)；q2為公路單位運輸油耗(kg)；q1為水運單位運輸油耗(kg)；af為每千克耗油單價(元/kg)。

表5 鎮(zhèn)江段航道每年每千米替代公路運輸效益Tab.5 Benefit of substitutes for highway per kilometre per year of Zhenjiang reach

根據(jù)鎮(zhèn)江市交通統(tǒng)計資料，公路水路的柴油消耗量差為25.3 kg/(103t·km)，由式(13)計算得每年每千米節(jié)約資金見表5。

3.2 航道維護費用模型

航道維護費包括疏浚作業(yè)及日常維護兩方面，主要以疏浚量為指標，即計算實際斷面與維護標準之間的回淤量，每米航道疏浚費用計算式如下：

C0=C1×Vs+C2

(14)

式中：C0為每延米航道疏浚費用；C1為每立方米疏浚費用；Vs為每延米航道疏浚量(m3)；C2為航道日常維護費用。

表6 鎮(zhèn)江段航道不同維護底寬下疏浚量及費用Tab.6 Dredging amount and cost under different maintenance bottom widths at Zhenjiang reach

江蘇內(nèi)河疏浚主要采用液壓抓斗式挖泥船，抓斗容量一般為0.75～1.00 m3，鎮(zhèn)江段疏浚單價為17元/ m3。根據(jù)《疏浚工程技術(shù)規(guī)范》(JTJ 319—1999)，各挖泥船的每邊計算超寬、超深分別為2.0和0.3 m。由式(14)計算不同維護底寬條件下航道每千米疏浚量及疏浚費用見表6。

3.3 效益費用比

最佳養(yǎng)護時機應(yīng)是在費用較小而效益較大時，即效益費用比FBCR最大時，采用有效性指標FBCR計算：

FBCR=Bi/Ci

(15)

式中：Bi為不同情況下的總效益；Ci為不同情況下的總費用。

通過比較FBCR的大小，當FBCR<1時，認為航道維護總效益小于總費用，此時航道維護不合理，因此選擇最大FBCR值對應(yīng)的航道底寬即是預(yù)防性養(yǎng)護措施最佳時機。

由式(15)計算京杭運河鎮(zhèn)江陵口段不同維護底寬效益費用比見表7。

表7 運河鎮(zhèn)江段航道不同維護底寬下效益費用比Tab.7 Ratio of benefit and cost under different maintenance bottom widths in Zhenjiang channel

圖2 鎮(zhèn)江段航道FBCR值與航道維護底寬關(guān)系Fig.2 Relationships between FBCR value and maintenance bottom width in Zhenjiang reach of Beijing-Hangzhou Canal

由圖2可見，當航道維護底寬大于39 m時，航道總效益與總維護費用的比值隨維護底寬的增大而減小，維護底寬取39 m時，效益費用比FBCR最大最經(jīng)濟。本研究航段滿足實際船型航行可靠性的航道維護底寬需要40 m。因此，綜合效益與費用及航行安全性，研究航段維護底寬定40 m較為合理。

4 結(jié) 語

通過建立的限制性航道維護底寬的效益-費用模型，可計算航道效益費用比最大條件下的維護底寬。綜合運用效益-費用模型以及船舶運動特性、航行可靠性分析法等，最終確定限制性航道的維護底寬，并應(yīng)用到京杭運河鎮(zhèn)江段實例計算中。分析研究結(jié)果表明，該方法能較好地考慮到限制性航道的通航因素及經(jīng)濟需求，具有較高實用價值。