基于大型船舶實船觀測的開敞海域淺灘深挖槽航道通航寬度

郭冬冬，金雪英，曹恩廣，程鑫，車軍，馬興華

（1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120；2.連云港引航站，江蘇 連云港 222042；3.東海航海保障中心連云港航標處，江蘇 連云港 222000）

基于大型船舶實船觀測的開敞海域淺灘深挖槽航道通航寬度

郭冬冬1，金雪英1，曹恩廣2，程鑫3，車軍1，馬興華1

（1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120；2.連云港引航站，江蘇 連云港 222042；3.東海航海保障中心連云港航標處，江蘇 連云港 222000）

航道通航寬度直接影響船舶進出港的航行安全，而對于類似連云港港的大型船舶淺灘深挖槽航道，航道基建投資、維護成本對航道通航寬度更為敏感。我國現行規范航道通航寬度計算公式是根據7.4萬t以下船舶實船航跡觀測后推導的經驗公式，缺少大型船舶的實船航行數據作為支撐。本研究通過觀測連云港港15萬噸級航道內15萬噸級船舶實船航行數據，并引入航道寬度保證率的概念，提出不同保證率對應的船舶漂移倍數以及不同條件下航道船舶漂移倍數取值，優化了開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道通航寬度計算參數，完善了計算方法，解決了規范公式及參數缺乏大型實船航行數據支撐和缺乏保證率概念的問題，為規范修編提供技術依據。

實船觀測；航道通航寬度；航跡帶寬度；船舶漂移倍數；保證率

0 引言

航道通航寬度涉及航道的安全性和經濟性，航道越寬，船舶航行越偏安全，但航道基建投資和維護成本也會越高；反之，航道過窄，航道基建投資和維護成本降低，但增加了船舶通航安全風險。特別是對于淤泥質淺灘深挖槽航道，由于灘淺坡緩、人工開挖航段長、基建疏浚工程量大，航道基建投資、維護成本對航道通航寬度更為敏感。因此，如何安全、經濟地確定航道通航寬度顯得尤為重要。

我國JTJ 211—99《海港總平面設計規范》[1]航道有效寬度（現行規范JTS 165—2013《海港總體設計規范》[2]稱為航道通航寬度）計算公式是根據7.4萬t以下船舶實船航跡觀測后推導的經驗公式。該公式及參數總體上是合理和適用的，但由于缺少大型船舶實船航行數據作為支撐，且大型船舶操縱性能不同于中小型船舶，因此業界在工程實踐中對該公式在深水航道的合理性存在諸多爭議。

為此，依托連云港港深水航道工程，在連云港港15萬噸級航道內進行實船航行觀測，基于大型船舶實船航行觀測并引入航道寬度保證率的概念，研究開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道內大型船舶航跡帶寬度、漂移倍數等，優化了開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道通航寬度計算參數，完善了開敞海域淺灘深挖槽航道有效寬度計算方法，解決了現行公式及參數缺乏大型實船航行數據支撐和缺乏保證率概念的問題，為規范修編提供技術依據。研究成果被納入863計劃課題《開敞海域淤泥質淺灘深水航道建設關鍵技術研究》[3]。

1 15萬噸級航道實船航行觀測概況

大型船舶實船航行觀測在連云港港15萬噸級航道內進行，該航道是開敞海域淤泥質海岸淺水深挖槽航道，航道全長33.9 km，通航寬度230 m，底標高-16.0 m/-16.5 m，可乘潮單向通航15萬噸級散貨船。航道由外向內分別為外航道、內航道、廟嶺航道，其中外航道25.7 km，走向243°—063°；內航道5.5 km，走向292°—112°；廟嶺航道2.7 km，走向270°—090°。為避免船舶轉彎、低速航行等因素影響實船航行研究結果，選擇在15萬噸級航道的外航道進行實船航行觀測。

如何獲取大量的準確的實船航行軌跡是實船航行觀測研究的關鍵之一。本次研究[4]利用船舶自動識別系統，采集了2010年3月—2014年9月近130艘15萬噸級散貨船進港航行實時船位、對地航向COG、對地航速SOG、船艏向、回轉速率ROT等航行數據。同時，為驗證AIS數據的可靠性，采用GPS定位儀對7艘15萬噸級散貨船進港航行進行同步觀測。

驗證結果顯示：無論是實船航行中心軌跡平均偏差，還是全程航跡帶寬度，GPS定位測量和AIS系統取得的實船航行數據偏差均在10 m以內，相比15萬噸級航道通航寬度230 m而言，偏差占比較小，屬可接受范圍內。因此，AIS系統獲取的船舶航行數據完全滿足研究精度需要。

2 實船航行同步橫流及風流壓偏角確定

2.1 實船航行橫流

航跡帶寬度主要受自然因素、船舶操縱性能和人為因素共同影響。由于本次實船航行觀測對象均為15萬噸級散貨船，船舶操縱性能相差不大，故該因素可忽略不考慮。而人為因素主要為船舶操縱所體現的船舶航行狀態，包括航行軌跡、風流壓偏角、航速、航跡帶寬度等，均可通過AIS數據直接和間接體現。自然因素主要包括水流、風和波浪等，其中橫流是引起船舶航行偏角的主要動力因素，因此，如何準確地實時觀測或推算船舶航行時段的潮流也是實船航行觀測研究的關鍵所在。

一方面，采用數學模型計算工程海域代表潮型大、中、小潮流場[5]，再通過船舶通航期間實時潮位推算航道沿線實時潮流，進而得到實時橫流。推算結果表明，船舶航行期間，航道沿線橫流均較小，但基本不小于0.1 m/s，最大不超過0.5 m/s；從各觀測船舶航行期間航道沿程實時橫流分布來看，橫流沿程變化明顯，且自外海向內基本呈逐漸減小趨勢。

另一方面，在進行GPS航跡觀測時同步開展ADCP跟蹤測流，航道沿線實測潮流見圖1。對比ADCP實測潮流和數模推算的潮流，發現兩者基本接近，因此，研究認為數模推算的潮流可以作為實船航行期間的潮流。

圖1 ADCP實測流矢示意圖Fig.1 Current observation by ADCP

2.2 風流壓偏角確定

根據JTS 165—2013《海港總體設計規范》中橫流與風流壓偏角的關系，由數模推算的橫流確定相應的風流壓偏角。其中橫流在0.1～0.25 m/s范圍的航段對應風流壓偏角γ取5°，0.25～0.5 m/s范圍的航段對應風流壓偏角γ取7°。

3 航跡帶寬度和漂移倍數統計

3.1 航段劃分

眾所周知，航道越長，實測的航跡帶寬度越寬，反之，航道越短，實測的航跡帶寬度越窄，因此，合適的航道長度是研究航跡帶寬度的關鍵。連云港港15萬噸級航道外航道全長25.7 km，經各樣本航行軌跡分析，船舶1次左右搖擺周期的航行距離約3～5 km，故研究認為將外航道按5 km進行分段研究船舶航跡帶寬度是合適的[4]。

3.2 航跡帶寬度統計

剔除極少數不合理樣本后，γ=5°航段對應樣本總數126個，航跡帶寬度最大119.6 m，最小55.7 m，均值84.2 m，標準差13.3 m；γ=7°對應樣本總數235個，航跡帶寬度最大148.3 m，最小57.9 m，均值89.77 m，標準差17.23 m。見表1。

表1 實測航跡帶寬度統計匯總表Table 1 Statisticalsummary table of shipping track w idth

3.3 漂移倍數n統計

根據JTS 165—2013《海港總體設計規范》中航跡帶寬度經驗公式，由實測航跡帶寬度、實際船長、船寬和風流壓偏角，反推漂移倍數。具體統計結果如下。

1）γ=5°：樣本總數126個，最大漂移倍數1.68，最小0.83，均值1.20，標準差0.191，見圖2。

圖2 實測漂移倍數n統計圖（γ=5°）Fig.2 Statisticaldiagram of the drif tmagnification n（γ=5°）

2）γ=7°：樣本總數235個，最大漂移倍數1.81，最小0.68，均值1.12，標準差0.214。

4 漂移倍數概率統計分析

4.1 概率分布統計

采用柯爾莫諾夫-斯米爾諾夫檢驗法，分別對5°、7°風流壓偏角對應實測漂移倍數n進行分布檢驗。結果顯示：實測漂移倍數n樣本均服從GARMMA分布[6]。分布擬合結果見圖3、圖4，概率分布統計結果表2。

4.2 實測值與規范值對比

將概率統計得到的漂移倍數結合《海港總體設計規范》，計算各保證率下的15萬噸級散貨船航跡帶寬度及15萬噸級航道通航寬度（見表3），與《海港總體設計規范》的規范值進行對比，發現99%保證率實測漂移倍數及對應的航跡帶寬度和航道通航寬度總體與規范值相當，說明規范的風流壓偏角取值總體上是合適的。但99.7%保證率下，實測值明顯大于規范值，說明規范推薦的漂移倍數及其相應的航跡帶寬度和航道通航寬度對于船舶航行的安全性未達到99.7%。

圖3 實測漂移倍數n分布檢驗（γ=5°）Fig.3 Distribution testof driftm agnification n（γ=5°）

圖4 實測漂移倍數n分布擬合（γ=5°）Fig.4 Distribution fitting ofdrift magnification n（γ=5°）

表2 實測漂移倍數概率分布統計結果Table 2 Probability distribution results of drift m agnification

表3 統計值與規范值對比表Table3 Com parisonofstatisticalvaluesand standard values

5 航道通航寬度計算參數優化

通過以上研究認為，《海港總體設計規范》計算航跡帶寬度和航道通航寬度的計算公式可以適用于大型船舶航道寬度設計，風流壓偏角、船舶漂移倍數取值總體是合適的。但為了切實提高船舶航行安全度，針對不同類型航道可根據航道的重要程度、復雜程度推薦相應不同保證率下的航行參數。如一般航道，漂移倍數保證率取99%，但對于特別重要的航道或者特殊航段，建議漂移倍數取99.7%，詳見表4。

表4 漂移倍數建議取值Table 4 Recommended value of d rift magnification

6 結語

本研究基于連云港港15萬噸級航道實船航行觀測，基于大型船舶實船航行觀測并引入航道寬度保證率的概念，研究開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道內大型船舶航跡帶寬度、漂移倍數，論證了現行《海港總體設計規范》航道通航寬度計算公式及計算參數對于大型船舶深水航道的適用性，提出船舶漂移倍數的優化取值，解決現行公式及參數缺乏大型實船航行數據支撐和缺乏保證率概念的問題，完善了開敞海域大型船舶淺灘深挖槽航道通航寬度計算方法，實現船舶航行安全和節約航道工程投資的協調統一。研究方法和成果可供連云港港30萬噸級航道工程和其他開敞海域淤泥質海岸大型深水航道工程通航寬度研究借鑒。

[1]JTJ 211—99，海港總平面設計規范[S]. JTJ 211—99,Design code ofgeneral layout for sea ports[S].

[2]JTS 165—2013，海港總體設計規范[S]. JTS 165—2013,Design code ofgeneral layout forsea ports[S].

[3]中交上海航道勘察設計研究院有限公司.開敞海域淤泥質淺灘深挖槽航道總體設計關鍵技術研究[R].2014. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.The key technology of the design of a waterway with deeply dredged trench at the site ofshallow shoal[R].2014.

[4]中交上海航道勘察設計研究院有限公司.連云港港15萬噸級航道實船觀測研究[R].2012. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.On vessel observation of the 150 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].2012.

[5]中交上海航道勘察設計研究院有限公司.連云港港30萬噸級航道一期工程初步設計[R].2010. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.Engineering design for Phase I of the 300 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].2010.

[6]WALPOLE R E.概率與統計[M].周勇，馬昀蓓，謝尚宇，等譯.北京：機械工業出版社，2014. WALPOLE R E.Essentials of probability&statistics for engineers &scientists[M].ZHOU Yong,MA Yun-bei,XIE Shang-yu,et al. translate.Beijing:China Machine Press,2014.

On the width of a waterway with deeply dredged trench at the site of shallow shoal based on vessel observation

GUO Dong-dong1,JIN Xue-ying1,CAO En-guang2,CHENG Xin3,CHE Jun1,MA Xing-hua1
（1.Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai200120,China;2.Lianyungang Pilot Station, Lianyungang,Jiangsu 222042,China;3.Lianyungang Aids to Navigation Departmentof Donghai Navigation Safety Administration,Lianyungang,Jiangsu 222000,China）

The width of a waterway directly affects the safety of vessel entering and leaving port,in terms of waterway with deeply dredged trench at the site of shallow shoal like Lianyungang port,infrastructure investment and maintenance cost are more sensitive to the width.The current calculation formula for the width is based on the shipping track of ships under 74 000 dwt rather than larger ships,lack of actual ship navigation data of large ships as support.By observing shipping track of 150 000 dwt ships in 150 000 dwt waterways,and bringing in the concept of assurance rate,we introduced the vessel drift magnification for different assurance rate and how to determine the vessel drift magnification under different circumstances.We optimized the width calculation parameter and improved calculation method,solved the problem that current formula lacks of large ship shipping data and assurance rate concept.The study can provide strong technical evidence for the revision of the codes.

vessel observation;the width of a waterway;shipping track width;vessel drift magnification;assurance rate

U656.5

A

2095-7874（2016）11-0035-04

10.7640/zggw js201611008

2016-05-25

2016-08-26

國家高技術研究發展計劃（863計劃）課題（2012AA112509）

郭冬冬（1984— ），男，浙江舟山人，工程師，注冊港航工程師，港口航道與海岸工程專業。E-mail：g111otm@126.com