福姜沙水道船舶交通流量與潮汐關(guān)系研究

王小華, 楊 莎，齊林林，楊欣程，白海鵬

(1.長江南京航道工程局，南京 210000；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 210000)

圖1 福姜沙水道航道布置圖Fig.1 Arrangement of Fujiangsha waterway channel

船舶交通流研究主要分為海上交通流[1]、內(nèi)河交通流[2]和港口水域船舶交通流[3]，最為關(guān)注的交通流特性參數(shù)是交通量、船舶速度、船舶密度3個參數(shù)，潮汐對3個參數(shù)產(chǎn)生影響[4]。研究方法主要為交通流仿真和預(yù)測。Fang Hui[5]構(gòu)建了一個水上交通網(wǎng)絡(luò)的船舶航行和交通流仿真系統(tǒng)，分析了新加坡水域各種不同條件下的交通流特征以及通過能力。方祥麟等對海上交通仿真進行了一系列的研究[6-9]。唐月明[10]基于元胞自動機理論構(gòu)建京杭運河船舶交通流仿真模型，分析了京杭運河中船舶交通流流量-密度與速度-密度關(guān)系曲線。張連東[11]運用小波理論對船舶交通流統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，得出了船舶交通流與船舶速度之間的關(guān)系式。朱翔宇[12]基于AIS數(shù)據(jù)的解析對港口服務(wù)模型進行了仿真。徐武雄[13]提出了基于Multi-Agent的建模和仿真方法，模擬了武漢長江多橋航道的船舶交通流。感潮河段船舶交通流與潮汐的關(guān)系研究以乘潮水位計算[14]與船舶調(diào)度[15]為主，Zeyuan Shao[16]根據(jù)潮汐河段的水流動力學(xué)特征，結(jié)合操船特性，提出安全航行的措施。長江南京以下12.5 m深水航道工程實施以來，通航船舶數(shù)量顯著增多，船長增加，維護性疏浚期間通航風(fēng)險增高。福姜沙水道為感潮河段，船舶乘潮過境現(xiàn)象明顯，本文采用實際觀測數(shù)據(jù)，分析福姜沙水道船舶流量特征及船舶流與潮汐關(guān)系，為船舶交通安全和航道維護疏浚施工方案制訂提供支持。

1 福姜沙水道航道情況

福姜沙水道內(nèi)主要航道有福姜沙北水道、福姜沙中水道、福姜沙南水道，如圖1所示。

福姜沙北水道為上行通航分道，深水航道最窄處航寬260 m，維護水深為理論最低潮面下12.5 m。福姜沙中水道為下行通航分道，供下行船舶通過使用，禁止上行船舶通過該水道，船長150 m以上的上行大型船舶和自身操縱能力受到限制的其他上行船舶除外。深水航道最窄處航寬350 m，維護水深為理論最低潮面下12.5 m。福姜沙南水道為雙向通航分道，按各自靠右航行原則實行分道通航，禁止過境船舶通過該航段，維護水深為理論最低潮面下10.5 m。

福姜沙水道通航船舶多樣化，船舶種類包含貨船、油輪、拖輪、過駁船等；船型既有30 m以下的小船，也有180 m以上的大型船只，大型船舶數(shù)量有逐年增長趨勢。福姜沙水道為典型的分汊航道，船舶交通流密集。福北水道日均流量為800～1 400艘次，福中水道日均400～700艘次，福南水道日均200～1 000艘次，各水道交通流量總體保持平穩(wěn)的狀態(tài)，洪季流量均大于枯季。

2 福姜沙水道船舶交通流現(xiàn)場觀測

2.1 觀測位置

圖2 福姜沙水道各觀測點位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the locations of the observation points of the Fujiangsha waterway

福姜沙水道主要疏浚區(qū)位置共有6處，分別是福北維護區(qū)、福左維護區(qū)、福中維護區(qū)、瀏海沙維護區(qū)和如皋中汊維護區(qū)。維護性疏浚施工期間，過往船舶與施工船舶通航矛盾增加，因此對福姜沙水道船舶交通流特性進行研究，可為制定施工期安全通航方案提供參考依據(jù)。參考福姜沙水道維護性疏浚區(qū)位置及分汊航道特點，共進行2次現(xiàn)場觀測，第一次觀測地點為黑浮#9附近；第二次觀測共設(shè)5個觀測點，觀測點1位于萬福港附近，觀測點2位于雙獅碼頭附近，觀測點3紅浮#48與紅浮#49之間，觀測點4位于如皋通用碼頭附近，觀測點5位于越洋碼頭附近。具體位置如圖2所示。

2.2 觀測方法

第一次現(xiàn)場觀測時間為2018年5月29～30日，起始時刻為29日18:00，第二次觀測為2018年10月15～16日，起始時刻為15日14:00～17:00，每次時長均為連續(xù)24 h。每個觀測點3名觀測人員，設(shè)三班倒機制，每8小時輪一班，每班2名人員，其中1人借助望遠(yuǎn)鏡目視計數(shù)，1人同步查看“船訊網(wǎng)”校核。觀測船型為通過該斷面的所有在航船舶，在《船舶流量觀測記錄表》上記錄觀測船長(在“船訊網(wǎng)”同步查到的船舶記錄實際船長，核查不到的船舶根據(jù)判斷記為船長≥80 m或船長<80 m)、船型(貨船、油輪、拖輪等)航行狀態(tài)(上行、下行)，觀測結(jié)束后交給相關(guān)負(fù)責(zé)人員進行后期統(tǒng)計與分析。

3 觀測結(jié)果統(tǒng)計與分析

圖3 工程河段與天生港水位站位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the location of the engineering section and the Tiansheng Port water level station

3.1 福姜沙水道潮汐特征

福姜沙水道位于潮流界以下，水流條件受潮汐影響，潮汐性質(zhì)屬非正規(guī)半日淺海潮，潮位每天兩漲兩落，日潮不等現(xiàn)象較明顯，特別是高潮位相差較大。一般漲潮歷時約4:09 (h:min)，落潮歷時約8:16 (h:min)，福姜沙水道潮流隨潮汐漲落具有往復(fù)流特征，落潮流流速大于漲潮流，大潮潮流流速大于小潮，船舶交通流受潮汐影響明顯。

工程河段臨近長期水位站為天生港水位站(經(jīng)度32°02′05.47″，緯度120°44′49.04″)，兩地位置示意圖如圖3所示。天生港水位站潮位過程線與工程河段距離近潮位變化相近，天生港潮汐資料準(zhǔn)確且便于獲取，因此采用天生港潮汐過程進行福姜沙水道船舶流量與潮位關(guān)系研究。

天生港水位站的潮位特征值如表1所示(1985 國家高程基準(zhǔn))。

表1 天生港潮位特征值統(tǒng)計表Tab.1 Characteristic value statistics of Tiansheng Port tidal level

對2次現(xiàn)場觀測的福姜沙水道船舶交通流數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)合天生港水位站當(dāng)日潮位，研究船舶交通流量與潮位的內(nèi)在聯(lián)系。

3.2 福姜沙水道現(xiàn)場觀測船舶流統(tǒng)計結(jié)果

圖4 各觀測斷面船長≥80 m和船長<80 m船舶數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.4 Statistical chart of the number of ships with ≥80 m and <80 m in each observation section

現(xiàn)場觀測時借助“船訊網(wǎng)”同步記錄船舶信息，遇到“船訊網(wǎng)”無法核查的船舶時，根據(jù)經(jīng)驗或現(xiàn)場參照物判斷船舶長度，將過往船舶按照大船(船長≥80 m)和小船(船長<80 m)進行記錄，2次觀測6個斷面的船型統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯１彼?FB#9和斷面4)大船與小船之比約為1:4，瀏海沙水道(斷面3)大船與小船之比約為4:5，福南水道(觀測點2)大船與小船之比約為1:4，福左水道(觀測點1)大船與小船之比約為3:7。福北水道和福南水道航道較窄，通航或進出港船舶以小船為主，瀏海沙水道和福左水道航道較寬，通航條件較好，大型船舶數(shù)量占比相對較大，觀測結(jié)果符合實際斷面通航條件。

將2018年5月29～30日第一次觀測和2018年10月15～16日第二次現(xiàn)場觀測的記錄表按照各斷面船舶總數(shù)、各斷面上行、下行總船舶數(shù)進行統(tǒng)計分析，得出統(tǒng)計表2。

表2 福姜沙水道各觀測點船舶數(shù)量統(tǒng)計表Tab.2 Statistics on the number of ships at each observation point of Fujiangsha waterway

表2結(jié)果表明，福左水道(觀測點1)、福南水道(觀測點2)和南通水道(觀測點5)上下行船舶數(shù)量相當(dāng)，3個水道均為雙向通航分道；福北水道(FB#9)和如皋中汊(觀測點4)上行船舶占比84%，該水道為上行單向通航分道；劉海沙水道(觀測點3)78%，該水道為雙向通航分道，但其上游的福中水道為下行單向通航分道，所以劉海沙水道觀測船舶主要為下行。這與福姜沙水道航路規(guī)則相符，表明了福姜沙水道船舶交通流空間分布特征，同時表明了本次觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 福姜沙水道船舶交通流與潮位逐時關(guān)系分析

根據(jù)3.1節(jié)統(tǒng)計結(jié)果，觀測點2位于福南水道，通航船舶為進出港船舶，船舶數(shù)量較少且船舶作業(yè)受潮汐影響較小，暫不對該處船舶流進行研究；觀測點3下行狀態(tài)更具研究性；第一次觀測點FB#9及第二次觀測的測點4上行狀態(tài)更具研究性，兩測點均位于福北水道，相距較近，選取第一次結(jié)果進行分析；觀測點1上下行船舶數(shù)量都較多，船舶數(shù)據(jù)具有操作性及研究性；觀測點5與觀測點1航路規(guī)則相同，上下行船舶數(shù)量和規(guī)律相近，篇幅限制故不再贅述。將船舶航行狀態(tài)分為上行和下行，分別研究船舶數(shù)量與潮位逐時變化關(guān)系，上行狀態(tài)分析第一次觀測及第二次觀測的測點1，下行狀態(tài)分析第二次觀測的測點1、3。

3.3.1 上行船舶流量與潮位關(guān)系分析

福姜沙水道第一次觀測斷面FB#9及第二次觀測的斷面1上行船舶流量與潮位逐時變化趨勢如圖5～圖6所示。

圖5 觀測斷面FB#9上行船舶數(shù)量與潮位關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the number of ships on observation section FB#9 and the tidal level圖6 觀測斷面1上行船舶數(shù)量與潮位關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the number of ships on observation section 1 and the tidal level

由圖5～圖6可見，上行船舶數(shù)量增減與潮位漲落基本同步，兩者相關(guān)關(guān)系明顯，但存在時差。觀測斷面FB#9上行船舶數(shù)量高峰期出現(xiàn)在5月30日漲潮時14:00～15:00，潮位峰值時刻為15:00，船舶流高峰先于潮位最高值1 h。觀測斷面1船舶流高峰期與潮位高峰值出現(xiàn)時刻同步，但在 10月15日落潮時(15日20:00～次日4:00落潮)進入夜間，由于光線下降等原因出現(xiàn)潮位緩落而船舶數(shù)量急劇減少的現(xiàn)象。福姜沙水道位于感潮河段，漲潮時潮流流向指向上游，船舶乘潮上行回避坡降阻力降低能耗，所以上行船舶在漲潮時段出現(xiàn)明顯的高峰期。

3.3.2 下行船舶流量與潮位關(guān)系分析

福姜沙水道觀測斷面1、3下行船舶流量與潮位逐時變化趨勢如圖7～圖8所示。

圖7 觀測斷面1下行船舶數(shù)量與潮位關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the number of ships and the tidal level in observation section 1圖8 觀測斷面3下行船舶數(shù)量與潮位關(guān)系圖Fig.8 Relationship between the number of ships and the tidal level in observation section 3

由圖7～圖8可以看出，船舶數(shù)量變化受光線影響較大，白天數(shù)量增多，夜間船舶減少，除偶然高峰值外，其他大部分時段船舶流量變化較小。下行船舶高峰流量出現(xiàn)在落潮的潮流流速較緩時段，說明在潮流流速不大的情況下，船舶更愿意利用落潮流比降減小阻力向下游航行。

3.4 福姜沙水道船舶交通流高峰流量分析

流量是指在單位時間內(nèi)，通過某一點、某一斷面或某一條交通流載體中的交通實體數(shù)，它是交通流三大基本交通參數(shù)之一，是描述交通流特性的最重要的參數(shù)之一。交通流量的大小直接反映交通流載體的繁忙程度，并在一定程度上反映該載體中交通實體的擁擠和危險程度[10]。可根據(jù)用下式計算

(1)

式中：q為流量(交通實體數(shù)化)；△T為觀測時間段長度，h；N為觀測時間段內(nèi)通過交通流載體某斷面的交通實體數(shù)。

將2次現(xiàn)場觀測記錄表按照上行船舶數(shù)量、下行船舶數(shù)量2種狀態(tài)對船舶的平均小時流量與高峰小時流量分別進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示。

表3 不同統(tǒng)計狀態(tài)船舶流量分析表Tab.3 Ship flow analysis table with different statistical status

注：漲潮可分為初漲、漲急、漲憩； 落潮分為初落、落急、落憩。漲急：漲潮流流速最快的時候；漲憩：潮水漲到最高時出現(xiàn)不漲不落的現(xiàn)象；落急：落潮流流速最快的時候；落憩：潮水落到最低時出現(xiàn)不漲不落的現(xiàn)象。

由表3可以看出，船舶流高峰小時流量為平均小時流量的2～4倍，根據(jù)船舶流量定義可知，高峰期航道內(nèi)的擁擠和危險度加倍，航道繁忙程度劇增。6個觀測斷面的船舶流高峰期與潮位漲落存在一定關(guān)聯(lián)。對于上行船舶，高峰流量出現(xiàn)時刻均為潮位最高值前后，觀測點FB#9、觀測點1、觀測點4均為漲急時，觀測點2為初落時，觀測點3為漲憩時，觀測點5為初漲時。

對于下行船舶，高峰流量出現(xiàn)時刻大多為潮落時段，觀測點FB#9、觀測點4、觀測點5均為落急時，觀測點1為漲急時，觀測點2為漲憩時，觀測3為落憩時。

由3.3和3.4節(jié)的分析，可以初步了解福姜沙水道船舶交通流量與潮位的關(guān)系和高峰流量特征，為進一步研究潮位對船舶航行安全的影響問題奠定基礎(chǔ)。施工期可根據(jù)上、下行船舶流量過程合理安排施工時段，采用錯峰施工等方式避開漲潮高峰期，以保障施工期通航安全。

4 小結(jié)

筆者及其他工作人員2次對福姜沙水道進行現(xiàn)場觀測，總共記錄6個斷面船舶流量數(shù)據(jù)。經(jīng)過統(tǒng)計分析，各個斷面船舶流量、上下行船舶數(shù)量占比、船型大小均與福姜沙水道航路規(guī)則和斷面條件相適應(yīng)。結(jié)合天生港潮位數(shù)據(jù)，分析表明，上行船舶流量曲線與潮位曲線基本同步，存在1 h的時差；下行船舶流量曲線與潮位曲線關(guān)系不明顯，白天船舶流量增加，夜間流量減小。福姜沙水道上行船舶交通流高峰出現(xiàn)在高潮位前后，下行船舶流高峰一般出現(xiàn)在落潮時段內(nèi)。船舶高峰小時流量為平均小時流量的2～4倍，高峰期航道繁忙程度劇增。本研究對于福姜沙水道船舶航行安全問題研究與維護性疏浚期間錯峰施工方案制定具有一定的借鑒意義。