基于船舶噸位變化的三峽船閘過貨能力分析

丁 濤，張乃宇

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

長江上航運(yùn)港口經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促使通過三峽船閘的貨物量急速增長。長江航務(wù)管理局統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2018年長江干線年貨物通過量達(dá)到了26.9億噸，同比增長了7.6%；集裝箱吞吐量完成1 750萬TEU，同比增長了6.1%；三峽大壩樞紐貨物通過量1.44億噸，同比增長了3.9%。自2003年6月三峽大壩蓄水通航以來，三峽船閘過貨量年均增長14.5%，僅2011年就超過了1億噸貨物的大關(guān)，2019年貨物通過量達(dá)到了1.46億噸[1]。然而，旺盛的貨運(yùn)需求與三峽船閘過貨能力不足的矛盾越來越凸顯。目前，三峽船閘的各項運(yùn)行參數(shù)，如：開(關(guān))閘門時間、單向船舶(隊)進(jìn)閘時間、閘室充水與泄水時間等都已經(jīng)達(dá)到或者超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)學(xué)者對三峽船閘的過貨能力進(jìn)行了大量研究。郭濤[2]利用結(jié)構(gòu)化與對比方法，對2010—2015年三峽船閘過貨能力進(jìn)行了預(yù)測；談建平[3]運(yùn)用一元回歸模型、彈性系數(shù)模型以及綜合預(yù)測模型預(yù)測了三峽船閘最大過貨能力；郭子堅等[4]通過建立系統(tǒng)仿真模型研究了不同船型標(biāo)準(zhǔn)化率對三峽船閘過貨能力的影響；馬奕[5]采用一元回歸模型、增長曲線模型、運(yùn)輸彈性系數(shù)模型以及組合預(yù)測模型預(yù)測了2010、2015、2020及2030年三峽船閘的過貨能力；郭濤[6]運(yùn)用結(jié)構(gòu)化與動態(tài)化方法預(yù)測了2011—2030年三峽船閘過貨能力；鈕新強(qiáng)等[7]、謝凱等[8]及張義軍[9]提出了一系列提升三峽船閘過貨能力的措施。

筆者通過測算三峽船閘的極限過貨能力，探討了三峽船閘過貨能力可提升的空間。首先，分析了三峽船閘過貨的影響因素，如船型、過閘船舶實載率、船閘運(yùn)營管理模式以及過閘船舶噸位限制等，找出存在問題；然后，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)對船型比例進(jìn)行預(yù)測，計算船舶到達(dá)數(shù)量以及過閘船舶容量；最后，運(yùn)用Anylogic軟件建立了三峽船閘過閘通航模型。研究表明，相比2019年1.46億噸的過貨量，三峽船閘還可以提高0.33億噸過貨量，極限過貨能力可達(dá)1.79億噸。

1 三峽船閘過貨能力現(xiàn)狀及存在問題

1.1 過貨能力現(xiàn)狀

1.1.1 過閘貨船船型

從2003—2010年，3 000噸級的船舶比例由0.5%上升到17.7%，說明船舶逐年趨向大型化[2]。三峽船閘按照一級航道標(biāo)準(zhǔn)建造，當(dāng)通過中、小型船舶時，需逐一分開進(jìn)出閘室，由此進(jìn)入的船舶數(shù)量較多，但耗費(fèi)的時間較長，船閘的日平均過閘次數(shù)較少，一次過閘平均載重噸位較低；當(dāng)通過大型船舶時，由于下游航道的水深限制，過閘時不能充分利用閘室的水深，所以船舶的實載噸位較低，裝載系數(shù)也較低。

1.1.2 過閘貨船實載率

根據(jù)談建平[3]的研究，如果船舶實載率能從70%提升到80%，將會大大提高船閘的過貨能力。在過閘船舶數(shù)相同的情況下，相同體積船舶實載率的提升會大幅度提高船閘過貨能力。因此，過閘貨船實載率影響著船閘過貨量。

1.1.3 船閘運(yùn)營管理模式

三峽船閘的過貨能力與船閘的運(yùn)營管理水平密不可分，良好的運(yùn)營管理模式會提高三峽船閘的船舶過貨能力。自從2003年三峽船閘通航以來，管理人員對船閘的運(yùn)營管理已經(jīng)逐漸熟練并且達(dá)到了較高的水平。

1.1.4 過閘船舶噸位限制門檻

為了提高船閘的利用率以及過貨能力，三峽船閘自通航以來就設(shè)置了船舶噸位的限制門檻，但這個限制門檻會影響船閘的利用率以及過貨能力。現(xiàn)階段，船舶大型化與標(biāo)準(zhǔn)化趨勢顯著，若能通過逐漸提高三峽船閘的船舶噸位限制門檻，限制一部分小型船舶通過，可總體上提高船閘的過貨能力。

1.2 存在問題

1.2.1 船閘方面

1)過閘船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)局限性

為了實現(xiàn)船舶高效通過船閘的目的，三峽船閘設(shè)置了過閘船舶吃水控制。由于船舶的大型化發(fā)展，過閘船舶吃水標(biāo)準(zhǔn)還沒有進(jìn)行季節(jié)性的放寬。過閘船舶吃水標(biāo)準(zhǔn)不能靈活掌握，導(dǎo)致難以推進(jìn)三峽過閘標(biāo)準(zhǔn)船型的推廣，船舶的實載率難以提升。

2)持續(xù)運(yùn)行檢修礙航

近些年來，由于長江航運(yùn)的繁榮發(fā)展，三峽船閘的運(yùn)行頻次不斷提高，所帶來的問題就是檢修時間增加，包括船閘全面檢修和換向檢修，這將占用船舶的通行時間，導(dǎo)致礙航現(xiàn)象時有發(fā)生。

3)泄洪礙航

在雨水多發(fā)季節(jié)，長江容易出現(xiàn)洪水，三峽大壩需要泄洪沖沙，從而導(dǎo)致船舶航行困難，到達(dá)船舶的分布狀況難以確定。

1.2.2 船舶方面

1)船舶大型化、標(biāo)準(zhǔn)化提升空間小

為了增加過閘船舶單閘次運(yùn)量，大型化船舶受到船方青睞。由于長江下游航道水深的限制、閘內(nèi)的水深控制，以及不同港口水陸域條件的不同，船舶的大型化已經(jīng)達(dá)到了瓶頸期。由于船閘的閘室面積有限(平面集泊尺度為266 m × 32.8 m)，為了有效利用閘室的面積與水深，過閘船舶必須合理搭配，船舶不可能無限制地大型化；同時，受到市場因素影響，船舶標(biāo)準(zhǔn)化難以全面推進(jìn)。

2)船舶實載率制約因素較多

限制船舶實載率的因素非常復(fù)雜。首先是船型，大船型船舶可以裝載更多的貨物，然而由于船閘的水深以及上下游航道的限制，大型船舶的實載率實際上并不高，而小型船舶的實載率雖較高，但總體來看，船閘的過貨能力也沒有得到較大提升；其次是船舶本身的配積載，合理的配積載可以進(jìn)一步提高船舶的實載率；最后是航運(yùn)企業(yè)的管理和市場因素的調(diào)節(jié)。上述因素以及其他天氣或者不可控因素都影響了船舶的實載率，對三峽船閘的過貨能力有一定的制約。

1.2.3 船閘運(yùn)行組織方面

1)翻壩與分流

翻壩與分流切實解決了三峽船閘過貨能力不足的部分問題，然而有些貨類運(yùn)輸，如：干散貨、集裝箱、危險品等大宗貨物的船舶卻很難在船閘檢修以及船舶嚴(yán)重堵塞時進(jìn)行翻壩運(yùn)輸，而且翻壩運(yùn)輸大件貨物的成本較高，時間上也難以把控；同時，大規(guī)模修建翻壩設(shè)施會對三峽大壩周圍的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。

2)通航管理

若要提高日運(yùn)行閘次數(shù)，提升船舶進(jìn)出閘的效率，加強(qiáng)船閘的操作技術(shù)是必不可少的。現(xiàn)階段船閘的操作技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高水平，但還是有一定的提升空間。

2 三峽船閘極限過貨能力測算

2.1 仿真模型建立

2.1.1 仿真模型簡介

分船型制作仿真模型，包括source、batch、queue、lock、conveyor、speed、sink共7大模塊，其中：source為各種船型船舶的到達(dá)量模塊，batch為過閘批量數(shù)模塊，queue為錨地模塊，lock為閘門模塊，conveyor為閘室模塊，speed為過閘速度設(shè)置模塊，sink為最后一個閘門。運(yùn)行后，通過sink的船舶數(shù)量也就是過閘船舶數(shù)量，如圖1。

圖1 船舶過閘仿真模型Fig. 1 Simulation model of ship passing through lock

2.1.2 模型參數(shù)設(shè)置

1)船舶到達(dá)數(shù)量設(shè)置

根據(jù)2010—2017年不同噸位船舶通過三峽船閘的船型比例ω0[10]，可回歸得到未來n年份時各船型通過三峽船閘的比例ωi的預(yù)測計算式，見表1。

表1 2010—2017年通過三峽船閘船型比例及未來通過三峽船閘船型比例預(yù)測計算式Table 1 Ship type proportion of ship passing through the Three Gorges ship lock from 2010 to 2017 and its prediction formula

選擇5個代表性船舶噸位i=2 000、3 000、4 000、5 000、7 500 t ，根據(jù)表1 的船型比例預(yù)測計算式，得到2022—2025年通過三峽船閘各噸位的船型比例ωi；再對其進(jìn)行歸一化處理，可得到歸一化后船型預(yù)測比例ω′i，見表2。

表2 2022—2025年通過三峽船閘歸一化處理前、后的船型預(yù)測比例ωi、ω′iTable 2 Prediction proportion of ship type before and after normalization treatment of the Three Gorges ship lock from 2022 to 2025

按式(1)計算通過三峽船閘平均每艘船舶噸位I(單位：噸/艘)：

(1)

式中：ω′i為i噸位船型預(yù)測比例，%；k為船舶實載率，取k=0.8。

因此，預(yù)測計算得到2022、2023、2024、2025年通過三峽船閘平均每艘船舶噸位分別為4 958.62、5 014.26、5 062.5、5 105.52噸/艘。

設(shè)置4個到達(dá)船舶總數(shù)Q=50 000、55 000、60 000、65 000艘，由表2的船型預(yù)測比例ω′i，按照式(2)求出2022—2025年平均每小時船舶到達(dá)三峽船閘的數(shù)量q(單位：艘/h)，計算結(jié)果見表3：

(2)

式中：r為船舶除去汛期年航行時間，r=345d× 24h/d=8 280h；其他符號同前。

表3 2022—2025年每小時到達(dá)三峽船閘的各噸位船舶量qTable 3 Number of ships of various tonnage arriving at the Three Gorges ship lock per hour from 2022 to 2025

2)過閘時間設(shè)置

船舶實際過閘時，開關(guān)閘門耗時4 min，船舶進(jìn)入耗時約20 min，船閘充水耗時12 min，通過每一級閘門耗時為40 min，船舶通過最后一級閘門耗時24 min，共為40 × 5 +24=224(min)。每個閘室長度為266 m，船舶通過三峽船閘速度約為266 × 5/224=5.94 (m/min)。

3)過閘船舶批量設(shè)置

船閘平面集泊尺度為266 m × 32.8 m，船舶尺度、一個閘室所能容納的各噸位船舶數(shù)Si和一次過閘載重g見表4。

表4 船舶參數(shù)及一次過閘載重Table 4 Ship parameters and load of ship passing through lock atone time

根據(jù)預(yù)測船型比例ω′i，由p=∑ω′i×Si計算得到考慮權(quán)重情況下2022、2023、2024、2025年一次過閘船舶數(shù)量，分別為4.87、4.84、4.81、4.78 艘，取整，最終得到每批過閘船舶數(shù)量p=4艘/批。

2.2 船閘過貨能力計算

取船閘每天運(yùn)營時間22 h，一年365天除去由于汛期或者船閘檢修停止運(yùn)營20天，實際船閘年運(yùn)營總時間T=(365-20)× 22 × 60=455 400(min)。按式(3)計算船閘年過貨能力D(單位：億噸)，計算結(jié)果見表5：

(3)

式中：t為Anylogic模型仿真船閘運(yùn)營時間，min；b為仿真運(yùn)營時間內(nèi)船閘模型通過的船舶批量，批；其他符號同前。

表5 三峽船閘過貨能力預(yù)測Table 5 Prediction of cargo handling capacity of the Three Gorgesship lock

從表5可以看出：在理想狀況下，2022—2025年，通過55 000艘船舶時，三峽船閘過貨量可達(dá)到最大值；2022年，到達(dá)船舶數(shù)量為55 000艘時，三峽船閘過貨量約1.79億噸；2022—2025年，三峽船閘年均過貨量超過1.50億噸。

3 改善措施

三峽船閘設(shè)計過貨能力為雙向1億噸，而在現(xiàn)有情況下，預(yù)測三峽船閘的年雙向最大過貨能力為1.79億噸。為了更好地發(fā)揮三峽船閘的作用，筆者提出以下改善措施：

1)推廣船型標(biāo)準(zhǔn)化。長125～130 m，寬16.2 m船型應(yīng)用于三峽船閘過閘，可以提高船閘水深利用率和閘室的面積利用率，提高每閘次通過量。

2)改善過閘船舶吃水標(biāo)準(zhǔn)限制。在不影響安全的前提下，可以季節(jié)性放寬船舶的吃水標(biāo)準(zhǔn)，從而提高船舶的裝載率。

3)提高船閘的閘室面積利用率。合理安排船舶的搭配過閘，充分利用船閘的閘室面積，盡可能增加每閘次過閘船舶數(shù)量。

4)提高船舶噸位限制門檻。適當(dāng)提高船舶噸位限制門檻，限制小型船舶過閘數(shù)量，增加大型船舶通過量，可提升三峽船閘的過貨量。

5)合理使用升船機(jī)。將小型船舶分配給升船機(jī)可以減少小型船舶通過三峽船閘的次數(shù)，將更多的時間分配給大型船舶，從而提高船閘的貨物通過能力。

4 結(jié) 語

為探究三峽船閘極限過貨能力，分析了貨物過閘影響因素及存在問題；利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)預(yù)測2022—2025年船型比例；計算了船舶到達(dá)量及過閘船舶容量；運(yùn)用Anylogic軟件建立了三峽船閘通航仿真模型，仿真計算得到三峽船閘的極限過貨能力為 1.79億噸；并對船型、過閘船舶吃水標(biāo)準(zhǔn)、閘室面積利用率、船舶噸位限制門檻、升船機(jī)使用等方面提出相應(yīng)改善措施。研究得出以下主要結(jié)論：

1)船舶大型化趨勢越發(fā)明顯，但由于船閘利用面積限制，船舶大型化已無法使三峽船閘過貨能力達(dá)到最大。

2)當(dāng)不同噸位船舶到達(dá)量超過55 000艘時，三峽大壩過貨能力將降低。

3)對船型、過閘船舶吃水標(biāo)準(zhǔn)、閘室面積利用率、船舶噸位限制門檻、升船機(jī)使用等方面采取有效措施能夠使三峽船閘過貨能力得以提升。