單回旋水域可支撐的泊位數(shù)量研究

陳哲淮

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

近年來，越來越多的新建港口工程依托防波堤等防護建筑物進行掩護，通常采用單環(huán)抱或雙環(huán)抱的平面布置形式。為了減少工程費用，節(jié)省寶貴的海洋資源，該類項目常常僅設置單個回旋水域?，F(xiàn)行港口工程規(guī)范[1]和文獻[2-6]均未提及單個回旋水域可支撐的泊位數(shù)量，僅從節(jié)約岸線的角度出發(fā)，大量布置泊位，可能導致項目建成后回旋水域緊張。本文結合越南永興電廠碼頭工程的平面方案，采用邏輯推理的方法，并借助排隊論進行分析，研究單個回旋水域可支撐的泊位數(shù)量，具有一定的實用價值。

1 工程概況

某港口工程建設規(guī)模為港口吞吐量4 000萬t/a，擬建設8個5萬～10萬噸級泊位。

港口工程港址處岸線基本為東西走向，-10 m水深線距離天然岸線僅1 km，-5 m水深線距離天然岸線約300 m。根據(jù)現(xiàn)場收集到的實測波浪資料及其統(tǒng)計結果并結合波浪數(shù)學模型試驗研究結論，港址處海域波向主要集中在NE和SW兩個方向，強浪向為SW向和ESE向，外海SW向重現(xiàn)期50 a的H1%波高約5.0 m，ESE向重現(xiàn)期50 a的H1%波高約6.6 m，波玫瑰圖見圖1。

圖1 波玫瑰圖Fig.1 Wave rose diagram

根據(jù)工程處建設條件和項目建設規(guī)模，碼頭平面布置方案為：建設東西2條防波堤，呈雙環(huán)抱形式，防波堤堤頭位于波浪破碎水深以外，且堤頭與順岸式碼頭距離超過5倍船長。2條防波堤之間留出足夠距離，可順岸布置2個5萬噸級生產性泊位，2條防波堤內側可布置4～6個5萬噸級碼頭，本工程碼頭的布置形式類似大型挖入式港池。

通過分析鹿特丹港、馬賽港福斯港區(qū)、安特衛(wèi)普港、香港葵涌港區(qū)、臺北港、廣州南沙港區(qū)等國內外大型挖入式港池船舶回旋水域的布置，主要有兩種形式：一種是回旋水域直接布置在停泊水域的前方，該類型港池寬度比較大，例如馬賽港福斯港區(qū)，優(yōu)點是船舶調頭比較方便，可以提高船舶的進出效率；另一種是回旋水域集中布置，該類型港池寬度比較小，船舶由拖輪輔助靠離泊，例如鹿特丹港的內港池，缺點是船舶密度大時需要候船等待調頭。為了節(jié)省工程投資，減少疏浚工程費用，本工程布置1個回旋水域，碼頭平面布置見圖2。

圖2 碼頭平面布置示意圖Fig.2 Layout plan of the wharf

2 回旋水域可支撐泊位數(shù)量

參考國內外類似大型碼頭的布置形式，本工程集中布置1個回旋水域供港內碼頭共用，平面布置的關鍵在于單個回旋水域能否支撐8個泊位的靠離泊使用要求。

為了研究這個問題，筆者查詢規(guī)范、規(guī)劃、文獻等資料，發(fā)現(xiàn)類似布置方案港內一般布置8個泊位，更有甚者，布置了12個泊位共用1個回旋水域，但并未搜到單個回旋水域可支撐的泊位數(shù)量的研究內容。本文研究思路為：根據(jù)港口計劃吞吐量和碼頭規(guī)模，分析船舶流量；根據(jù)規(guī)范對泊位利用率的建議值，提出回旋水域利用率的概念；根據(jù)船舶流量，計算回旋水域利用率，分析單個回旋水域是否滿足本工程需要；采用回旋水域利用率的極值，計算單個回旋水域可支撐的泊位數(shù)量。

1）船舶流量測算

港口吞吐量4 000萬t/a，5萬噸級船舶平均載貨量取3.5萬t，碼頭年作業(yè)天數(shù)取320 d，則年到港船舶艘次為：

考慮到港時間不平衡性，船舶進出不平衡系數(shù)取1.3，則船舶到港高峰數(shù)量為N日=4.7艘/d。

2）回旋水域利用率

JTS 165—2013《海港總體設計規(guī)范》[1]規(guī)定，泊位利用率為一年中船舶實際占用泊位的天數(shù)與年日歷天數(shù)之比。合理的泊位利用率建立在平衡港、航、貨三方利益的基礎之上，泊位利用率越高，船舶待泊的可能性就會越大，會增加航運公司及貨主的成本；泊位利用率過低，會導致碼頭泊位過度空閑，資源得不到有效利用，會嚴重影響港方的經濟效益。規(guī)范規(guī)定泊位利用率一般取60%，通常不超過70%?？紤]到船舶利用回旋水域調頭和船舶占用泊位的性質類似，因此，本文提出回旋水域利用率這一概念，并按照船舶占用回旋水域靠離泊位的特點，提出計算公式?；匦蚶寐手复斑M出港占用回旋水域的小時數(shù)與24 h之比，可按下式計算：

式中：數(shù)字2表示船舶進出港占用2次回旋水域；N日為船舶到港高峰數(shù)量；Tb為每艘次船舶占用回旋水域的平均時間；0.5表示船舶占用回旋水域的安全間隔時間為0.5 h。本工程船舶通過進港航道重載進港，在回旋水域調頭，然后去往相應的泊位靠泊并進行卸船作業(yè)，卸船完成后，船舶再依次通過回旋水域和航道出港，船舶進出港流程如圖3所示。

圖3 船舶進出港流程圖Fig.3 Flow chart of ships entering and leaving the port

根據(jù)規(guī)范，本工程5萬噸級船舶進港重載調頭占用回旋水域時間約1.5 h，離泊占用回旋水域時間約0.5 h，每艘次占用回旋水域的平均時間約1 h，經計算，本工程回旋水域利用率約55%。

根據(jù)泊位設計任務量，采用規(guī)范公式反算泊位利用率如下：

根據(jù)《海港總體設計規(guī)范》[1]，船舶平均載貨量取3.5萬t，船舶靠泊時間取1.5 h，離泊時間取0.5 h，開工準備、結束等其他輔助時間取2 h，根據(jù)本工程工藝配置，裝卸1艘設計船型所需時間取32 h，經測算，本工程泊位利用率約62%。

對比分析本工程回旋水域利用率和泊位利用率，可以得出結論：單個回旋水域可支撐本工程碼頭吞吐量及相應工藝配置的泊位數(shù)量8個，且回旋水域還有一定的潛力。

采用上述回旋水域利用率計算公式，按規(guī)范提出的泊位利用率參考值上限75%，以本工程泊位參數(shù)，反算回旋水域可支撐的泊位數(shù)量為10個，即本工程碼頭規(guī)模的情況下，單個回旋水域可支撐的最大泊位數(shù)量為10個。

3 排隊論驗證

為進一步論證單個回旋水域可支撐的泊位數(shù)量，本文采用排隊論[7]進行分析如下。

排隊論（Queuing Theory）是研究服務系統(tǒng)中排隊現(xiàn)象隨機規(guī)律的學科，是數(shù)學運籌學的分支學科，研究內容有3個方面：1）系統(tǒng)的性態(tài)，即與排隊有關的數(shù)量指標的概率規(guī)律性；2）系統(tǒng)的優(yōu)化問題；3）統(tǒng)計推斷，根據(jù)資料合理建立模型。研究目的是正確設計和有效運行各個服務系統(tǒng)，使之發(fā)揮最佳效益。根據(jù)本工程進出港流程（見圖3），為便于分析，將船舶進出港使用回旋水域的時間分攤至泊位。

排隊論分析常見的排隊類型有單隊單臺、單隊多臺、多隊多臺、單隊多臺（串）等，簡化后的船舶進出港符合單隊多臺排隊類型。

排隊論排隊規(guī)則是指顧客到達系統(tǒng)后排隊等候服務的方式和規(guī)則，可分為3種類型。

1）損失制（消失型）：指顧客到達時若所有服務實施均被占用，則顧客自動離去。

2）等待制（等待型）：指顧客到達時若所有服務實施均被占用，則留下來等待，直至被服務完離去。等待制的排隊規(guī)則又可按顧客被服務的次序分為先到先服務（FCFS）、后到先服務（LCFS）、隨機服務（SS）、具有優(yōu)先權的服務（PS）。

3）混合制（損失制和等待制的混合）：既允許排隊又不允許隊列無限長，主要分為系統(tǒng)容量有限制、等待時間有限制。

本工程船舶進出港使用回旋水域采用先到先服務的等待制。

根據(jù)《港口規(guī)劃與布置》[8]，船舶隨機到港，船舶作業(yè)占用泊位的模式也具有隨機性，大量統(tǒng)計資料表明，船舶隨機到港的規(guī)律符合泊松分布，船舶靠泊作業(yè)占用泊位時間符合負指數(shù)分布，本工程可采用排隊論中的M/M/S模型進行模擬，有n艘船在港的概率Pn采用如下公式計算：

按上述船舶進出港簡化流程圖，將每艘次船舶占用回旋水域的時間分攤到泊位上，也就是計算平均每艘船舶的裝卸時間時，增加船舶占用回旋水域的時間。λ取前述的3.6艘/a，按前述本工程設備配置方案，經計算μ為0.714，ρ為63%，與規(guī)范公式計算值大致相同。經計算，船舶在港概率見表1。

表1 船舶在港概率表Table 1 Probability table of ships in port

當保證率取90%時，根據(jù)排隊論計算結果，本工程布置8個泊位可滿足規(guī)劃泊位等級下的吞吐量。

4 結語

1）按本文提出的回旋水域利用率概念及計算公式，在本文選定的碼頭規(guī)模和設備配置的基礎上，單個回旋水域的利用率為55%時，回旋水域可供8個泊位使用。

2）在本文選定的碼頭規(guī)模和設備配置的基礎上，參考規(guī)范對泊位利用率建議值的極值情況，在回旋水域的利用率取75%時，回旋水域可供10個泊位使用。

3）通過簡化模型和理論化參數(shù)取值，本文采用排隊論分析本工程碼頭建設規(guī)模，分析結果可以一定程度驗證單個回旋水域可支撐的泊位數(shù)量。