閘室有效體積利用率及應(yīng)用研究

李珊珊，張瑋，劉曙明，劉金龍，顧丹平

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.揚(yáng)州市航道管理處，江蘇 揚(yáng)州 225003；3.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

閘室有效體積利用率及應(yīng)用研究

李珊珊1，張瑋1，劉曙明2，劉金龍3，顧丹平1

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.揚(yáng)州市航道管理處，江蘇 揚(yáng)州 225003；3.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

提出閘室有效體積利用率的概念，通過(guò)理論分析和實(shí)例計(jì)算，分析了閘室有效體積利用率的特點(diǎn)，探討提高閘室有效體積利用率的措施。結(jié)果表明，閘室有效體積利用率可以更加合理地反映閘室綜合利用程度，對(duì)于指導(dǎo)船閘運(yùn)行、提高船閘通過(guò)能力具有實(shí)用價(jià)值。

船閘；有效體積利用率；有效面積利用率；一次過(guò)閘總噸位

0 引言

閘室利用率作為船閘運(yùn)行中利用程度的參數(shù)，涉及過(guò)閘船舶尺度、閘室規(guī)模和船舶標(biāo)準(zhǔn)化程度，也與船舶到達(dá)的統(tǒng)計(jì)分布及船閘的繁忙程度等有關(guān)，反映了航道（段）上的船舶組成結(jié)構(gòu)及船閘運(yùn)行、調(diào)度和管理的現(xiàn)狀[1-2]，是計(jì)算一次過(guò)閘船舶總噸位的關(guān)鍵參數(shù)，在船閘通過(guò)能力研究中具有重要意義。

王振喜、張瑋、廖鵬等學(xué)者針對(duì)閘室利用率這一參數(shù)做了大量研究，取得了一定的成果。文獻(xiàn)[3]從過(guò)閘船型隨機(jī)性出發(fā)，根據(jù)船舶發(fā)展預(yù)測(cè)，首次推薦采用統(tǒng)一的閘室有效面積利用率參數(shù) 。 文 獻(xiàn) [4]將 閘 室 有 效 面 積 利 用 率 λA和 過(guò) 閘船 舶 噸位與面積的函 數(shù)關(guān)系 S（g）相結(jié) 合，提出更合理有效的一次過(guò)閘船舶總噸位計(jì)算方法。文獻(xiàn)[1] 分析大量實(shí)測(cè)資料，確定有效面積利用率多年平均范圍，可為一次過(guò)閘船舶總噸位計(jì)算中閘室利用率的取值提供參考。由此可見(jiàn)，目前主要采用閘室有效面積利用率來(lái)衡量閘室利用效率。然而，該參數(shù)僅考慮閘室平面尺度上的利用情況，沒(méi)有涉及閘室水深利用程度，存在一定局限性。為此，本文基于閘室有效面積利用率，結(jié)合水深利用效率，提出閘室有效體積利用率這一新概念，通過(guò)閘室有效體積利用率在計(jì)算船閘一次過(guò)閘船舶總噸位中的應(yīng)用，探討閘室有效體積利用率的實(shí)用價(jià)值及提高閘室有效體積利用率的策略。

1 閘室有效體積利用率的定義

閘室有效體積利用率定義為：閘室內(nèi)船舶吃水總體積與閘室有效體積之比。

式中：λV為閘室有效體積利用率；V′為一次過(guò)閘船舶吃水總體積；V為閘室有效體積。

船舶吃水總體積為一次過(guò)閘所有船舶吃水體積之和。就單艘船舶來(lái)說(shuō)，吃水體積為船舶面積與吃水深度的乘積。由于各過(guò)閘船舶噸位、尺度不一，可取過(guò)閘船舶加權(quán)平均后的虛擬代表船型為研究對(duì)象，以方便計(jì)算分析，即：

式中：S′為一次過(guò)閘船舶總面積；T 為虛擬代表船型吃水深度。

定義閘室水深利用率為過(guò)閘船舶吃水深度與閘室檻上水深的比值。

式中：λH為閘室水深利用率； H 為閘室檻上設(shè)計(jì)水深。

綜合式（1）、（2）、（3），可以得到閘室有效體積利用率與閘室有效面積利用率間的關(guān)系：

式中：λA為閘室有效面積利用率，λA=S′/S；S為閘室有效面積。

2 有效體積利用率的變化范圍

根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)，閘室有效面積利用率通常為0.5～0.8，因此，可取 0.5、0.6、0.7、0.8 為其代表值。考慮到閘室水深利用率與船閘等級(jí)、船舶噸位有關(guān)，現(xiàn)以天然和渠化河流航道上 I～I(xiàn)V 級(jí)船閘及規(guī)范給定標(biāo)準(zhǔn)船型[5]為參考，各參數(shù)如 表 1 所示。綜合公式（3）、（4），計(jì)算不同噸位船舶通過(guò)不同等級(jí)船閘時(shí)有效體積利用率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 內(nèi)河船型吃水及船閘檻上水深Table 1 Design draft and water depth on the threshold for standard vessels in each level

表2 閘室有效體積利用率Table 2 Relative utilization rate of lock chamber area of Waterway in each level for vessels with different tonnage

結(jié)果表明：閘室有效體積利用率的變化范圍為 0.15～0.51，主要隨船閘等級(jí)、船舶噸位以及閘室有效面積利用率而變化。

1）船舶噸位和船閘等級(jí)一定時(shí)，有效面積利用率越大，有效體積利用率越大。如 λA=0.5 時(shí)，3 000 噸級(jí)船舶通過(guò) I 級(jí)船閘的 λV是 0.32，而當(dāng)λA=0.8 時(shí)，其 λV則增為 0.51。

2） 面積利用率一定時(shí)，對(duì)于某一等級(jí)船閘，船舶噸位越接近該船閘等級(jí)，閘室有效體積利用率越大，當(dāng)船舶噸級(jí)與船閘等級(jí)一致時(shí)，閘室有效體積利用率最大。以 λA=0.5 為例，500 噸級(jí)船舶通過(guò) I級(jí)船閘時(shí)，λV僅為 0.15，如船舶增大為 3 000 噸級(jí)，與 I級(jí)船閘等級(jí)一致時(shí)，λV增至0.32。

因此，要提高閘室有效體積利用率，應(yīng)盡量使運(yùn)行船舶噸位與船閘等級(jí)相匹配，大閘走小船實(shí)際上是對(duì)船閘通過(guò)能力的浪費(fèi)。

3 有效體積利用率的應(yīng)用

根據(jù)一次過(guò)閘船舶總噸位計(jì)算公式，可得以閘室有效體積利用率為參量的一次過(guò)閘總噸位計(jì)算公式：

式中：G為一次過(guò)閘船舶總噸位；V為閘室有效體積；λV為有效體積利用率； Vd為虛擬代表船型吃水體積；gd為虛擬代表船型噸位。

4 實(shí)例分析

4.1 有效體積利用率及一次過(guò)閘總噸位

寶應(yīng)船閘位于鹽寶線揚(yáng)州段上游進(jìn)口處，2013 年經(jīng)擴(kuò)容改造后等級(jí)為三級(jí)，船閘尺度為180 m × 23 m × 4 m（閘室長(zhǎng) × 口門(mén)寬度 × 檻上水深），現(xiàn)計(jì)算其閘室有效體積利用率和一次過(guò)閘船舶總噸位。

參考內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)船型[5]，可以假定通 過(guò)寶應(yīng)船閘的代表船型尺度，根據(jù)江蘇多年統(tǒng)計(jì)資料，取寶應(yīng)船閘的閘室有效面積利用率多年平均值為λA=0.55，利用一次過(guò)閘總噸位計(jì)算公式 （5），可得到不同噸級(jí)船舶過(guò)閘時(shí)閘室有效體積利用率，詳見(jiàn)表3。

表3 寶應(yīng)船閘一次過(guò)閘總噸位Table 3 Once lockage gross tonnage for different ships' tonnages through Baoying lock

分析寶應(yīng)船閘計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，寶應(yīng)船閘有效體積利用率在 0.18～0.28 之間，閘室利用效率較低。其中，閘室水深利用率低是造成閘室有效體積利用率低的主要原因。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行過(guò)閘船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最小閘室水深吃水比普遍為1.5～1.6，其中，我國(guó)船閘設(shè)計(jì)規(guī)范要求， 門(mén)檻水深需大于等于設(shè)計(jì)最大船舶 （隊(duì)）滿載吃水的 1.6倍，即閘室水深利用率最大僅為 0.625，而寶應(yīng)船閘的檻上水深比規(guī)范深 0.5 m，所以其水深利用率更低，最大僅為 0.50。水深利用率與面積利用率（λA=0.55）相乘，故閘室有效體積利用率最大值僅為 0.28。

由表3還可以看出，在閘室有效面積利用率相同的條件下，隨著閘室體積利用率的不同，一次過(guò)閘船舶總噸位變化明顯。由此可見(jiàn)，利用閘室有效體積利用率這一參數(shù)，可以較好地反映閘室利用程度對(duì)一次過(guò)閘總噸位的影響，進(jìn)一步印證了公式（5）的合理性。

4.2 提高閘室有效體積利用率的措施

1）提高有效面積利用率

首先，從國(guó)家政策上，應(yīng)加強(qiáng)船舶標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，使過(guò)閘船舶平面尺度與閘室的平面尺度相適應(yīng)，提高船閘利用率及運(yùn)輸效率[6]。然后，針對(duì)各船閘特殊情況，在通航船舶條件已知的情況下，研究合理的船舶過(guò)閘調(diào)配方案，充分發(fā)揮船閘的過(guò)船能力。

2）提高水深利用率

一方面，對(duì)于因船舶噸位較小，通過(guò)能力未能充分發(fā)揮的中小型船閘，應(yīng)推進(jìn)船舶大型化進(jìn)程，使過(guò)閘船舶噸位與船閘等級(jí)相匹配，充分利用閘室水深。同時(shí)，對(duì)于河網(wǎng)地區(qū)，還要關(guān)注航道網(wǎng)內(nèi)航道（船閘）等級(jí)盡量一致，以使全河網(wǎng)地區(qū)水深利用率均達(dá)到最高水平。

另一方面，對(duì)于船舶噸級(jí)與船閘等級(jí)均已達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn)的大型船閘，可根據(jù)我國(guó)船閘的實(shí)際運(yùn)行情況，適當(dāng)放寬吃水比要求。檻上水深一定時(shí)，在滿足水深安全富裕的條件下，通過(guò)控制船舶進(jìn)閘速度、減少下沉量，可以科學(xué)合理地挖掘船閘的富余水深，提高閘室水深利用率。

5 結(jié)語(yǔ)

1）閘室有效體積利用率是反映閘室利用程度的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)過(guò)閘船舶與船閘等級(jí)一致時(shí)體積利用率為最大。

2）船舶噸級(jí)與船閘等級(jí)不匹配是造成有效體積利用率數(shù)值較低的主要原因。提高有效面積利用率和水深利用率，是提高閘室有效體積利用率的兩個(gè)方面。

3）要提高閘室有效面積利用率，主要應(yīng)加強(qiáng)船舶標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，并合理調(diào)配船舶排擋過(guò)閘。要提高閘室水深利用率，主要應(yīng)推進(jìn)船舶大型化進(jìn)程，使過(guò)閘船舶與船閘等級(jí)相匹配；在河網(wǎng)地區(qū)，關(guān)鍵是提高低等級(jí)航道的尺度，使航道間等級(jí)匹配。對(duì)于大型船閘，應(yīng)科學(xué)合理地挖掘船閘的富余水深，提高閘室水深利用率。

[1] 廖鵬，張瑋.船閘一次過(guò)閘平均噸位計(jì)算模型 [J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，40(1):207-212. LIAO Peng,ZHANG Wei.Analytical model for average lockage tonnage of waterway lock[J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition,2010,40(1):207-212.

[2] 廖鵬，張瑋，吳玲莉.船閘服務(wù)水平與船舶待閘時(shí)間[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2014（2）：17-19. LIAO Peng,ZHANG Wei,WU Ling-li.Relationship between level of service and delays at a waterway lock[J].China Harbour Engineering,2014(2):17-19.

[3] 王振喜.關(guān)于船閘通過(guò)能力計(jì)算中若干問(wèn)題探討[J].水運(yùn)工程，1998（6）：19-22. WANG Zhen-xi.Discussion on calculation of lock capacity[J].Port and Waterway Engineering,1998(6):19-22.

[4] 張瑋，廖鵬，梁應(yīng)辰，等.船閘通過(guò)能力計(jì)算中的若干問(wèn)題研究 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2005，29(5): 681-684. ZHANG Wei,LIAO Peng,LIANG Ying-chen,et al.Discussion on the calculation of lock capacity[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science and Engineering,2005,29(5): 681-684.

[5]GB 50139—2004，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S]. GB 50139—2004,Navigation standard of inland river[S].

[6] 張瑋，廖鵬，吳玲莉，等.船閘通過(guò)能力主要影響因素[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2004，4(3):108-110. ZHANG Wei,LIAO Peng,WU Ling-li,et al.Main parameters of waterway lock capacity[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2004,4(3):108-110.

Relative utilization rate of lock chamber volume and its application

LI Shan-shan1,ZHANG Wei1,LIU Shu-ming2,LIU Jin-long3,GU Dan-ping1
（1.College of Harbor Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;2.Yangzhou Waterway Management Department,Yangzhou,Jiangsu 225003,China;3.Mid-South Design&Research Institute, CHECC,Changsha,Hunan 410014,China）

The concept of relative utilization rate of lock chamber volume(RUV)was proposed in this paper.Through the theoretical analysis and practical calculations,we analyzed the characteristics of RUV,and discussed the measures to increase the RUV.The results show that the RUV can more accurately reflect the comprehensive degree of lock chamber,which has practical value for guiding the waterway lock operation and improving the waterway lock capacity.

waterway lock;relative utilization rate of lock chamber volume(RUV);relative utilization rate of lock chamber area(RUA);once lockage gross tonnage

U641.3

：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼：2095-7874（2014）11-0001-03

10.7640/zggwjs201411001

2014-06-18

江蘇省交通運(yùn)輸科技與成果轉(zhuǎn)化計(jì)劃項(xiàng)目 （2012Y18-2）

李珊珊 （1990 — ），女，山東淄博人，碩士研究生，主要從事港口航道工程研究。E-mail：1032305832@qq.com