三峽樞紐船閘水域船舶安全航速最小能見度分析

劉振嘉，程升鵬，張鵬斌

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽樞紐能見度不良嚴(yán)重制約船舶過閘效率，通過掌握不同船型船舶航行避讓相關(guān)參數(shù)等措施，是提高樞紐通航效率的必要條件。

1 三峽壩區(qū)霧的種類及分布特點(diǎn)

1.1 霧的種類

根據(jù)霧天三峽樞紐航道原型觀測(cè)結(jié)果，船閘水域的陣霧體現(xiàn)了鄂西山谷地區(qū)霧情特點(diǎn)[1]，其形成的條件為溫度下降和濕度升高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況，三峽水域大霧主要有兩種：

1)蒸汽霧。長江水面廣闊，太陽照射后，水大量蒸發(fā)，因四周環(huán)山，空氣不流通，水蒸氣在水面以上積累，空氣濕度大。春秋季節(jié)，天氣變化頻繁，遇到冷空氣過境，溫度下降幅度大，水蒸氣凝結(jié)成霧。

2)雨霧。當(dāng)雨水不大時(shí)，易在江面形成朦朧的雨霧，造成能見度不良。

1.2 霧的分布特點(diǎn)

1)分布不均勻，多見團(tuán)霧。長江三峽通航管理局轄區(qū)大霧以兩壩為界限分為壩上、兩壩間、壩下3部分。大霧發(fā)生區(qū)域分布不均勻，以至于某些水域能見度不足200 m，某些水域能見度又滿足通航要求，造成預(yù)警發(fā)出不及時(shí)，各區(qū)域聯(lián)動(dòng)不協(xié)調(diào)。

2)持續(xù)時(shí)間與風(fēng)雨有關(guān)。大霧形成后，如果夜間沒有風(fēng)雨，則持續(xù)時(shí)間長，直至次日日出時(shí)消散。

2 樞紐水域交通管制概況

2.1 船舶交通管制系統(tǒng)(VTS)功能

1)監(jiān)督管理。對(duì)三峽河段重點(diǎn)水域的船舶進(jìn)行監(jiān)視、詢查，必要時(shí)發(fā)出強(qiáng)制指令。操作人員能夠通過視頻圖像監(jiān)視船舶的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)交通管制區(qū)、進(jìn)出引航道和待閘錨地中船舶進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視和跟蹤，預(yù)防形成交通緊迫局面，糾正違章、偏航、走錨等；能夠通過通信手段接收船舶報(bào)告、查詢船舶的配備和航行計(jì)劃等，必要時(shí)，通過通信或其他手段向船舶發(fā)出強(qiáng)制執(zhí)行指令；能夠?qū)Υ案檾?shù)據(jù)進(jìn)行記錄、回放，便于違章查詢和海事調(diào)查等。

2)調(diào)度指揮和交通組織。根據(jù)船舶航行的具體要求，組織壩上船舶進(jìn)出港區(qū)、錨泊待閘、過閘等；組織兩壩間船舶通過橋區(qū)、進(jìn)出港區(qū)、船舶臨時(shí)候閘、編解船隊(duì)等；組織壩下船舶通過橋區(qū)、過閘。對(duì)進(jìn)入轄區(qū)內(nèi)的船舶能夠識(shí)別確認(rèn)，核實(shí)船舶過閘申報(bào)，防止船舶“虛報(bào)、謊報(bào)”船位；跟蹤待閘錨地中船舶的動(dòng)態(tài)，為智能調(diào)度系統(tǒng)提供前端動(dòng)態(tài)信息采集，以便于及時(shí)調(diào)整和修改調(diào)度計(jì)劃；建立與待閘錨地中船舶的可靠通信，便于調(diào)度指令和信息的播發(fā)，有序組織調(diào)度計(jì)劃。

3)信息服務(wù)。通過有效的手段為船舶航行提供相關(guān)信息。這些信息主要包括轄區(qū)水域交通狀況信息；管理區(qū)域、管理規(guī)則修正和變化信息；三峽河段的水文、氣象信息；航道封航、沖砂、泄洪、船閘檢修等信息；助航標(biāo)志調(diào)整、異常信息，航道變化、交通堵塞或礙航物信息；特種作業(yè)船施工或作業(yè)情況；其他有關(guān)航行安全的事項(xiàng)。

4)應(yīng)急服務(wù)以及與相鄰VTS合作等。與應(yīng)急部門協(xié)作，如搜救和防污染，提高應(yīng)急反應(yīng)能力。與庫區(qū)相鄰VTS以及長江其他VTS合作，提高管理效率和效果。和港口、船舶公司等信息聯(lián)網(wǎng)，為港航單位提供相關(guān)信息。

2.2 功能應(yīng)用

1)雷達(dá)。在霧天航行時(shí)，利用雷達(dá)探測(cè)可以獲得視覺和聽覺所不能獲得的周邊水域船舶信息。就船閘水域通航而言，雷達(dá)可提供周邊水域是否有其他船舶，且通過距離標(biāo)尺掌握其大致的方位。

2)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)。過閘船舶均配備了AIS設(shè)備，首先，船舶通過設(shè)備操作能連續(xù)發(fā)送本船的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息，同時(shí)自動(dòng)接收裝有AIS設(shè)備的其他船的信息。其次，AIS能提供船舶操縱信息，以供VTS或其他船舶跟蹤監(jiān)視。同一閘次船舶可以通過該設(shè)備互通信息，適時(shí)掌握相互間動(dòng)態(tài)。

過閘船舶通過雷達(dá)與AIS設(shè)備的綜合應(yīng)用，既能用雷達(dá)觀測(cè)船舶周圍水域的各種水面固定或漂浮物情況，通過系統(tǒng)觀察和雷達(dá)標(biāo)繪可以判斷船舶間是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，獲得船舶周圍準(zhǔn)確、全面的船舶航行信息和環(huán)境信息，幫助駕駛員對(duì)船舶航行態(tài)勢(shì)進(jìn)行安全評(píng)估。又能用AIS設(shè)備在船閘水域自動(dòng)獲得其他船舶信息，而且通過VTS的廣播可獲得各類航行、通航組織信息。兩者互為補(bǔ)充，較好地克服了能見度不良的弊端。

2.3 三峽樞紐通航管理實(shí)踐

自三峽樞紐通航近15年以來的實(shí)踐表明，船舶安全避碰已有規(guī)律可循，且有安全保障。從法規(guī)、管理以及技術(shù)層面，都有切實(shí)可行的措施，如船閘水域中的引航道水域?qū)嵤┑姆值篮叫幸?guī)則、禁止600 GT以下船舶過閘、過閘船舶須配置雷達(dá)和AIS設(shè)備、通過船閘水域須由船長和輪機(jī)長親自操作、船舶過閘前須經(jīng)過安全檢查、船閘水域船舶進(jìn)出閘室的航速不得超過1 ms等強(qiáng)制性規(guī)定；VTS在樞紐水域范圍內(nèi)，為航行船舶提供信息、咨詢服務(wù)，并實(shí)施監(jiān)督控制，必要時(shí)做出指令，實(shí)施管理措施；船舶配備的雷達(dá)及AIS等設(shè)備，它們的功能能夠相互補(bǔ)充，為船舶遇霧航行、停泊、作業(yè)提供了基本的條件。

一般來講，大霧氣象條件下船閘及引航道水域可以通航，須具備通航的充要條件，即通航水域的通航環(huán)境與船舶的操縱性能兩者滿足通航要求：

1)通航環(huán)境條件。包括航道尺度、水流條件等航道條件，通航密度、背景亮光、氣象條件等。

2)船舶操縱性能。就船舶避碰而言，船舶操縱性能主要指慣性性能(沖程)和回旋性能。這主要與船舶的尺度、載質(zhì)量、航速等有關(guān)。船速越快沖程越大，反之則越小。

3 有關(guān)安全航速的原型觀測(cè)

為進(jìn)一步探索三峽船閘的過閘方式，縮短船舶進(jìn)閘時(shí)間，提高三峽船閘運(yùn)行效率，最大限度地發(fā)揮三峽樞紐通過能力，適應(yīng)長江船舶過閘需求，近年來開展了“船舶進(jìn)閘效率提升技術(shù)研究”等工作?；痉椒ㄊ峭ㄟ^實(shí)船測(cè)試等原型觀測(cè)方法，掌握船舶進(jìn)出閘運(yùn)行工況，確定船舶安全航速、制動(dòng)沖程等重要參數(shù),進(jìn)一步明確了能見度不良時(shí)通航組織的工作思路。

成立多個(gè)工作小組進(jìn)行實(shí)船測(cè)試，其中船舶駕引組負(fù)責(zé)測(cè)試船舶進(jìn)出閘及移泊過程中的操作指揮及船舶沖程測(cè)試。鑒于目前2 000～5 000噸級(jí)過閘船舶超過過閘船舶總數(shù)量的70%，且將是今后較長時(shí)間內(nèi)過閘船舶的主要船型，故選取2 000、3 000、4 000噸級(jí)船舶作為測(cè)試船型；為保證最高通航水位流量時(shí)船閘引航道口門外連接段航道的航行安全，在縱向流速≤2.50 ms、橫向流速≤0.45 ms、水面比降≤0.2‰條件下，滿足船舶排水量與主機(jī)功率之比≤9.52 tkW的要求；取0.5和1.0 ms作為航速便捷控制工況，用較低的航速換取更高的安全性。

低速航行時(shí)，船舶阻力較螺旋槳倒車時(shí)的拉力小得多，因此可以近似認(rèn)為船舶動(dòng)能消耗于倒車?yán)ψ龉?。根?jù)《普通物理學(xué)》[2]相關(guān)公式：

(1)

式中：S為沖程；Δ為排水量；v0為速度；Tp為倒車?yán)Α?/p>

4 代表性過閘船舶安全航速所需能見度估算

根據(jù)《山區(qū)航道整治》[3]推薦的船舶推力計(jì)算公式：

T=mE

(2)

式中：T為有效推力；E為主機(jī)功率；m為系數(shù)，一般取0.080 0～0.106 6 kNkW,根據(jù)不同的取值，推算不同功率時(shí)可能具有的有效推力，同時(shí)根據(jù)船舶操縱經(jīng)驗(yàn)公式，船舶倒車?yán)θ?5的船舶推力，結(jié)果見表1。

表1 有效推力計(jì)算值

注：v0取1 ms。

取代表船型船舶為川江及三峽庫區(qū)干散貨船標(biāo)準(zhǔn)船型、液貨船(包括油船、化學(xué)品船)標(biāo)準(zhǔn)船型船舶，按照式(1)估算了各類船舶倒車自動(dòng)沖程，即船舶保持進(jìn)出閘室的航速不得超過1.0 ms，在雷達(dá)顯示屏上發(fā)現(xiàn)障礙物，隨即采取停車、倒車的制動(dòng)措施，從偏安全角度計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)的結(jié)果見表2。

從計(jì)算結(jié)果可看出，船舶在船閘水域以安全航速航行時(shí)，其倒車制動(dòng)沖程一般在40 m以下。根據(jù)《船舶碰撞法》[4]，船舶倒車沖程應(yīng)是船舶駕駛部操作倒車指令后，主機(jī)有了倒車車速后產(chǎn)生船舶的慣性沖程，但船舶在順車行進(jìn)中從順車到倒車過程中，必然有順車到停車的操縱過程，因而應(yīng)有一個(gè)順車至停車的慣性沖程，即駕駛部操作了順車到停車的指令后，船舶的停車沖程。

表2 川江及三峽庫區(qū)標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度及計(jì)算結(jié)果

注：在參考主機(jī)功率下,對(duì)應(yīng)船舶設(shè)計(jì)吃水的設(shè)計(jì)航速≥18 kmh。

因此，船舶在船閘水域安全航速所需最小能見度應(yīng)不小于倒車?yán)Πl(fā)揮作用后的倒車沖程、船舶自順車到停車的慣性沖程、安全余量這三者之和。則船舶順車至停車一般在2 min內(nèi)，航速取1.0 ms，2 min的慣性沖程為120 m，安全余量取40 m，則最小能見度需求約為200 m。

5 結(jié)語

1)三峽樞紐出現(xiàn)的大霧多屬蒸汽霧，且團(tuán)霧較多見，呈現(xiàn)陣霧特點(diǎn)；陣霧條件下，三峽樞紐通航交通管理系統(tǒng)配備了VTS和AIS設(shè)備等，為過閘船舶航行瞭望、方位互見提供了基本保障。

2)船舶制動(dòng)沖程計(jì)算結(jié)果表明，過閘船舶運(yùn)用規(guī)定的安全航速進(jìn)出閘時(shí)，停車及倒車沖程均在40 m以內(nèi)，控制性通航最小能見度需求為200 m。