蝦峙門深水航槽通航優(yōu)化探討

李 昂

寧波舟山港作為長江經(jīng)濟(jì)帶的重要港口和國家原油儲備基地，每年都有大量的油散貨中轉(zhuǎn)集運(yùn)，其中超大型油船（VLCC）更是兩港原油運(yùn)輸?shù)闹髁Υ?，目前，寧波舟山港核心港區(qū)30萬噸級泊位共有10座。近年來，隨著到港的VLCC逐年增多，筆者發(fā)現(xiàn)有必要優(yōu)化滿載30萬噸級船舶通過深水航槽的時間安排和通航間距管理。

一、概況

寧波舟山港的超大型泊位分布較散，從蝦峙門燈船至各泊位航程差距較大，且靠泊時間參考標(biāo)準(zhǔn)不一。寧波港主要參考鎮(zhèn)海港潮汐，舟山港參考定海港潮汐，定海港高潮時比鎮(zhèn)海港早50分鐘左右，低潮時早30分鐘左右。各碼頭信息及靠泊時間安排如表1所示。兩港靠泊的滿載VLCC吃水一般在20.5米左右，經(jīng)長期觀察其過槽時實際富余水深在3米以上。蝦峙門深水航槽全長12海里，寬度390米，海事管理機(jī)構(gòu)規(guī)定編隊通航時間間距為45分鐘，該模式下對航槽水域資源利用率較低，在有3條或以上VLCC排隊過槽時會存在編隊船舶在過槽和靠泊的時間上前后制約的矛盾，有必要對該模式下的富余水深、通航間距及編隊順序等關(guān)鍵性影響因素進(jìn)行深入探討并優(yōu)化。

表1 寧波舟山港30萬噸級碼頭位置及引航靠泊時間

二、富余水深和可航時段控制

（一）富余水深的計算

富余水深UKC公式=（海圖水深+潮高）-（船舶吃水+船體下沉量）。

富余水深的確定關(guān)鍵在于準(zhǔn)確計算船體下沉量。關(guān)于下沉量的計算，我們結(jié)合郝慶龍[1]、洪碧光[2]等以實船試驗和各估算公式計算結(jié)果的比較，采用Huuska/Guliev公式：

其中：S為下沉量，米；CS為系數(shù)，取2.4；Δ為該吃水下的排水量，噸；Lpp為兩柱間長，米；Fnh為水深傅汝德數(shù)，V為船速，米/秒，g=9.8米/秒2；KS為修正數(shù)，其定義如下式：

其中，在非限制性水域，KS通常取值為1.0。

對于挖槽航道Q1=Q/K1，K1取值可查閱參考文獻(xiàn)[2]中圖2。Q=AS/AC，其中AS為船舶橫斷面面積（AS≈0.98Bd，B為船寬，d為吃水），AC為航道斷面面積，對于挖槽航道AC=Wh+nh2（W為航道底寬，n為航槽邊坡斜率，h為水深）。

（二）實例計算結(jié)果及運(yùn)用

以202 0年2月4日來港的VLC C“NE W PROSPERITY”（船長330米，船寬60米，吃水20.5米）為例，測得當(dāng)日在過深水航槽時最淺富余水深在1418時5號浮附近（航道水深22.1米），速度9.5節(jié)，UKC實測為3.3米，查表得該時刻潮高2.60米。根據(jù)上述公式計算下沉量S=0.97米，則富余水深UKC公式=3.23米，幾乎等于實測值（其誤差應(yīng)由公式系數(shù)和計算引起）。

用該公式計算在不同速度下通過航槽最淺點5號浮時的船體下沉量如表2所示。在本文的優(yōu)化分析中，富余水深在2.5米以上，符合海事管理機(jī)構(gòu)的規(guī)定（船舶吃水10%且最少2米）。從表2可知：在進(jìn)深水航槽時刻潮高高于2.60米時，在航道內(nèi)以8～12節(jié)速度航行均安全可行。另外考慮到一天中大部分時間航槽可通航水深在24米（潮高約1.9米）以上，并以通航速度8節(jié)和10節(jié)計算，下沉量分別為：S8節(jié)=0.70米，S10節(jié)=1.13米；富余水深分別為：UKC8節(jié)≈2.8米，UKC10節(jié)≈2.4米。因此在通航水深不小于24米時航行速度不超過10節(jié)均安全可控，該結(jié)論表明在以上條件下一天中的大部分時間符合通航水深要求，可拓寬航槽可航時段時長。

表2 不同速度下過5號浮的下沉量和富余水深

三、通航間距控制

（一）通航間距優(yōu)化的必要性

蝦峙門深水航槽單向通航，在滿載VLCC乘潮通過時，由于過槽水深及靠泊時間的限制，同一潮水中多達(dá)3條或以上VLCC排隊通過時，在滿足通航規(guī)定時就只能對靠泊時間退而求其次，或者增加淌航時間。然而在兩港核心港區(qū)密集的交通流下，如有2條甚至以上VLCC在航道中慢速淌航，迫使附近交通流速度過于離散，會對周圍交通流產(chǎn)生極大影響，不利于交通的組織和航行安全。并且如因排隊過槽而錯過最佳靠泊時機(jī)，在寧波舟山港航道潮流復(fù)雜多變的環(huán)境下，滿載VLCC靠泊也存在重大安全隱患。此外，拓寬航道寬度增加通航能力需進(jìn)行航道開挖和維護(hù)，面臨巨大資金需求。單向通航條件下對過槽時間和間距進(jìn)行優(yōu)化，可以最大程度地保障日后多條VLCC在同一潮水過潮時的航行和靠泊安全。

（二）通航間距優(yōu)化

1.跟馳理論模型

跟馳理論，是指車輛在無法超車的單一車道上列隊行駛時，利用動力學(xué)方法研究后車跟隨前車的行駛狀態(tài)，并以數(shù)學(xué)模型表達(dá)跟馳過程中發(fā)生的各種狀態(tài)的理論。跟馳理論是分析和研究非自由運(yùn)行狀態(tài)車隊行駛特性的微觀模型，有制約性、延遲性（反應(yīng)時間）、傳遞性。其最大特點是制約性，即在一隊汽車中，跟隨前車運(yùn)行的后車駕駛員總不愿意落后很多，而且緊隨前車車速，跟馳前進(jìn)，但從安全角度出發(fā)，跟馳車輛要滿足兩個條件：一是后車的車速不能長時間大于前車車速，只能在前車車速附近擺動，否則會發(fā)生碰撞，這是車速條件；二是前后車之間必須保持一個安全距離，即在前車剎車后，兩車間有足夠的距離，從而有足夠的時間供后車駕駛員作出反應(yīng)，采取制動措施，這是間距條件，顯然車速高時，制動距離大，安全距離也加大。緊隨條件加上車速條件和間距條件就構(gòu)成了一隊汽車跟馳行駛的制約性，即前車車速制約著后車車速和兩車之間的距離。

該理論非常適合蝦峙門深水航槽通航模式[3][4]，即單向通航編隊中后船船速和間距受編隊前船速度和制動距離影響，如圖1所示。

圖1 交通流跟馳示意圖

圖1 中：B1和A1為前后船的初始位置；A2為后船開始采取制動位置；B2和A3為前后船完成制動的位置。由圖中關(guān)系可知：

其中：S1為前船制動后與后船初始位置距離，米；Sb1為前船制動距離，米；S0為前船制動前兩船凈距離，米。

其中：S2為后船制動后移動距離，米；St=VT，即后船在反應(yīng)時間T（秒）以速度V（米/秒）航行的距離，米；Sb2為后船的制動距離，米。

2.跟馳間距模型計算

跟馳理論模型中，兩船先后完成制動時，兩船的距離應(yīng)大于安全余量Sm，即S1-S2≥Sm，整理以上各式得：S0≥Sb2+St+Sm-Sb1。計算Sb值時，在實際操作中既要滿足寧波舟山兩港10座超大型泊位同一潮水時段的過槽需求，即編隊船舶間距和速度要盡可能符合一天中同一潮水所要求的交通量，顯然間距過大速度過慢不符合現(xiàn)實意義；也要保證在航槽可航水域?qū)挾仁芟迺r的航行安全，在緊急狀況下能把船停住不至于碰撞或擱淺，即速度過快或間距過小也不可。在航槽中，為防發(fā)生險情，后船在選擇跟隨速度和間距時要考慮在必要時能緊急制動停船。由于滿載VLCC操縱和航槽的雙重特性，緊急時要保證它在航槽中的安全，既要保證編隊的前后間距，也要在緊急制動前有足夠的舵效維持它在航槽中的船位。在跟馳理論計算前后船的制動距離時，本文研究的對象是既要從引航操作實際出發(fā)，即在緊急情況下有安全間距停車淌航，在速度下降后再倒車停船，也要考慮兩港現(xiàn)實需求，即安全間距應(yīng)科學(xué)合理。以6節(jié)速度為倒車制動前速度進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，既能保證倒車前在順流時有足夠好的舵效，又能較快地把船停住，拖輪或拖錨制動都能發(fā)揮較好的作用。停車淌航再制動停船模式的停車沖程可由下式計算：

其中：S為沖程，米；V0為初速度，節(jié)；V1為倒車時速度，節(jié)；R0為初速度時船舶受到的阻力[5]，千牛。

其中：A（浸濕面積）=L（1.8T+CBB），T為吃水；AM（舯剖面面積）=0.993BT；ξ為剩余阻力系數(shù)，m取值1.0。

倒車沖程[4]可由經(jīng)驗公式估算：

其中：Sc為倒車沖程，米；Kx為船舶前進(jìn)方向虛質(zhì)量系數(shù)，VLCC值為1.07；Tp為螺旋槳倒車?yán)?，噸，估算值為Tp=0.01Np（Np為倒車功率）。

由估算公式可知，在船速6節(jié)到12節(jié)時，本文分析對象的全速倒車沖程在820.4米（2.5倍船長）至3 281.9米（10倍船長）之間，其阻力、停車和倒車沖程如表3所示。

3.深水航槽跟馳間距計算模型

倒車停船是一個極其復(fù)雜的過程，比較參考文獻(xiàn)[5]及文獻(xiàn)[6]中的公式計算和實船測試結(jié)果，結(jié)合參考文獻(xiàn)[7]中必要時拖錨和護(hù)航拖輪制動效果的影響，速度12節(jié)以內(nèi)該實際值應(yīng)在10倍船長以內(nèi)，即1.78海里。St的確認(rèn)取決于后船反應(yīng)時間T，實際操作中，交通流密度越大則敏感度越高。由圖1可知，考慮到后船在雷達(dá)量取距離時以駕駛臺為基準(zhǔn)，為留有必要的安全保障，兩船制動后的安全余量Sm取值為后船1倍船長。

表3 “NEW PROSPERITY”不同速度下的阻力及停車、倒車沖程

在計算S0時，假定后船A1速度為12節(jié)，停車淌航再制動的間距則只需計算停車和倒車（速度6節(jié)）沖程和安全余量，前船擱淺時反應(yīng)時間T以0計算（立即停車）。依次分析以下幾種模型情況：

（1）前船擱淺突發(fā)式停船（Sb1=0），S0=Sb2+St+Sm，St=0（T為0分鐘），則S0=8 270米。

（2）后船速度大于前船速度或后船制動距離大于前船，則在兩船間距縮小至8 270米之前后船要減速至等于小于或前船速度，跟隨但不可追越，制動距離隨之下降。

（3）后船制動距離小于前船，只需考慮后船反應(yīng)時間和安全余量即可，則S0=St+Sm=1 070米（T取值2分鐘）。

以上制動模型在最緊急情況下（Sb1=0）不同速度時的安全間距如表4所示。

表4 不同速度的安全間距

（三）跟馳模型在蝦峙門深水航槽應(yīng)用總結(jié)

實際引航中過槽速度一般在8～12節(jié)，VLCC編隊通航最大的潛在危險就是擱淺，前船擱淺時以極端情況為例（Sb1=0），則航槽內(nèi)船舶速度為12節(jié)時在該制動模式下的安全間距應(yīng)為8 270米（4.5海里），速度10節(jié)時為6 325.5米（3.4海里）。在理論計算中，由于忽略了流體阻力和倒車船首偏轉(zhuǎn)造成的斜航阻力，實際沖程應(yīng)比計算值小，但在緊急制動時需考慮船首偏移量，要提前抑制。

對比航槽現(xiàn)有通航模式，編隊船舶按固定時距45分鐘（速度10～12節(jié)則間距7.5～9海里）通過，雖然對前后船舶通航安全有足夠保障，但在編隊整體通航和靠泊時間要求方面有較大的弊端，不利于其他船舶的安全航行。建議在符合上述富余水深要求時，使固定間距更具科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。實際引航中，為了留有足夠的富余水深和保證良好的操縱性，航槽淺灘段滿載VLCC的航行速度一般在10節(jié)左右，因此間距在4海里更符合整體安全和效率的要求，避免港區(qū)內(nèi)他船速度過于離散及爭取靠泊時機(jī)而產(chǎn)生更大風(fēng)險和壓力。深水航槽交通流量如圖2所示，按本文分析結(jié)果，在潮高1.9米時，以速度8～10節(jié)航行，在潮高2.6米以上時，現(xiàn)有的固定時距通航模式下航槽VLCC交通2艘次。本文通航速度10～12節(jié)、固定間距4海里的模式，可大幅提高通航艘次，1小時內(nèi)交通量可達(dá)4艘次，極大地提升航槽水域資源利用率，降低追趕靠泊時機(jī)的風(fēng)險。海事管理機(jī)構(gòu)在實際航行監(jiān)管中，可參考以下幾個關(guān)鍵點：A點（航槽起點）為第四艘船進(jìn)入點；B點為第一個4海里點，即編隊中第三艘船船位；第二艘應(yīng)在C點處（距淺灘出口約1海里）；第一艘船則已在航槽出口D點。第三艘船即將進(jìn)入淺灘段時，第二艘船即將出淺灘，在航槽淺灘段時一般速度為10節(jié)左右，間距控制在4海里則有足夠的時間和距離采取應(yīng)急處置措施，航槽淺灘段之外速度可適量增減以適應(yīng)航行計劃，該處可航寬度也更寬，有更多應(yīng)急空間。

（四）靠泊時機(jī)下的通航編隊順序

根據(jù)航槽通航水深及泊位靠泊時機(jī)的特點，兩港10座30萬噸級泊位最優(yōu)的靠泊時間都是初落時機(jī)，即船舶在蝦峙門漲水時段過槽，該時段交通流量需求最大。參考表1中靠泊時機(jī)和潮汐要求，建議兩港VLCC編隊進(jìn)槽先后順序為：①算山2號和1號泊位；②外釣；③冊子；④大榭中油；⑤大榭實華3號和1號泊位；⑥岙山1號和5號泊位；⑦武港。

四、結(jié)語

圖2 航槽交通流量示意圖

本文總體考慮了通航水深、富余水深、編隊通航安全間距及靠泊時間的整體安全要求，建議海事部門在符合可通航水深要求時根據(jù)過槽編隊船舶的數(shù)量整體安排過槽時間，既滿足安全又提高航槽利用率，提升港口經(jīng)濟(jì)效益，更快更好地服務(wù)港口經(jīng)濟(jì)。