候潮進港條件下錨位數確定方法探討

方利鶴，車軍

（1.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇 連云港 222042；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

錨地是港口生產運營服務系統中的重要組成部分。一般情況下，錨位數與船舶到港規律、泊位數量、碼頭裝卸效率、船舶在港裝卸服務時間等因素有關，可采用排隊論模型計算[1]。但是如果受港口進港航道條件限制，設計船型需要候潮進港時，錨位數不僅要滿足船舶待泊對錨泊的需求，而且要滿足船舶候潮進港對錨泊的需求。本文以連云港港30萬噸級錨位數計算為例，提出并探討候潮進港條件下的錨位數確定方法，可供同類工程所借鑒。

1 現行錨位數確定方法及其適用條件分析

1.1 現行錨位數確定方法

一般情況下，港口交管中心安排錨位和港口調度安排泊位通常采用先來先服務（FIFO）原則[2-4]，即若無泊位可用，港口調度一般要求船舶先在相應噸級的錨地拋錨待泊。因此按照船舶—錨地—泊位過程進行調度操作，可運用排隊論方法將待泊的到港船舶視為一個服務隊列，將港口泊位則作為多個服務窗口，將錨地視作排隊容器。這樣，船舶—錨地—泊位的港口隨機服務系統就轉換為一個多服務窗等待制的排隊模型[5]。

在港口隨機服務系統中，船舶到港規律一般遵循泊松分布，而裝卸服務時間則主要遵循負指數分布或K階愛爾蘭分布，待泊錨地的錨位數量可采用M/M/S排隊模型進行確定[1]，即在港有n艘船（包括港內和錨地）的狀態概率函數如下：

式中：λ為平均每天到達的船舶艘數；1/μ為平均每條船占用泊位的天數；a為平均每天被利用的泊位數；Qn表示在港出現n艘船的保證率。錨位數可以根據港口的重要性，按在港船舶保證率90%～95%相應推算[6]，用 A1代表待泊錨位數，則 A1＝n－S。

1.2 適用條件分析

上述運用M/M/S排隊模型計算待泊錨位數量的方法（式（1））主要考慮了船舶到港規律、泊位數量和裝卸作業效率因素，計算結果屬于待泊錨位數（單純從待泊需求考慮），并未考慮候潮進港因素的影響，因此總體上適用于不需要候潮進港的船舶錨位數計算。

2 候潮進港條件下錨位數確定方法

大多數沿海港口進港航道的天然水深不足以滿足設計船型全潮通航，通常需根據設計船型滿載吃水對航道進行疏浚，并采用候潮進港方式（乘較高潮位進港），特別是對于淺段較長的航道。

以連云港港30萬噸級航道為例，該航道建設規模滿足30萬噸級散貨船、油船乘潮單線乘潮通航，對于設計船型而言屬于候潮進港航道，或稱之為“存在乘潮進港時間窗口的受限航道”[7]。

根據航道總體設計，30萬噸級船舶單向通航乘潮歷時4 h，因此到港的30萬噸級船舶一旦錯過當前潮次的高潮時段乘潮進港窗口，就必須等待下一個潮次高潮前2 h的通航窗口乘潮進港。根據連云港港潮汐周期規律，30萬噸級船舶相鄰兩個通航時間窗口間隔長達12.43 h，因此從控制船舶運營成本角度，到港的30萬噸級船舶需要在當前潮次通航時間窗口前抵達連云港港外，等待乘潮進港窗口開放后進港。在此過程中，即便港內30萬噸級泊位處于空閑狀態，30萬噸級船舶也無法直接進港，必須先進入錨地候潮等待航道通航窗口的到來，并由此產生了額外的錨地使用需求，即候潮錨泊需求。

根據到港船舶的時間性分析，船舶隨機到港隨機過程一般均服從泊松分布。即t時間段內，港口到達n艘船舶的概率為：

式中：Pn為t時段內n艘船舶到港概率；λ為平均到港船舶數，艘次/d。

候潮錨泊需求取決于相鄰通航時間窗口內需要候潮進港的設計船舶到港數量。同樣，可以根據港口的重要性，按到港船舶保證率90%～95%相應推算候潮進港的錨位數A2。

因此，候潮進港條件下錨位數應當同時滿足待泊錨位需要和候潮錨位需要。在計算待泊錨位數和候潮錨位數時，從計算簡便和結果偏安全考慮，可認為到港船舶規律相同（均服從泊松分布），船舶到港（在港）保證率相同（90%～95%），則候潮進港條件下錨位數可取待泊錨位數與候潮進港錨位數之和，即：

3 連云港港30萬噸級船舶錨位數確定

3.1 30萬噸級到港船舶數量

根據連云港港30萬噸級航道二期工程初步設計文件關于港口吞吐量預測結論，2020年、2030年連云港區吞吐量分別為25 000萬t、30 000萬t，其中鐵礦石進口量分別為5 000萬t、5 200萬t；2020年、2030年徐圩港區吞吐量分別為8 500萬t、15 000萬t，其中原油進口量分別為2 800萬t、5 800萬t，鐵礦石進口量2030年為2 000萬t。

連云港港30萬噸級航道通航的30萬噸級船型為運輸外貿進口鐵礦石的30萬噸級散貨船和運輸外貿進口原油的30萬噸級油船。結合連云港區、徐圩港區2020年、2030年鐵礦石、原油的流量、流向預測結論，30萬噸級散貨船、原油船到港數量可采用式（4）計算。

式中：N為船舶通過量；T為分貨類貨運量；DWT為不同噸級船舶載重噸；α為不同噸級船舶承運貨運的比例；β為船舶實載率。

經計算，連云港港30萬噸級航道2020年、2030年30萬噸級船舶到港數分別為136艘次、248艘次，具體計算結果見表1。

表1 連云港港30萬噸級船舶到港數量測算結果Table 1 Calculation results of the quantity of 300 000-ton shipsarriving in Lianyungang Port

3.2 30萬噸級船舶錨位數計算

1）待泊錨位需求計算

根據《連云港港總體規劃》、《連云港港徐圩港區總體規劃》對30萬噸級散貨、原油泊位規劃以及“十三五”期30萬噸級碼頭泊位建設計劃，2020年連云港區、徐圩港區30萬噸級散貨泊位數應達到2個、原油泊位2個；2030年30萬噸級散貨泊位、原油泊位應分別達到2個、4個。

考慮到船舶到港的不確定性，30萬噸級散貨船、原油船到港數量2020年分別為0.19艘次/d、0.35艘次/d，2030年分別為0.20艘次/d、0.71艘次/d。30萬噸級船舶占用泊位的天數參照目前連云港區25萬～30萬噸級散貨船實際在港時間進行確定。根據全國沿海港口布局規劃，連云港港規劃為長三角地區外貿鐵礦石進口和原油接卸樞紐港，港口在鐵礦石、原油等大宗散貨和能源運輸系統中具有較高地位，因此在港船舶保證率按不小于95%確定，利用M/N/S模型（式（1））計算在港船舶數量，并結合泊位數量確定待泊錨位數。計算可得，2020年30萬噸級散貨船待泊錨位數0.8個、30萬噸級原油船待泊錨位數0個；2030年連云港港30萬噸級散貨船待泊錨位數2.5個、30萬噸級原油船待泊錨位數3.6個，具體計算結果見表2。

表2 連云港港30萬噸級船舶待泊錨位需求計算結果Table 2 Calculation results of the number of the lying anchor for 300 000-ton ship in Lianyungang Port

2）候潮錨位需求計算

連云港港潮汐周期為12.43 h，30萬噸級到港船舶服從泊松分布。同樣在保證率95%情況下，計算乘潮通航窗口之間30萬噸級船舶到港船舶數，并確定候潮錨位需求數量。采用式（2）計算可得，2020年30萬噸級散貨船候潮錨位數0.78個、30萬噸級原油船候潮錨位數0.99個；2030年連云港港30萬噸級散貨船候潮錨位數0.97個、30萬噸級原油船候潮錨位數1.88個，具體計算結果見表3。

表3 連云港港30萬噸級船舶候潮錨位需求計算結果Table 3 Calculation results of the number of the awaiting-tideanchor for 300 000-ton ship in Lianyungang Port

3）30萬噸級船舶錨位數確定

根據式（3），30萬噸級散貨船、油船在港錨位數為待泊錨位數與候潮錨位數之和。經計算，2020年連云港港30萬噸級散貨船錨位數為2個，30萬噸級原油船錨位數為1個；2030年連云港港30萬噸級散貨船錨位數為4個，30萬噸級原油船錨位數為6個，具體船舶錨位需求數計算結果見表4。

表4 連云港港30萬噸級船舶錨位需求數計算結果Table 4 Calculation results of thenumber of anchor for 300 000-ton ship in Lianyungang Port

從表4計算結果中可以得出：

1） 由于連云港港30萬噸級航道對于設計船型而言需要候潮進港，因此30萬噸級船舶錨位需求確實存在待泊錨位和候潮錨位兩種需求，錨地容量計算時應考慮船舶候潮進港因素帶來的影響。

2） 按式（1）計算表明，2020年在2個30萬噸級原油泊位支持下，30萬噸級原油船并不需要待泊錨位，但按照船舶到港規律以及30萬噸級原油船候潮進港的特點，仍需要1個候潮錨位，此時錨位需求是由候潮錨位決定。這一結果說明單純計算待泊錨位是不能直接覆蓋或替代候潮進港錨位需求。

4 結語

候潮進港條件下錨位數應當同時滿足待泊錨位需要和候潮錨位需要。

1）在計算待泊錨位數量和候潮錨位數量時，從計算簡便和結果偏安全考慮，可認為到港船舶規律相同（均服從泊松分布），船舶到港（在港）保證率相同（90%～95%），則候潮進港條件下錨位數量可取待泊錨位數與候潮錨位數之和。

2）采用上述方法，經計算，2020年連云港港30萬噸級散貨船錨位數為2個，30萬噸級原油船錨位數為1個；2030年連云港港30萬噸級散貨船錨位數為4個，30萬噸級原油船錨位數為6個。

3）如果近岸深水資源有限，候潮錨泊問題突出，可以考慮采取以下措施，以合理減少候潮錨位數：

①在實際運輸和港口運行過程中，可結合通航時間窗口分布，進行船舶調度，更好地安排船期和到港時間，縮短候潮錨泊時間，從而減少候潮錨位數。

②考慮到船舶進港涉及船舶到港規律、候潮與通航時間窗口、泊位數量、碼頭裝卸效率、船舶在港裝卸服務時間等多個隨機變量，可建立錨地—候潮航道—碼頭的一體化通航組織仿真模型[8]，運用仿真技術，聯合考慮待泊錨位需求和候潮錨位需求，復核和優化錨位數量。