長沙樞紐船閘運行初期的通過能力研究

蔣明鋒，張 明，廖 鵬，馮小香，普曉剛

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發有限責任公司，長沙410200；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456；3.東南大學交通學院，南京210096）

長沙樞紐船閘運行初期的通過能力研究

蔣明鋒1，張 明2，廖 鵬3，馮小香2，普曉剛2

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發有限責任公司，長沙410200；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456；3.東南大學交通學院，南京210096）

長沙樞紐為湘江航運的咽喉，交通繁忙，船閘運行壓力大。通過分析湘江長沙樞紐河段通航環境，根據船閘調度方案，建立了船舶過閘交通仿真模型，模擬分析了在不同工況、不同調度方案組合情況下長沙樞紐雙線船閘近期的運行狀態及通過能力。

通過能力;船閘;交通仿真;長沙樞紐

近年來，隨著內河航運的發展，船閘堵船滯航現象日漸增多［1］，引起了社會各界的廣泛關注。長沙樞紐位于湘江航運的咽喉，交通繁忙，日過往船舶流量大，且由于船型復雜，多數為運砂船，船型龐大，一定程度上降低了船閘的實際通過能力，增大了船閘運行初期的交通壓力。為研究長沙樞紐船閘運行初期的通過能力，本文在對長沙樞紐河段交通流特性分析的基礎上，根據船閘調度方案，建立船舶過閘交通仿真模型，對近期現有船型情況下，船閘在不同調度方案、不同運行狀態下的通過能力進行了分析，并研究了現狀情況下長沙樞紐船閘的最大通過能力，為管理部門的決策提供參考依據。

1 長沙樞紐河段交通流特點

1.1 樞紐概況

長沙樞紐是湘江干流八級開發規劃中的最下游的梯級，壩址位于長沙市望城縣境內的蔡家洲河段，在長沙市城區下游約20 km，上距株洲航電樞紐135 km，下距城陵磯146 km。樞紐于2009年9月開工，2012年9月實現雙線船閘通航，2012年10月進行三期導流，計劃于2015年完工。

長沙樞紐是一座以改善航運和改善長株潭三市濱水環境為主，兼有供水、發電、城市交通和發展水上旅游等綜合效益的樞紐工程。樞紐同步建設了雙線2 000 t級船閘，閘室有效尺度280 m×34 m×4.5 m，設計船型為一頂2艘2 000 t級駁船隊，一頂4艘1 000 t級駁船隊，2個船閘設計年單向通過能力共計為4 900萬t。

長沙樞紐正常蓄水位為29.7 m，三期圍堰期間上游最低通航水位為24.0 m，滿足1000 t級船舶通航標準要求。根據相關設計文件，常水頭3.68m時，船閘充水時間為5.6min，船閘泄水時間為5.5min；最大水頭7.8 m時，船閘充水時間為7.25min，泄水時間為7.5min。正常運行時，閘門的開啟時間為4.5 min。

1.2 湘江貨運量特點

隨著湘江干流航道等級的提高與湖南省經濟的發展，湘江貨運量快速增長，2000～2008年，湘江水路貨運量由2 003萬t增長到10 205萬t，年均增長22.6%。目前，湘江水運運量呈現以下特點［2］：

（1）湘江主要以大宗干散貨為主體，砂石等礦建材料占有相當大的比重。2008年，湘江主要貨種是煤炭、礦建材料、砂石、散水泥、散化肥及化肥等大宗干散貨，運量8 726萬t，其中礦建材料7 569萬t，分別占貨運總量及大宗干散貨的比重的74.2%和86.7%。

（2）集裝箱運輸成為新的增長點。湖南省水運集裝箱始于1993年，2000年水運完成1.5萬TEU，其中湘江完成1.3萬TEU；2008年全省水運14.18萬TEU，湘江完成13.94萬TEU，年均增長32.1%。目前湖南省集裝箱航線以到上海的內支線為主，少數為通過武漢港中轉至上海的內支線。2012年，集裝箱船舶每日通過長沙樞紐斷面的時間較為固定，一般早出晚進各有一次，船舶數量一般為5～6艘。

（3）湘江貨運量主要集中在株洲樞紐下游河段，尤其是在長沙岳陽兩港。2008年，株洲下游湘潭、長沙、岳陽三市的貨運量為8 514萬t，占湘江貨運量的80%以上，其中長沙、岳陽兩市為7 699萬t，占湘江貨運量的75.4%。

1.3 湘江船型特點

2012年5 月，對長沙樞紐河段進行的調研表明［3］，湘江下游主流船舶主要為30～50 m和50～90 m，以1 000 t級船舶為主。根據2012年5月23日～26日的觀測結果，平均每日經過長沙樞紐斷面的船舶為178艘次，過往船舶中1 000 t級的占46.3%，1 000 t級以上的占14.7%。過往船型中以自卸式運砂船為主，占47.15%。根據Google earth衛星影像量測，運砂船長度一般分為50～56m、60～65m兩類，前方自卸式裝置為25～30 m。

需要指出的是，2012年5月由于長沙市進行湘江采砂的綜合整治，運砂船的過往數量比整治前有所減小，如2011年3月12日8∶30～17∶30，統計經過長沙樞紐壩址斷面的船舶數量達347艘，其中自卸式運砂船占到了70%。

2 過閘交通組織模型的構建

2.1 船閘通過能力影響因素分析

船閘通過能力的影響因素較多，在實際運行中，主要與船閘運行的時間、船舶到達規律、船閘排擋方案、運量不均衡系數及裝載系數等有關。

（1）船閘運行的時間。

根據三峽船閘的實際運行經驗［4-5］，在船閘運行初期，由于設備故障較多，且船長對于船閘需要一個逐漸適應的過程，在船閘運行的初期，船閘每日可服務時間相對較短，而一次過閘時間卻相對較長；之后，船閘每日可服務時間和一次過閘時間會逐漸達到甚至超過設計值。

為了研究不同過閘時間參數對長沙樞紐雙線船閘通過能力的影響，根據初步設計文件、有關技術支持報告及同類船閘運行的實際經驗，設計了兩種工況（表1）。工況1、工況2分別為運行初期開始及逐步運行一段時間后設計水平下船閘的運行情況。一次過閘平均時間計算時考慮一次過閘7條船舶，船閘單向運行與雙向運行次數的比例為1：4。

表1 一次過閘平均時間參數Tab.1 Average time parameter of ship lock operation

（2）船舶到達規律。

船舶到達規律包括船舶小時到達數量和船型分布兩個方面。船舶到達數量分布一般為隨機性事件，由于長沙樞紐船閘缺少相應資料，根據經驗假定到閘船舶數量服從泊松分布。由長沙樞紐船閘實際調研資料可知，泊松分布的期望λ=178；其船型分布情況，主要由調研資料確定，并適當考慮了運砂船較多的實際情況（表2）。

（3）船閘排擋方案。

表2 近期過閘船舶（代表船型）交通特性統計表Tab.2 Statistical table of traffic characteristics for passing ships in recent time

根據各貨類船舶運輸特點，并考慮湘江企業的實際需求，為研究不同船閘排擋方案下船閘的通過能力，設計了3組排擋仿真實驗方案。

方案一：①船舶過閘優先級按下列次序：危險品船＞公務船＞客船和載運鮮活貨的客船＞集裝箱運輸船舶＞貨船等，其中危險品船包括運輸煙花爆竹的船舶與液化氣體船（如油船）兩大類，公務船指擔任特殊任務的警衛船、軍事運輸船等；②危險品船舶安排專閘通過；③同一優先級船舶采用先到先過的原則。

方案二：在調度方案一的基礎上，針對同一優先級別的船舶，排檔時小船協同大船，以閘室利用率最大為目標，形成過閘隊列。

方案三：為應急調度預案，即當船閘可能出現或已經出現大量船舶積壓時，在調度方案二的基礎上，將易燃易爆危險品船不再優先并安排專閘通過，而是安排集中通過，即在錨地待閘的危險品船舶數量滿足一定條件時才允許過閘，但同樣不同類型的危險品船不能同一閘通過。調度時允許過閘的條件是閘室利用率大于0.50，以提高船閘的利用率。

（4）運量不均衡系數及裝載系數。

根據長沙樞紐工程初設文件，該船閘的運量不均衡系數為1.3，裝載系數為0.7。

2.2 仿真模型設計

采用Arena仿真軟件，根據船閘排擋方案建立了雙線船閘的船舶過閘交通組織模型［6-7］，其中船閘排擋算法是模型的關鍵，模型中采用的是可排點概念進行船舶的排擋，圖1和圖2分別為船舶過閘流程圖和船閘排擋算法流程圖。

圖1 船舶過閘流程圖Fig.1 Ship-crossing flowchart

圖2 船閘排檔算法流程Fig.2 Ship lock schedule algorithm flowchart

3 結果與分析

由仿真模型多次運算，統計了近期船閘運行一個月的指標情況（表3）。當過閘交通量λ=178艘/d即λ=3.7艘/h時，相當于年單向過閘運量1 900萬t，工況1條件下，調度方案一對應的日平均過閘14.4閘次，閘室利用率平均為0.48，上游和下游錨地平均延誤船舶量分別為3.5艘和3.1艘。工況2條件下，調度方案一對應的日平均過閘16.6閘次，閘室利用率平均為0.46，下游和上游錨地平均延誤船舶量均為0.6艘。表明，在船閘運行初期交通需求量較小時，到閘船舶基本可以隨到隨走，船閘的運行狀態較優。

表3 近期船閘運行一個月的指標統計表Tab.3 Statistical table of operation indexes in the firstmonth navigation

相同調度方案下，工況2的平均日過閘次數和通過能力均較工況1大，而且相應的交通運行狀態較工況1優，顯然，提高一次過閘時間，增加船閘日過閘次數，是提高船閘通過能力的重要途徑。

相同工況條件下，對于調度方案一、調度方案二和調度方案三，當過閘交通需求量較大時，它們對應的通過能力依次增加，而過閘交通需求量較小時，3個調度方案所反映出來的船閘運行指標是基本一致的。這主要是因為交通需求量較小時，由于到達船舶的隨機性，為兼顧船閘運行成本和船舶延誤時間，閘室利用率并不能得到顯著提高，而且可能還會大大增加個別船閘的延誤，如調度方案三中油船的日到船量僅為3艘，先期到達的油船要延誤好幾天才能等到足夠的同類船舶一起過閘（要求閘室利用率大于0.5）；而交通需求量較大時，往往是錨地有大量的船舶等待過閘，這時可充分提高船閘的閘室利用率。

考慮排隊系統的最大容量，仿真計算了工況1和工況2條件下各調度方案的日最大過船量（表4）。以工況1條件時調度方案三為例，當日過閘需求量或船舶流量小于215艘/d時，船閘運行狀況較優，不會出現大量的船舶積壓，當船舶流量大于215艘/d時，船閘將會出現大量的船舶積壓。

表4 近期船閘的最大日過船量（艘/d）Tab.4 Themaximum lock capacity in recent time

4 結論與建議

（1）長沙樞紐船閘交通流量大，在運行初期由于一次過閘時間較長，船閘設備故障等原因，抗風險能力相對較低。為防范可能出現的交通擁堵，建議加強壩區船舶航行交通管制，制定有關通航應急預案，建立相應預警機制。

（2）運砂船的船型龐大，進出船閘也有一定危險，為保證船閘運行安全，提高船閘通過能力，應推進對現有運砂船的改造，并進一步促進湘江航運船舶的大型化及標準化；同時做好船閘排擋工作，增加每閘次的過船量，提高船閘閘室利用率。

（3）船舶良好過閘秩序的形成、及船閘通過能力最大化的實現與船舶航行及船閘的調度管理息息相關，為提升長沙樞紐雙線船閘通過能力，必須建立高效的船舶監管及過閘調度機制，因此，必須實現湘江航運管理的信息化，以保障湘江黃金水道建設的順利推進。

［1］張明,李民,馮小香.長洲樞紐雙線船閘堵船原因分析及對策［J］.水道港口,2012,33（2）:142-146. ZHANG M，LIM，FENG X X.Causes and Countermeasures of traffic jam in Changzhou double line ship lock［J］.Journal of Waterway and Harbor,2012,33（2）:142-146.

［2］湖南省交通規劃勘察設計院,湖南省水利水電勘測設計研究院.湘江長沙綜合樞紐工程初步設計［R］.長沙：湖南省交通規劃勘察設計院,2009.

［3］張明.湘江長沙綜合樞紐工程船閘交通組織研究［R］.天津:交通運輸部天津水運工程科學研究所,2012.

［4］高雄.三峽船閘試通航半年簡析［J］.水運工程,2004（5）:64-68. GAO X.SIX Months′Trial Navigation of Three Gorges Ship Lock［J］.Port&Waterway Engineering,2004（5）:64-68.

［5］宋維邦.三峽雙線五級船閘通過能力分析［J］.中國三峽建設,2003（9）:44-45. SONGW B.On traffic capacity of Three Gorges double line five step ship lock［J］.China Three Gorges Construction,2003（9）: 44-45.

［6］朱順應,朱凱,王麗錚.基于Arena的三峽樞紐運輸系統仿真模型［J］.水運工程,2011（2）:.40-44. ZHU SY,ZHU K,WANG L Z.A simulation model based on Arena for the transportation system of the Three Gorges Region［J］. Port&Waterway Engineering,2011（2）:40-44.

［7］商劍平,吳澎,唐穎.基于計算機仿真的船閘聯合調度方案研究［J］.水運工程,2011（9）:199-204. SHANG JP,WU P,TANG Y.On multiple-lane lock′s joint scheduling plan based on computer simulation［J］.Port&Waterway Engineering,2011（9）:199-204.

珠江-西江經濟帶發展上升為國家區域發展戰略

本刊從交通運輸部獲悉，國務院不久前正式批準了由國家發展改革委組織擬訂的國務院2013年區域規劃審批計劃，其中珠江—西江經濟帶規劃列在7個計劃審批的區域發展規劃第一位。這是國家繼續深入實施區域發展戰略的重大舉措，對促進北部灣經濟區和西江經濟帶“雙核”驅動發展意義重大。（殷缶，梅深）

巴哈馬擬新建伊科祖瑪港口樞紐

據報道，巴哈馬政府擬于2013財年內新建伊科祖瑪港口樞紐，以支持該島及附近成員島未來經濟的發展。港口建設所需資金將通過向加勒比開發銀行融資解決。加勒比開發銀行技術人員已經與巴政府工程師一起前往伊科祖瑪島就項目選址、工程范圍及其他問題開展評估工作。（殷缶，梅深）

合肥市將再建3個港區

本刊從合肥港獲悉，合肥市目前正開展新一輪港口總體規劃修編工作。隨著行政區劃調整、工業布局調整和經濟發展對港口建設的需要，合肥市港區建設規劃“擴容”。規劃新增巢湖港區二期、廬江港區、散兵港區等3個港區。加上原有南淝河、派河、店埠河、豐樂河和臨湖等5個港區，合肥港將共有8個港區。（殷缶，梅深）

嘉陵江利澤航運樞紐項目建設工作全面啟動

本刊從交通運輸部獲悉，2013年7月26日，重慶市交委和四川省交通運輸廳在重慶組織召開了利澤樞紐項目推進工作會。與會各方一致同意按照交通運輸部《關于推進嘉陵江利澤航運樞紐前期工作協調會議紀要》的要求，全面啟動利澤樞紐項目的實施工作，力爭2014年10月底項目開工建設、2018年完建樞紐工程。（殷缶，梅深）

Study on recent lock capacity of Changsha hydro-junction

JIANG M ing-feng1,ZHANG M ing2,LIAO Peng3,FENG Xiao-xiang2,PU Xiao-gang2
(1.Changsha Xiang-river comprehensive hub DevelopmentCo.,LTD.,Changsha 410200,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;3.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Changsha hydro-junction is located at the throat position of Xiangjiang river,and the ship locks are confronted with much pressure due to the heavy shipping traffic.Based on the analysis of the navigation environment and the scheduling scheme,the simulation model was established to simulate the lock capacity of the Changsha hydro-junction in the recent time in this paper.

lock capacity;ship lock;traffic simulation;Changsha hydro-junction

U 641.7+3

A

1005-8443（2013）04-0359-05

2012-12-18；

2013-04-11

湘江長沙綜合樞紐公司項目（CSSN-服務-38-03）：湘江長沙綜合樞紐工程船閘交通組織研究

蔣明鋒（1982-），男，廣西桂林人，工程師，主要從事港口與航道工程的設計與管理工作。

Biography：JIANGMing-feng（1982-）,male,engineer.