長(zhǎng)江江蘇段彎曲航道通航能力計(jì)算與軟件開發(fā)

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(武漢理工大學(xué) a.航運(yùn)學(xué)院；b.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

隨著《關(guān)于依托黃金水道推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見》的出臺(tái)，“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”發(fā)展正式上升為國家戰(zhàn)略，長(zhǎng)江航運(yùn)經(jīng)濟(jì)和沿江經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展將迎來重大機(jī)遇，但長(zhǎng)江江蘇段水域通航環(huán)境復(fù)雜，交叉航段、彎曲航道眾多，如福姜沙航段、尹公洲航段、嘶馬彎曲航段等，水上交通事故時(shí)有發(fā)生。科學(xué)地分析長(zhǎng)江江蘇段彎曲航道通航能力，對(duì)降低船舶碰撞與擱淺事故的發(fā)生，確保船舶在航道內(nèi)安全的航行具有重要的意義[1]。同時(shí)，作為航道適航程度的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，通航能力分析是航道設(shè)計(jì)和規(guī)劃的重要依據(jù)。

關(guān)于彎曲航道通航能力的研究，國外學(xué)者在對(duì)航道通航能力進(jìn)行理論研究的同時(shí)，根據(jù)航道的實(shí)際情況提出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，如西德公式、波蘭公式[2]等，國內(nèi)也有自己的經(jīng)驗(yàn)公式，如長(zhǎng)江公式、蘇南公式[3]6等。這些大都是借鑒了國外的公式，是從宏觀上研究航道通航能力。還有一些學(xué)者從微觀上利用船舶航行的航跡帶寬度[4- 6]，從平面的角度來計(jì)算航道的通航能力。本文提出的彎曲航道通航能力的計(jì)算模型，是從微觀立體的角度進(jìn)行分析，綜合考慮航道水深、寬度等，構(gòu)造船舶在無風(fēng)流影響下船舶所占航寬，運(yùn)用疊加原理，將風(fēng)、流致漂移量疊加到無風(fēng)流影響的公式中去，結(jié)合對(duì)過往船舶的AIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到船舶的吃水、船長(zhǎng)與載重噸的關(guān)系，最終得到長(zhǎng)江江蘇段彎曲航道通航能力計(jì)算模型。為便于推廣本文的研究成果，運(yùn)用Visual Studio 2010開發(fā)了長(zhǎng)江江蘇段彎曲航道通航能力計(jì)算軟件，可快速實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境和代表船型條件下彎曲航道上、下行通過能力計(jì)算與分析，降低了彎曲航道通航能力計(jì)算模型在實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜性。

1 構(gòu)建彎曲航道通航能力計(jì)算模型

1.1 計(jì)算原理

1)船舶在無風(fēng)流影響的情況下，通過彎曲航道的船舶航跡帶寬度B1計(jì)算公式為

R·cotβ+b/2

(1)

式中：R為彎曲半徑，在彎曲航道中航行船舶重心的軌跡圓半徑，m；L為船長(zhǎng)，m；b為船寬，m；β為船舶的航行漂角，(°)。

2)風(fēng)、流致漂移量。船舶通過彎曲航道時(shí)，受風(fēng)、流的作用下將會(huì)產(chǎn)生橫向漂移，此時(shí)彎曲航道下行和上行的風(fēng)、流致漂移量分別為

①風(fēng)致漂移量[3]。

下行：

[cosαf-cos (αf+θ)]

(2)

上行：

[cosαf-cos (αf+θ)]

(3)

②流致漂移量[7- 8]。

下行：

(4)

上行：

(5)

3)船舶通過彎曲航道所需寬度為

B=B1+BL+BF+2d

(6)

式中：B1為無風(fēng)流影響時(shí)通過彎曲航道的船舶航跡帶寬度,m；BL為船舶航行通過彎曲航道時(shí)的流致漂移量,m；BF為船舶航行通過彎曲航道時(shí)的風(fēng)致漂移量,m；d為船舶外弦至航道邊緣的安全距離,m，d可以選取d=0.4B1。

4)彎曲航道風(fēng)流作用下的船舶通航能力計(jì)算公式。運(yùn)用疊加原理，把船舶航經(jīng)彎曲航道的流致漂移量和風(fēng)致漂移量疊加到無風(fēng)流的公式中，得到改進(jìn)后的彎曲航道通航能力計(jì)算公式為

下行：

[cosαf-cos(αf+θ)]

(7)

上行時(shí)：

(8)

1.2 載重噸與滿載吃水、船長(zhǎng)定量關(guān)系

在采集長(zhǎng)江江蘇段海量船舶AIS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助Matlab軟件的統(tǒng)計(jì)分析功能，定量分析載重噸與船舶滿載吃水、船長(zhǎng)之間的函數(shù)關(guān)系。如圖1、2所示，載重噸與滿載吃水和船舶長(zhǎng)度呈現(xiàn)顯著的非線性函數(shù)關(guān)系，可利用二次函數(shù)進(jìn)行高精度擬合。

圖1 長(zhǎng)江江蘇段過往船舶載重噸與滿載吃水關(guān)系擬合圖

圖2 長(zhǎng)江江蘇段過往船舶載重噸與船舶長(zhǎng)度關(guān)系擬合圖

最終得到以下結(jié)果。

1)船舶載重噸與滿載吃水的關(guān)系為

y=0.143 7x2-1.597x+5.171 7

(9)

式中：y為載重噸，t；x為滿載吃水，m。

2)船舶載重噸與船舶長(zhǎng)度的關(guān)系為

y=0.000 4x2-0.076 3x+3.409 1

(10)

式中：y為載重噸，t；x為船舶長(zhǎng)度，m。

3)水深跟通航船舶的關(guān)系為

H=h1-Δh

(11)

式中：H為允許通航船舶的吃水；h1為實(shí)際水深；Δh為航道剩余水深或航道富裕水深。

根據(jù)江蘇海事局規(guī)定，船舶的實(shí)際吃水與富裕水深的關(guān)系見表1。

表1 船舶實(shí)際吃水與富裕水深對(duì)應(yīng)表[9] m

本文主要目的是確定彎曲航道能通航的最大船舶載重噸和最大船舶長(zhǎng)度，根據(jù)海事局等部門調(diào)研反饋信息，建議此處富裕水深值取1 m。

1.3 具體步驟

步驟1當(dāng)彎曲航道的實(shí)際水位已知時(shí)，根據(jù)航道等級(jí)參照表1確定富裕水深，參照公式(9)、(11)可確定允許通航船舶的實(shí)際吃水以及該航段允許通過的船舶最大噸位DWT1。

步驟2當(dāng)某一彎曲航道的最小航道寬度已知，根據(jù)公式(7)、(8)，可以求出允許通過該彎曲航道上下行船舶的最大船舶長(zhǎng)度L，再根據(jù)公式(9)，長(zhǎng)江江蘇段過往船舶載重噸與滿載吃水關(guān)系，就可以用另一種方法求得允許通過該段彎曲航道的最大船舶噸位DWT2。

步驟3將DWT1與DWT2進(jìn)行比較，選取小者用作該段彎曲航道能夠通過的最大船舶噸位。

1.4 軟件開發(fā)

根據(jù)航道的彎曲半徑、代表船型的尺度、風(fēng)流條件，采用上述介紹的計(jì)算航道寬度與確定船舶噸位的公式可以計(jì)算彎曲航道的通過能力，但是彎曲航道通航能力計(jì)算公式較為復(fù)雜，而采用通常的計(jì)算方法，不但費(fèi)時(shí)而且誤差較大。為此，開發(fā)了一套長(zhǎng)江江蘇段彎曲航道通航能力判斷軟件輔助進(jìn)行計(jì)算，只要選擇船舶上行還是下行，輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)，點(diǎn)擊“開始計(jì)算”，軟件就能計(jì)算出能通過彎曲航道的最大船舶噸位及船舶長(zhǎng)度。軟件運(yùn)行流程見圖3。

1)避免了直接利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算長(zhǎng)江江蘇段彎曲航道通航能力過程中的繁瑣細(xì)節(jié)，提高了通航能力判斷的效率，便于推廣應(yīng)用。

2)對(duì)于長(zhǎng)江江蘇段典型的彎曲航道，如福姜沙航道、尹公洲航道、嘶馬彎曲航道等，通過調(diào)研等方式，得到彎曲航道通航能力計(jì)算模型中的相關(guān)參數(shù)，輸入軟件，然后由軟件自動(dòng)計(jì)算出此航道所能通過船舶的最大噸位以及船舶的最大船長(zhǎng)。

圖3 長(zhǎng)江江蘇段彎曲航道通航能力判斷軟件運(yùn)行流程

3)對(duì)內(nèi)河船舶來說，可以提前根據(jù)自己的預(yù)定航線所經(jīng)過的彎曲航段進(jìn)行計(jì)算，判斷能否安全通過，安排航行計(jì)劃。

2 典型彎曲航段模型參數(shù)確定

長(zhǎng)江江蘇段比較典型的彎曲航段主要有福姜沙航道、尹公洲航道、嘶馬彎曲航道等，這些航道是海事部門監(jiān)管的重要航段，每年都有很多起碰撞、擱淺事故在這些彎曲航段發(fā)生，造成了人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失。參照長(zhǎng)江江蘇段彎曲航道通航能力計(jì)算模型，其中，涉及到航道的參數(shù)主要有：航道水深、航寬、彎曲半徑、相對(duì)風(fēng)速、流速、風(fēng)向角、航道等級(jí)、彎道中心角，下面對(duì)3個(gè)主要彎曲航道的上述參數(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 福姜沙水道

福姜沙水道由福姜沙北水道、福姜沙中水道、福姜沙南水道3部分組成[10]，見表2。

表2 福姜沙水道參數(shù)

2.2 尹公洲航段

如圖4所示，尹公洲航段上游下游彎曲航道的彎曲半徑是不同的，因此需要分段來進(jìn)行計(jì)算，區(qū)段一、區(qū)段三航道較為順直，因此不能作為彎曲航道，在這里不做研究，區(qū)段二、區(qū)段四航道主要參數(shù)見表3。

表3 尹公洲航段參數(shù)

圖4 尹公洲航段分段示意圖

2.3 嘶馬彎曲航段

嘶馬彎曲航道的主要參數(shù)見表4。

表4 嘶馬彎曲航段參數(shù)

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)海事局船舶簽證信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到長(zhǎng)江江蘇段船舶的長(zhǎng)寬比平均值為6.3，船舶速度平均值為8 m/s。以三段典型彎曲航道為實(shí)例，按照上述計(jì)算方法，利用所設(shè)計(jì)的軟件，分別計(jì)算出能通過長(zhǎng)江江蘇段三個(gè)主要彎曲航道的最大載重噸與最大船長(zhǎng)。

3.1 福姜沙航段通航能力計(jì)算

按照彎曲航道通航能力計(jì)算步驟，以福姜沙中水道為例，參照2.1福姜沙中水道的主要參數(shù)，船舶長(zhǎng)寬比、船速已知，將參數(shù)代入軟件進(jìn)行計(jì)算(運(yùn)行結(jié)果如圖5所示)，得出福姜沙中水道上行船舶可通過的最大載重噸為236 082 t，最大船長(zhǎng)為330 m，下行船舶可通過最大載重噸為210 919 t，最大船長(zhǎng)為318 m。

同理可得到福姜沙北水道上行船舶可通過的最大船舶載重噸為160 321 t，最大船長(zhǎng)為252 m；下行船舶可通過的最大船舶載重噸為156 052 t，最大船長(zhǎng)為241 m。福姜沙南水道可通過的最大船舶載重噸為215 262 t，最大船長(zhǎng)為318 m；下行船舶可通過的最大船舶載重噸為209 110 t，最大船長(zhǎng)為310 m。

圖5 福姜沙中水道船舶參數(shù)輸入運(yùn)行結(jié)果

3.2 尹公洲航段通航能力計(jì)算

因尹公洲航段分為4個(gè)區(qū)段，要通過尹公洲航段，需要綜合考慮2個(gè)彎曲航段的通航能力，取最小的噸位與船長(zhǎng)為該航段的通航能力。參照福姜沙水道的計(jì)算方法，將尹公洲航段的主要參數(shù)輸入，得到的結(jié)果為：尹公洲區(qū)段二上行船舶可通過的最大船舶載重噸為173 320 t，最大船長(zhǎng)為256 m；下行船舶可通過的最大船舶載重噸為165 320 t，最大船長(zhǎng)為243 m。區(qū)段四上行船舶可通過的最大船舶載重噸為150 265 t，最大船長(zhǎng)為235 m；下行船舶可通過的最大船舶載重噸為143 380 t，最大船長(zhǎng)為232 m。

3.3 嘶馬彎曲航段通航能力計(jì)算

參照福姜沙航道的通航能力計(jì)算方法，將嘶馬彎曲航段的主要參數(shù)輸入，得到的結(jié)果為：

航段上行船舶可通過船舶最大載重噸為256 540 t，最大船長(zhǎng)為345 m；下行船舶可通過船舶最大載重噸為238 652 t，最大船長(zhǎng)為336 m。

4 結(jié)束語

1)軟件的計(jì)算結(jié)果與海事局、船訊網(wǎng)統(tǒng)計(jì)資料得到的結(jié)果基本相同，證明論文所提計(jì)算方法在研究彎曲航道通航能力方面是可信的。

2)長(zhǎng)江江蘇段彎曲航道通航能力計(jì)算模型，既考慮到了前人利用船舶的航跡帶寬度，從平面角度分析船舶可否通過航道，還考慮了船舶噸位、吃水、風(fēng)、流等條件，從一個(gè)三維立體的角度出發(fā)，綜合考慮船舶是否能通過航道。

3)本文把盡可能多的因素考慮進(jìn)去，但未考慮其他過往船舶的影響、船舶在實(shí)際情況中有拖輪的協(xié)助、航道資料存在誤差以及長(zhǎng)江江蘇段橋梁造成的影響等。

4)內(nèi)河船舶可提前根據(jù)自己的預(yù)定航線所經(jīng)過的彎曲航段進(jìn)行計(jì)算，判斷能否安全通過，安排航行計(jì)劃。該模型也可應(yīng)用到對(duì)其他河流彎曲航道通航能力的計(jì)算。

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