約束條件下船閘裝載系數(shù)計算方法研究

陳冬元

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002）

約束條件下船閘裝載系數(shù)計算方法研究

陳冬元

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002）

船閘裝載系數(shù)是計算通航建筑物通過能力的重要指標，通常取過閘船舶裝載率，但是在過閘船舶日益大型化的背景下，船舶過閘受水深等條件約束，用船舶裝載率代替船閘裝載系數(shù)可能出現(xiàn)較大誤差。通過運用船舶排水量計算原理，提出了船閘裝載系數(shù)的修正計算方法，并進行了計算驗證。

船閘；船舶；裝載系數(shù)；裝載率；計算

裝載系數(shù)是船閘通過能力計算的一項重要指標，但相關規(guī)范并未明確船閘裝載系數(shù)計算方法，有研究提出裝載系數(shù)一般取過閘船舶裝載率。過閘船舶裝載率與經(jīng)濟發(fā)展、貨物種類、流向和批量等密切相關。三峽船閘自2013年運行以來，綜合裝載率一般未超過70%，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示近期過閘船舶裝載率與過閘船舶大型化呈現(xiàn)出明顯的負相關，大型船舶所占的比例越高，過閘船舶綜合裝載率越低，與裝載系數(shù)設計水平的0.9存在較大差距。主要原因是大型船舶受航道、船閘吃水控制標準的影響，無法實現(xiàn)重載過閘。

當前過閘船舶日益大型化，過閘時受到船閘檻上水深（最小水深）、航道維護水深以及惡劣水情等因素約束，無法實現(xiàn)滿載過閘。如果簡單的以船舶裝載率來代替船舶裝載系數(shù)的取值，不能客觀的反映船閘運行指標實際狀況，進而影響對船閘實際通過能力的評價，有必要研究科學合理的約束條件下船閘裝載系數(shù)計算方法，以客觀科學評價船閘通過能力、管理水平和水運交通組織水平，為科學決策提供參考。

1 船舶裝載率計算

1.1 裝載率概念

裝載率是評估交通工具營運效率的重要指標。鐵路、公路、水路及民航運輸均存在裝載率的概念，一般指裝載物品所占運輸工具或運輸容器的內(nèi)容積或底面積或載重量的比率。即容積裝載率、面積利用率或重量裝載率。

船舶裝載率又稱船舶負載率，一般對于貨船稱船舶載重量利用率，客船稱船舶客位利用率，推(拖)船稱平均每千瓦拖帶量，用于表征貨船的定額噸位、客船的定額客位和推(拖)船的定額功率的利用程度。

1.2 裝載率計算方法

相關水路運輸經(jīng)濟學教材[3]提出了船舶裝載率的計算方法，過閘船舶裝載率計算公式如下：

（1）貨船

其中，ac—貨運船舶裝載率，Q—船舶實載貨運量，C—船舶額定載重噸位。

（2）客船

其中，ap—客船裝載率，P—船舶實載旅客量，M—船舶客位總數(shù)。

由于在三峽船閘通過能力設計參數(shù)中，對非貨運船舶所占的閘次數(shù)量取零，在下文的論述中裝載率和裝載系數(shù)專指貨船。

2 船閘裝載系數(shù)

交通部《船閘總體設計規(guī)范》（JTJ305-2001），雙線船閘年單向通過能力可按下式計算：

式中P為過閘貨運量（噸），n為日均過閘次數(shù)（次），n0為非運客、貨船舶過閘次數(shù)（次），N為通航天數(shù)（天），G為一次過閘平均噸位（噸/次），a為裝載系數(shù)，β為運量不均勻系數(shù)。從公式（3）中可知，裝載系數(shù)是船閘通過能力的一項重要指標，與貨物種類、流向和批量有關，推薦取值范圍一般為0.5—0.8，但未明確其計算方法。

2.1 船舶裝載率

2003年三峽船閘運行以來，船舶上下行綜合裝載率2009年最高為0.756，隨著貨運量的增長和過閘貨物重載方向的調(diào)整，船舶裝載率變化幅度較大，總體呈先升后降趨勢（詳見表1）。貨運量重載方向船舶裝載率近年來保持在0.75左右。

表1 2003年～2016年三峽過閘船舶裝載率

2.2 裝載系數(shù)影響因素

隨著通航條件的改善，過閘船舶呈現(xiàn)出明顯的大型化趨勢，2016年三峽船閘船舶額定載重噸位4000t及以上的超過半數(shù)，5000t及以上的已經(jīng)接近40%。船舶的額定載重量越來越大，設計吃水越來越深，大多數(shù)船舶的滿載吃水已經(jīng)達到了4m以上，部分船舶設計吃水甚至達到了5m或5.5m。

按照式（1）影響裝載率的主要因素為船舶實載貨運量（Q）和船舶額定載重噸位（C）。正常情況下Q≤C，當實載貨運量達到船舶額定載重噸位時，裝載率最大取值為1.0。要保持高的裝載率，實際裝載量（Q）必須相應增加，實際吃水將向滿載吃水逼近。船閘作為特殊的航道，建成后其通航尺度（如集泊長度、集泊寬度、檻上水深、凈空高度等）無法改變，對過閘船舶增加貨運量形成了一個約束。

三峽船閘集泊長度為266m、集泊寬度為32.8m，檻上水深5m，凈空高度18m。結(jié)合目前三峽河段航道實際水深情況，最高允許通過的船舶吃水僅為3.5—4.3m，設計吃水超過這一許可的船舶無法滿載過閘，制約了船舶裝載率的進一步提高，即設計吃水超過船閘航道允許值的船舶永遠不可能滿載過閘。2016年滿載吃水3.5m以上、4.0m以上和4.3m以上的船舶已經(jīng)分別占到了76.13%，59.39%和41.86%。如果仍以過閘船舶額定載重噸位之和（C）為基礎來計算船閘裝載系數(shù)則明顯偏小。

3 約束條件下船閘裝載系數(shù)（a）計算

通過航海經(jīng)驗公式可以修正船舶過閘期間的額定載重噸位，進而合理計算船閘裝載系數(shù)。

3.1 計算參數(shù)的選取

（1）船舶實載貨運量（Q）

船舶過閘前會按照本船額定載重噸位和管理部門公布的吃水控制要求進行配載，船舶實載貨運量客觀的反映了船舶當航次實際裝載的貨物重量。

（2）船舶額定載重噸位（C）

船舶額定載重噸位為船舶檢驗部門根據(jù)船舶實際裝載能力核定的船體部分的最大參考裝載量，正常情況下，船舶裝載的貨物量達到額定載重噸位時，實際排水量即達到滿載排水量。船舶載重是排水量的重要組成部分，船舶滿載排水量表述為：

式中：D為船舶排水量，W0為空船重量，包含船體結(jié)構(gòu)、動力裝置、舾裝設備、儀器設備等固定重量；一般為常數(shù)。C為船舶額定載重噸位，為船舶航次儲備，主要包含燃料，潤料和淡水重量，其大小按航次時間、補給方案及航次儲備天數(shù)確定。為船舶常數(shù)，主要包括船員、食物、船上垃圾、廢料和雜物以及船外船體粘附生物等重量。

設ΔD 為船舶從設計吃水降低至吃水控制標準時所需減少的載重量，ΔC 為船舶額定載重噸位的變化量。根據(jù)船舶每航次過閘情況來看，均可認為是一常數(shù)，此時有：則修正的船舶額定載重噸位

3.2 裝載系數(shù)計算方法

船舶建造設計階段，設計部門根據(jù)相關原理繪制船舶靜水力曲線圖，編制船舶排水量數(shù)據(jù)表，包含船舶浮性要素、初穩(wěn)性要素和船型系數(shù)等與吃水的關系曲線，供駕駛員經(jīng)常性使用。

在修正額定載重噸位時，設計吃水低于船閘控制標準的船舶可以按實際額定載重噸位取，設計吃水高于吃水控制標準的船舶，可按照排水量表求取該吃水控制標準下的船舶排水量（D＇）。則修正的船舶額定載重噸位累計值（C＇）可按式（5）計算。

式中： Ci為過閘船舶中設計吃水大于吃水控制標準的船舶額定噸位，N為過閘船舶中設計吃水大于吃水控制標準的船舶艘次，Cj為過閘船舶中設計吃水不大于吃水控制標準的船舶額定噸位，K為過閘船舶中設計吃水不大于吃水控制標準的船舶艘次，代入式（1）則船閘裝載系數(shù)修正計算公式為：

3.3 計算驗證

2015年、2016年三峽船閘單向通過量超過5000萬噸，由于占比接近40%的5000噸級以上船舶按照船閘最大吃水標準4.3m限制不能滿載，上行過閘船舶平均裝載系數(shù)分別為0.754、0.753，偏離實際較遠。如按照4.3m吃水作為滿載標準，將船舶參數(shù)代入（6）進行測算，則船閘上行裝載系數(shù)已分別達0.84、0.82，與實際統(tǒng)計相符。

4 結(jié)束語

船舶滿載過閘是航運企業(yè)追求的目標，提高船閘通過能力也是船閘運行管理部門的期望。受貨種、貨源、運輸組織方式和市場影響，船舶過閘運輸必然存在空載過閘情況，上下行存在不均勻性，尤其是危險品基本為單向運輸，必然影響船閘平均裝載系數(shù)的進一步提高。約束條件下的船閘裝載系數(shù)計算方法，對2015年和2016年三峽船閘裝載系數(shù)進行了修正計算，客觀反映了船閘通過能力指標狀況。在過閘船舶日益大型化前提下，對國內(nèi)外船閘裝載系數(shù)的求取和船閘通過能力的計算有一定的參考價值，具有現(xiàn)實意義。

[1]交通部.船閘總體設計規(guī)范（JTJ305-2001）[Z].北京：人民交通出版社，2001.

[2]韋巨求，賴子機、唐琨.船閘通過能力計算系數(shù)研究[J].水運工程，2006（1）:59-62.

[3]余思勤.運輸經(jīng)濟（水路）專業(yè)知識與實務（中級）（2008年版）[M].中國人事出版社,2008.

U641

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1006—7973（2017）10-0051-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.022