基于大型船舶實船觀測的開敞海域淺灘深挖槽航道通航寬度

郭冬冬，金雪英，曹恩廣，程鑫，車軍，馬興華

（1.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120；2.連云港引航站，江蘇 連云港 222042；3.東海航海保障中心連云港航標(biāo)處，江蘇 連云港 222000）

基于大型船舶實船觀測的開敞海域淺灘深挖槽航道通航寬度

郭冬冬1，金雪英1，曹恩廣2，程鑫3，車軍1，馬興華1

（1.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120；2.連云港引航站，江蘇 連云港 222042；3.東海航海保障中心連云港航標(biāo)處，江蘇 連云港 222000）

航道通航寬度直接影響船舶進(jìn)出港的航行安全，而對于類似連云港港的大型船舶淺灘深挖槽航道，航道基建投資、維護(hù)成本對航道通航寬度更為敏感。我國現(xiàn)行規(guī)范航道通航寬度計算公式是根據(jù)7.4萬t以下船舶實船航跡觀測后推導(dǎo)的經(jīng)驗公式，缺少大型船舶的實船航行數(shù)據(jù)作為支撐。本研究通過觀測連云港港15萬噸級航道內(nèi)15萬噸級船舶實船航行數(shù)據(jù)，并引入航道寬度保證率的概念，提出不同保證率對應(yīng)的船舶漂移倍數(shù)以及不同條件下航道船舶漂移倍數(shù)取值，優(yōu)化了開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道通航寬度計算參數(shù)，完善了計算方法，解決了規(guī)范公式及參數(shù)缺乏大型實船航行數(shù)據(jù)支撐和缺乏保證率概念的問題，為規(guī)范修編提供技術(shù)依據(jù)。

實船觀測；航道通航寬度；航跡帶寬度；船舶漂移倍數(shù)；保證率

0 引言

航道通航寬度涉及航道的安全性和經(jīng)濟性，航道越寬，船舶航行越偏安全，但航道基建投資和維護(hù)成本也會越高；反之，航道過窄，航道基建投資和維護(hù)成本降低，但增加了船舶通航安全風(fēng)險。特別是對于淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道，由于灘淺坡緩、人工開挖航段長、基建疏浚工程量大，航道基建投資、維護(hù)成本對航道通航寬度更為敏感。因此，如何安全、經(jīng)濟地確定航道通航寬度顯得尤為重要。

我國JTJ 211—99《海港總平面設(shè)計規(guī)范》[1]航道有效寬度（現(xiàn)行規(guī)范JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》[2]稱為航道通航寬度）計算公式是根據(jù)7.4萬t以下船舶實船航跡觀測后推導(dǎo)的經(jīng)驗公式。該公式及參數(shù)總體上是合理和適用的，但由于缺少大型船舶實船航行數(shù)據(jù)作為支撐，且大型船舶操縱性能不同于中小型船舶，因此業(yè)界在工程實踐中對該公式在深水航道的合理性存在諸多爭議。

為此，依托連云港港深水航道工程，在連云港港15萬噸級航道內(nèi)進(jìn)行實船航行觀測，基于大型船舶實船航行觀測并引入航道寬度保證率的概念，研究開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道內(nèi)大型船舶航跡帶寬度、漂移倍數(shù)等，優(yōu)化了開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道通航寬度計算參數(shù)，完善了開敞海域淺灘深挖槽航道有效寬度計算方法，解決了現(xiàn)行公式及參數(shù)缺乏大型實船航行數(shù)據(jù)支撐和缺乏保證率概念的問題，為規(guī)范修編提供技術(shù)依據(jù)。研究成果被納入863計劃課題《開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深水航道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究》[3]。

1 15萬噸級航道實船航行觀測概況

大型船舶實船航行觀測在連云港港15萬噸級航道內(nèi)進(jìn)行，該航道是開敞海域淤泥質(zhì)海岸淺水深挖槽航道，航道全長33.9 km，通航寬度230 m，底標(biāo)高-16.0 m/-16.5 m，可乘潮單向通航15萬噸級散貨船。航道由外向內(nèi)分別為外航道、內(nèi)航道、廟嶺航道，其中外航道25.7 km，走向243°—063°；內(nèi)航道5.5 km，走向292°—112°；廟嶺航道2.7 km，走向270°—090°。為避免船舶轉(zhuǎn)彎、低速航行等因素影響實船航行研究結(jié)果，選擇在15萬噸級航道的外航道進(jìn)行實船航行觀測。

如何獲取大量的準(zhǔn)確的實船航行軌跡是實船航行觀測研究的關(guān)鍵之一。本次研究[4]利用船舶自動識別系統(tǒng)，采集了2010年3月—2014年9月近130艘15萬噸級散貨船進(jìn)港航行實時船位、對地航向COG、對地航速SOG、船艏向、回轉(zhuǎn)速率ROT等航行數(shù)據(jù)。同時，為驗證AIS數(shù)據(jù)的可靠性，采用GPS定位儀對7艘15萬噸級散貨船進(jìn)港航行進(jìn)行同步觀測。

驗證結(jié)果顯示：無論是實船航行中心軌跡平均偏差，還是全程航跡帶寬度，GPS定位測量和AIS系統(tǒng)取得的實船航行數(shù)據(jù)偏差均在10 m以內(nèi)，相比15萬噸級航道通航寬度230 m而言，偏差占比較小，屬可接受范圍內(nèi)。因此，AIS系統(tǒng)獲取的船舶航行數(shù)據(jù)完全滿足研究精度需要。

2 實船航行同步橫流及風(fēng)流壓偏角確定

2.1 實船航行橫流

航跡帶寬度主要受自然因素、船舶操縱性能和人為因素共同影響。由于本次實船航行觀測對象均為15萬噸級散貨船，船舶操縱性能相差不大，故該因素可忽略不考慮。而人為因素主要為船舶操縱所體現(xiàn)的船舶航行狀態(tài)，包括航行軌跡、風(fēng)流壓偏角、航速、航跡帶寬度等，均可通過AIS數(shù)據(jù)直接和間接體現(xiàn)。自然因素主要包括水流、風(fēng)和波浪等，其中橫流是引起船舶航行偏角的主要動力因素，因此，如何準(zhǔn)確地實時觀測或推算船舶航行時段的潮流也是實船航行觀測研究的關(guān)鍵所在。

一方面，采用數(shù)學(xué)模型計算工程海域代表潮型大、中、小潮流場[5]，再通過船舶通航期間實時潮位推算航道沿線實時潮流，進(jìn)而得到實時橫流。推算結(jié)果表明，船舶航行期間，航道沿線橫流均較小，但基本不小于0.1 m/s，最大不超過0.5 m/s；從各觀測船舶航行期間航道沿程實時橫流分布來看，橫流沿程變化明顯，且自外海向內(nèi)基本呈逐漸減小趨勢。

另一方面，在進(jìn)行GPS航跡觀測時同步開展ADCP跟蹤測流，航道沿線實測潮流見圖1。對比ADCP實測潮流和數(shù)模推算的潮流，發(fā)現(xiàn)兩者基本接近，因此，研究認(rèn)為數(shù)模推算的潮流可以作為實船航行期間的潮流。

圖1 ADCP實測流矢示意圖Fig.1 Current observation by ADCP

2.2 風(fēng)流壓偏角確定

根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》中橫流與風(fēng)流壓偏角的關(guān)系，由數(shù)模推算的橫流確定相應(yīng)的風(fēng)流壓偏角。其中橫流在0.1～0.25 m/s范圍的航段對應(yīng)風(fēng)流壓偏角γ取5°，0.25～0.5 m/s范圍的航段對應(yīng)風(fēng)流壓偏角γ取7°。

3 航跡帶寬度和漂移倍數(shù)統(tǒng)計

3.1 航段劃分

眾所周知，航道越長，實測的航跡帶寬度越寬，反之，航道越短，實測的航跡帶寬度越窄，因此，合適的航道長度是研究航跡帶寬度的關(guān)鍵。連云港港15萬噸級航道外航道全長25.7 km，經(jīng)各樣本航行軌跡分析，船舶1次左右搖擺周期的航行距離約3～5 km，故研究認(rèn)為將外航道按5 km進(jìn)行分段研究船舶航跡帶寬度是合適的[4]。

3.2 航跡帶寬度統(tǒng)計

剔除極少數(shù)不合理樣本后，γ=5°航段對應(yīng)樣本總數(shù)126個，航跡帶寬度最大119.6 m，最小55.7 m，均值84.2 m，標(biāo)準(zhǔn)差13.3 m；γ=7°對應(yīng)樣本總數(shù)235個，航跡帶寬度最大148.3 m，最小57.9 m，均值89.77 m，標(biāo)準(zhǔn)差17.23 m。見表1。

表1 實測航跡帶寬度統(tǒng)計匯總表Table 1 Statisticalsummary table of shipping track w idth

3.3 漂移倍數(shù)n統(tǒng)計

根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》中航跡帶寬度經(jīng)驗公式，由實測航跡帶寬度、實際船長、船寬和風(fēng)流壓偏角，反推漂移倍數(shù)。具體統(tǒng)計結(jié)果如下。

1）γ=5°：樣本總數(shù)126個，最大漂移倍數(shù)1.68，最小0.83，均值1.20，標(biāo)準(zhǔn)差0.191，見圖2。

圖2 實測漂移倍數(shù)n統(tǒng)計圖（γ=5°）Fig.2 Statisticaldiagram of the drif tmagnification n（γ=5°）

2）γ=7°：樣本總數(shù)235個，最大漂移倍數(shù)1.81，最小0.68，均值1.12，標(biāo)準(zhǔn)差0.214。

4 漂移倍數(shù)概率統(tǒng)計分析

4.1 概率分布統(tǒng)計

采用柯爾莫諾夫-斯米爾諾夫檢驗法，分別對5°、7°風(fēng)流壓偏角對應(yīng)實測漂移倍數(shù)n進(jìn)行分布檢驗。結(jié)果顯示：實測漂移倍數(shù)n樣本均服從GARMMA分布[6]。分布擬合結(jié)果見圖3、圖4，概率分布統(tǒng)計結(jié)果表2。

4.2 實測值與規(guī)范值對比

將概率統(tǒng)計得到的漂移倍數(shù)結(jié)合《海港總體設(shè)計規(guī)范》，計算各保證率下的15萬噸級散貨船航跡帶寬度及15萬噸級航道通航寬度（見表3），與《海港總體設(shè)計規(guī)范》的規(guī)范值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)99%保證率實測漂移倍數(shù)及對應(yīng)的航跡帶寬度和航道通航寬度總體與規(guī)范值相當(dāng)，說明規(guī)范的風(fēng)流壓偏角取值總體上是合適的。但99.7%保證率下，實測值明顯大于規(guī)范值，說明規(guī)范推薦的漂移倍數(shù)及其相應(yīng)的航跡帶寬度和航道通航寬度對于船舶航行的安全性未達(dá)到99.7%。

圖3 實測漂移倍數(shù)n分布檢驗（γ=5°）Fig.3 Distribution testof driftm agnification n（γ=5°）

圖4 實測漂移倍數(shù)n分布擬合（γ=5°）Fig.4 Distribution fitting ofdrift magnification n（γ=5°）

表2 實測漂移倍數(shù)概率分布統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Probability distribution results of drift m agnification

表3 統(tǒng)計值與規(guī)范值對比表Table3 Com parisonofstatisticalvaluesand standard values

5 航道通航寬度計算參數(shù)優(yōu)化

通過以上研究認(rèn)為，《海港總體設(shè)計規(guī)范》計算航跡帶寬度和航道通航寬度的計算公式可以適用于大型船舶航道寬度設(shè)計，風(fēng)流壓偏角、船舶漂移倍數(shù)取值總體是合適的。但為了切實提高船舶航行安全度，針對不同類型航道可根據(jù)航道的重要程度、復(fù)雜程度推薦相應(yīng)不同保證率下的航行參數(shù)。如一般航道，漂移倍數(shù)保證率取99%，但對于特別重要的航道或者特殊航段，建議漂移倍數(shù)取99.7%，詳見表4。

表4 漂移倍數(shù)建議取值Table 4 Recommended value of d rift magnification

6 結(jié)語

本研究基于連云港港15萬噸級航道實船航行觀測，基于大型船舶實船航行觀測并引入航道寬度保證率的概念，研究開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道內(nèi)大型船舶航跡帶寬度、漂移倍數(shù)，論證了現(xiàn)行《海港總體設(shè)計規(guī)范》航道通航寬度計算公式及計算參數(shù)對于大型船舶深水航道的適用性，提出船舶漂移倍數(shù)的優(yōu)化取值，解決現(xiàn)行公式及參數(shù)缺乏大型實船航行數(shù)據(jù)支撐和缺乏保證率概念的問題，完善了開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道通航寬度計算方法，實現(xiàn)船舶航行安全和節(jié)約航道工程投資的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。研究方法和成果可供連云港港30萬噸級航道工程和其他開敞海域淤泥質(zhì)海岸大型深水航道工程通航寬度研究借鑒。

[1]JTJ 211—99，海港總平面設(shè)計規(guī)范[S]. JTJ 211—99,Design code ofgeneral layout for sea ports[S].

[2]JTS 165—2013，海港總體設(shè)計規(guī)范[S]. JTS 165—2013,Design code ofgeneral layout forsea ports[S].

[3]中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司.開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道總體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[R].2014. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.The key technology of the design of a waterway with deeply dredged trench at the site ofshallow shoal[R].2014.

[4]中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司.連云港港15萬噸級航道實船觀測研究[R].2012. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.On vessel observation of the 150 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].2012.

[5]中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司.連云港港30萬噸級航道一期工程初步設(shè)計[R].2010. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.Engineering design for Phase I of the 300 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].2010.

[6]WALPOLE R E.概率與統(tǒng)計[M].周勇，馬昀蓓，謝尚宇，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2014. WALPOLE R E.Essentials of probability&statistics for engineers &scientists[M].ZHOU Yong,MA Yun-bei,XIE Shang-yu,et al. translate.Beijing:China Machine Press,2014.

On the width of a waterway with deeply dredged trench at the site of shallow shoal based on vessel observation

GUO Dong-dong1,JIN Xue-ying1,CAO En-guang2,CHENG Xin3,CHE Jun1,MA Xing-hua1
（1.Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai200120,China;2.Lianyungang Pilot Station, Lianyungang,Jiangsu 222042,China;3.Lianyungang Aids to Navigation Departmentof Donghai Navigation Safety Administration,Lianyungang,Jiangsu 222000,China）

The width of a waterway directly affects the safety of vessel entering and leaving port,in terms of waterway with deeply dredged trench at the site of shallow shoal like Lianyungang port,infrastructure investment and maintenance cost are more sensitive to the width.The current calculation formula for the width is based on the shipping track of ships under 74 000 dwt rather than larger ships,lack of actual ship navigation data of large ships as support.By observing shipping track of 150 000 dwt ships in 150 000 dwt waterways,and bringing in the concept of assurance rate,we introduced the vessel drift magnification for different assurance rate and how to determine the vessel drift magnification under different circumstances.We optimized the width calculation parameter and improved calculation method,solved the problem that current formula lacks of large ship shipping data and assurance rate concept.The study can provide strong technical evidence for the revision of the codes.

vessel observation;the width of a waterway;shipping track width;vessel drift magnification;assurance rate

U656.5

A

2095-7874（2016）11-0035-04

10.7640/zggw js201611008

2016-05-25

2016-08-26

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題（2012AA112509）

郭冬冬（1984— ），男，浙江舟山人，工程師，注冊港航工程師，港口航道與海岸工程專業(yè)。E-mail：g111otm@126.com