影響內(nèi)河航道通航條件的若干因素及管理手段

孫向舉，何建新，何廣全

（1.徐州市港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 徐州 221000；2.江蘇科興項(xiàng)目管理有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

內(nèi)河航道作為貿(mào)易、運(yùn)輸?shù)戎匾顒?dòng)的基礎(chǔ)設(shè)施，其通暢性直接影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。在航道管理運(yùn)營中，水深、水流、氣候變化等因素會(huì)對(duì)航道通行產(chǎn)生影響，深入了解這些影響因素，并采取針對(duì)性措施，能夠更好地保障內(nèi)河航道的安全通航，推動(dòng)內(nèi)河交通的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)影響內(nèi)河航道通航條件的相關(guān)因素進(jìn)行研究，探討如何科學(xué)高效地進(jìn)行航道管理具有重要意義。

1 內(nèi)河航道概述

內(nèi)河航道是陸地內(nèi)部的水道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠連接各個(gè)地區(qū)的水上交通，實(shí)現(xiàn)貨物輸送以及地區(qū)之間的交通通行，對(duì)于內(nèi)陸貿(mào)易、旅游及文化交流等活動(dòng)具有重要作用?！秲?nèi)河航道通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2014）等相關(guān)規(guī)范對(duì)內(nèi)河航道的類型作出了明確劃分，將內(nèi)河航道分為渠化內(nèi)河航道、限制性內(nèi)河航道及天然內(nèi)河航道。同時(shí)，根據(jù)各類航道的通航能力、水深、規(guī)模及交通重要性等因素，將之劃分為不同的通航等級(jí)。例如，規(guī)定三級(jí)內(nèi)河航道的最低標(biāo)準(zhǔn)水深為3.2m、底寬要求45m。在內(nèi)河航道通航條件的定義方面，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將之劃分為通航水流條件、通航氣象條件、通航尺度、河床邊界條件等。內(nèi)河航道通航條件是船舶在通航期正常航行的關(guān)鍵要素，因此船舶航行前必須確保內(nèi)河航道通航條件達(dá)到完備狀態(tài)，消除影響航道通航的因素，保證船舶順利通航[1]。

2 內(nèi)河航道通航條件及影響因素

2.1 通航尺度條件及影響因素

在內(nèi)河航道通航中，通航尺度主要為航道整體尺度、航道斷面信息及通航尺度等，作為保障船舶正常通航的重要條件，通航尺度會(huì)對(duì)船舶作出一定的限制，因此為保證安全通航，需要嚴(yán)格控制船舶載重及規(guī)格。

航道尺度對(duì)內(nèi)河航道通航的影響主要如下：

第一，按照內(nèi)河航道通航標(biāo)準(zhǔn)要求，不同等級(jí)的航道在使用過程中，會(huì)限制不同規(guī)格的船舶通行，主要原因是航道水深與船舶的最大承載極限值成正比關(guān)系，如果船舶承載量過大，則無法在水深較低的航道內(nèi)正常航行。航道水深“H”為航道水面至底部的直線距離，按照通航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，航道水深通常需要對(duì)應(yīng)相應(yīng)的“設(shè)計(jì)船型吃水標(biāo)準(zhǔn)”，通航船舶的實(shí)際吃水量超過吃水標(biāo)準(zhǔn)值，則表示該船舶在航道內(nèi)通航時(shí)具有一定風(fēng)險(xiǎn)（見圖1）。

圖1 航道水深圖示

第二，航道寬度表示通航的航道中心線至航道兩岸的水平距離，在航道通航過程中，如果船舶的通航寬度大于航道寬度，或者略微小于航道寬度無法留有富余寬度，則會(huì)導(dǎo)致船舶無法在航道內(nèi)正常通航。

第三，在彎曲河道內(nèi)，航道彎曲半徑是通航尺度條件之一，航道彎曲半徑較小會(huì)影響船舶的轉(zhuǎn)向與控制，航道彎曲半徑低于所規(guī)定的最小限值，則表示船舶不具備完善的通航尺度條件，此時(shí)船舶無法在航道內(nèi)正常通行[2]。

2.2 通航水流條件及影響因素

在內(nèi)河航道通航過程中，通航水流條件通常包括河流的水面比降系數(shù)、河流水流速度、河流流向及流態(tài)等。如果航行過程中不具備適宜的通航水流條件，則會(huì)導(dǎo)致船舶航行中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向難以控制、船舶脫離航道等情況，會(huì)給航道通航安全造成一定威脅。影響通航水流條件的因素包括以下幾個(gè)方面：

第一，航道布局與走向會(huì)影響局部水流的實(shí)際流向，在局部水流的相互作用下，航道內(nèi)容易出現(xiàn)復(fù)雜的水流形態(tài)，約束船舶的正常通行。例如，在局部水流的變化下，如果航道中出現(xiàn)橫向水流，其產(chǎn)生的作用力會(huì)使船舶脫離正常航道，甚至引發(fā)通航事故。

第二，航道落差及地勢(shì)地形等是影響通航水流比降條件的重要因素，如果局部航道流段的落差超過600mm，船舶途經(jīng)落差段時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的船體顛簸，小型船舶甚至?xí)霈F(xiàn)側(cè)翻等事故。

2.3 通航氣象條件及影響因素

通航氣象條件會(huì)對(duì)內(nèi)河航道通航產(chǎn)生間接影響。在船舶航行期間，特殊的氣象條件可能引發(fā)河道水流條件產(chǎn)生變化，在一定程度上使船舶航行受到影響。以潛江市至仙桃市段的航道為例，由于該地區(qū)具有顯著的亞熱帶季風(fēng)氣候特點(diǎn)，沿航道地區(qū)的年降水量在800～1400mm 之間，當(dāng)?shù)氐钠骄邓枯^大，顯著提升航道上游來水量，導(dǎo)致水位上升，使航道的水態(tài)更加復(fù)雜。因此，當(dāng)?shù)睾降劳ê叫枰拗拼暗膶?shí)際規(guī)格，以最大程度上保障通航安全。

2.4 河床邊界條件及影響因素

從航道通航的環(huán)境需求來看，航道周圍的自然環(huán)境及邊界條件會(huì)在一定程度上影響船舶航行。其中最具代表性的是航道河床邊界條件對(duì)航行帶來的影響，典型的表現(xiàn)為：部分航道中的河床因水流侵蝕而出現(xiàn)較厚的堆積層，堆積層在河床底部呈波浪狀分布形態(tài)，航道水流因堆積層的切削而出現(xiàn)相互作用，導(dǎo)致航道水流流態(tài)相對(duì)復(fù)雜、水深分布極不均勻[3]。

影響河床邊界條件的主要因素包括河床地質(zhì)、航道上游水砂條件等，在這些因素的影響下，航道的河床邊界條件可能不適合航道通航。例如，鶴壁市衛(wèi)河航道的河床以石質(zhì)河床為主，這類河床由基巖及粗砂粒構(gòu)成，雖不存在明顯的變形情況，但隨著水流的長(zhǎng)期侵蝕與下切，部分航道河段會(huì)出現(xiàn)變形情況，影響船舶的正常通行。

2.5 航道布局條件與影響因素

航道布局條件指的是航道周邊的建筑物、工程設(shè)施等與航道本身的協(xié)調(diào)性。航道布局不合理，會(huì)導(dǎo)致船舶通航過程中出現(xiàn)通行受阻、通航保證率降低等情況。從航道布局條件的實(shí)際屬性來看，內(nèi)河航道通航中需要保證的航道布局條件包括通航凈空尺度、水域過河建筑物、通航保證率等。以通航凈空尺度（見圖2）為例，為保證船舶安全航行，通航過程中必須確保船舶上下具有符合通航標(biāo)準(zhǔn)的凈空尺度“S”，即安全航行下的預(yù)留空間。完善該通航條件，能避免船舶航行過程中與其他建筑物或設(shè)施產(chǎn)生碰撞，順利通過復(fù)雜區(qū)域的河段航道。

圖2 船舶通航下的凈空尺度要求

影響航道布局條件的因素如下：跨航道或航道周邊建筑設(shè)施位置設(shè)置不合理，導(dǎo)致航道航線與建筑設(shè)施布局存在碰撞沖突。例如，航道水下電纜、管道等設(shè)施布局深度低于規(guī)劃航道標(biāo)高（1～5 級(jí)航道低于標(biāo)高2～3m，6 至7 級(jí)航道低于標(biāo)高1～2m），導(dǎo)致船舶通航過程中可能出現(xiàn)船體碰撞水下設(shè)施的情況，影響通航安全。

3 內(nèi)河航道通航條件管理技術(shù)

3.1 應(yīng)用水文測(cè)量及預(yù)測(cè)技術(shù)保障通航水流條件

水文測(cè)量及預(yù)測(cè)技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)航道的水文特性，且能預(yù)測(cè)未來航道中水文條件的變化概率，相關(guān)部門可借助該技術(shù)監(jiān)測(cè)并觀察航道的水流條件，保障船舶在航道內(nèi)的正常通航。具體做法如下：

第一，采用GIS 軟件、ENVI 遙感技術(shù)等對(duì)航道內(nèi)的水流條件進(jìn)行空間分析，再利用相關(guān)軟件中的水文數(shù)據(jù)可視化功能實(shí)現(xiàn)對(duì)通航水流條件的保護(hù)與管理。某部門采用GIS 技術(shù)，對(duì)河流航道的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通航水流條件監(jiān)測(cè)，分別獲取各節(jié)點(diǎn)的水位、流速及水流比降等數(shù)據(jù)信息（見表1），在確保各節(jié)點(diǎn)水流數(shù)據(jù)無異常的情況下，準(zhǔn)許船舶在航道內(nèi)通航。

表1 GIS 技術(shù)下的航道節(jié)點(diǎn)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

第二，在管理方法上，相關(guān)部門應(yīng)以獲得的水文測(cè)量及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定》（交通運(yùn)輸部令2014 年第23 號(hào)）等管理規(guī)范為準(zhǔn)則，如果某時(shí)間段內(nèi)顯示的水文數(shù)據(jù)超出或低于航道通航標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)限制船舶在該航道內(nèi)通行。

3.2 應(yīng)用航道清淤技術(shù)保障河道邊界條件

為有效改善內(nèi)河航道的水流情況，提高航道通航的安全系數(shù)，相關(guān)部門應(yīng)采用航道清淤技術(shù)，清理航道河床及邊界的環(huán)境，完善河道邊界條件，提高船舶通航效率。以淮上區(qū)航道河段的航道清淤技術(shù)及管理方法為例：以數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)為核心，對(duì)航道內(nèi)會(huì)影響船舶通航的淤積層進(jìn)行精準(zhǔn)定位，其中采用GNSS 導(dǎo)航定位技術(shù)獲取航道河床的局部剖面模型數(shù)據(jù)，及時(shí)定位出淤積厚度≥40mm、淤積面積≥10.68m2的河床淤積層位置，之后采用裝載機(jī)等工程機(jī)械進(jìn)行航道底泥清除。在管理方法上，相關(guān)部門分析航道河床清淤工作的歷史數(shù)據(jù)，得出將河床清淤工作控制在常規(guī)條件下2 次/月、雨季下3 次/月的頻率，大幅度降低河床淤積對(duì)船舶通航造成的影響，有效改善了該地區(qū)內(nèi)河航道通航的河床邊界條件。

3.3 應(yīng)用智能船舶技術(shù)保障航道布局條件

在當(dāng)前的智能船舶技術(shù)中，一些技術(shù)單元能夠做到智能化導(dǎo)航、智能化避碰，對(duì)保障船舶通航安全有重要作用[4]。因此，當(dāng)前內(nèi)河航道通航管理應(yīng)采用智能船舶技術(shù)，優(yōu)化航道布局條件，確保船舶順利通航。當(dāng)前，可利用的智能船舶技術(shù)包括LIDAR 掃描技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)等，借助這些技術(shù)，能使船舶在航行過程中精準(zhǔn)避開水上與水下的建筑及設(shè)施，在預(yù)定的航道中安全通行。典型做法如下：在船體周圍安裝激光掃描設(shè)備，借助LIDAR 技術(shù)對(duì)周圍的航道環(huán)境進(jìn)行3D 模擬，船體控制系統(tǒng)能夠根據(jù)3D 環(huán)境模型信息依靠自主導(dǎo)航算法，自動(dòng)規(guī)劃航行路徑，實(shí)現(xiàn)船舶主導(dǎo)航的全過程自動(dòng)化。

3.4 應(yīng)用水文模型與仿真技術(shù)用于保障通航尺度條件

在內(nèi)河航道通航管理工作中，相關(guān)部門可采用水文模型與仿真技術(shù)對(duì)通航尺度信息進(jìn)行模擬及檢測(cè)，進(jìn)而優(yōu)化航道路線設(shè)計(jì)與決策，提高船舶通航安全性與效率。以某部門的管理方法為例，航道站臺(tái)采用HEC-RAS 一維模型、二維模型技術(shù)，將目標(biāo)航道的河段水流信息、水位信息等通過數(shù)學(xué)方程的方式提供給航道內(nèi)船舶，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮與船舶調(diào)度。該部門在采用CFD 仿真模擬流體技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)航道各節(jié)點(diǎn)的航道斷面系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示，將斷面系數(shù)高于內(nèi)河航道通航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的節(jié)點(diǎn)視為高危通航路段，避免船舶進(jìn)入危險(xiǎn)通航路段，有效保障了船舶通航的安全性。

式（1）中：Q 表示航道水流流量；n 表示水流阻力的摩阻系數(shù)；A 表示橫截面面積；R 表示水力半徑；S 表示水流坡降。

3.5 應(yīng)用實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)保障通航氣象條件

在通航管理工作中，相關(guān)部門應(yīng)通過有效的管理手段，規(guī)避氣象問題對(duì)船舶正常通航造成的影響。這需要利用信息化技術(shù)打造通航監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取航道周邊地區(qū)的氣象信息，并將其應(yīng)用于管理與船舶航行指揮工作中。例如，結(jié)合WRF 氣象數(shù)值模型建立氣象監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感設(shè)備獲取實(shí)時(shí)的氣象信息，再由管理部門通過Matlab 等編程語言工具建立數(shù)據(jù)庫，并將獲得的氣象數(shù)據(jù)信息匯編為船舶航行決策意見，以防范降水、冰情影響通航。

4 結(jié)語

總的來說，肅清綜合因素對(duì)內(nèi)河航道通航條件造成的影響，可為航道通航提供有利條件，有利于保障內(nèi)河航道的通航效益及效率。因此，相關(guān)部門需要重視管理技術(shù)創(chuàng)新與管理工作落實(shí)等，針對(duì)影響內(nèi)河航道通航條件的因素，采取針對(duì)性的管理手段，保障內(nèi)河航道通航條件，促進(jìn)內(nèi)河航道通航條件的持續(xù)改善及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)水運(yùn)可持續(xù)發(fā)展。