長江中游航道貨運承載能力表征模型與算法研究

徐湘文 楊傳波

(1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司 武漢 430071； 2.長江航道測量中心 武漢 430010)

長江經濟帶依托長江黃金水道橫跨我國東、中、西三大區域，中游起著承東啟西的重要作用。長江中游航道貨運承載能力是長江開發與保護規劃的數據基礎。目前的規劃中通常采用的內河航道通過能力，其實質是指某一航段，某一時間段內，通過航段斷面的船舶數量[1]，通過能力的應用具有一定的局限性[2]，在由不同尺寸的航段連成的多級航道中，只能用最大流最小分割法確定通過能力。貨運承載能力由環境承載能力衍生而來，是承載能力概念在交通領域的拓展。

環境科學的快速發展為航道貨運承載能力的研究提供了新思路。Odum[3]運用數學公式，將承載力概念用對數增長方程表示。Bishop等[4]將環境承載力定義為在可接受的生活水平條件下，區域內能夠永久承載的人類活動的強烈程度。高吉喜[5]提出了生態彈性系數的概念，將環境承載力由原來的一個固定的值變化為一個區間。格日樂等[6]在額濟納綠洲土地承載力的研究中，建立了土地承載力的系統動力學模型來預測土地承載力的變化機理與因素。長江中游各航段等級不同，各航段通過能力不同，考慮貨流OD矩陣，形成對長江中游貨運承載能力的表征模型和測算方法。

1 表征模型

長江中游航道承載的貨流量可分為：起運港和終點港均在長江中游航道的內部貨流；起運港和終點港位于上下游港口，貨物只通過長江中游航道的過境貨流；起運港在長江中游航道內部，終點港為上下游各港口，或者起運港的區間貨流等3類。

長江中游航道貨運承載能力是指在單位時間(以年為時間周期)內的長江中游航道所承載的總貨量(Q)的最大值。長江中游航道貨運承載能力的表征方式為

2 貨運網絡OD矩陣

根據長江干線港口吞吐量數據，結合復雜網絡的相關研究結果，推算長江中游貨運網絡OD矩陣。通過港口吞吐量推算貨運網絡OD矩陣。推算采用如下公式

式中：Dj為第j港口的進港貨量；Oi為第i港口的出港貨量。

多次迭代，直到

表1 P矩陣

3 航段通過能力

3.1 長江中游航段情況

長江從中游開始進入我國地勢第三階梯的長江中下游平原地區，中游航道兩岸地勢平坦，河道迂回曲折，水位、水流、水深、河床地形等關鍵航道要素變化復雜，相較于南京以下12.5 m水深渠化航道，整個中游航道等級偏低，通航環境復雜，通航能力較差。

中游航道長共955 km，可分為宜昌下臨江坪-大埠街，宜昌大埠街-岳陽城陵磯，城陵磯-武漢長江大橋，武漢長江大橋-江西湖口共4段。其中宜昌下臨江坪-宜昌大埠街-岳陽城陵磯-武漢長江大橋段，長613 km。宜昌下臨江坪-宜昌大埠街段為山區天然航道向平原航道過渡段、大埠街-城陵磯-武漢長江大橋段為平原航道，河道特性表現為以分汊河道為主，淺灘演變較為劇烈，放寬處有江心洲和江心灘出現，洲灘不穩定，主、支汊興衰交替，過渡段水深不足，航道易出淺礙航。武漢長江大橋-江西湖口段，長342 km。武漢長江大橋至湖口為平原航道，河道特性表現為河道寬窄相間、多分汊。

除了不同河段的特征外，長江航道條件還有季節性特點。洪水期水深提高，但流速增加、流態紊亂，有些河段洲灘散布，深槽變化劇烈，破壞了既有的航道格局。枯水期，雖然水流歸槽，但水位持續下降，淺灘航道水深不足，有時會因洪沖枯淤的特點而改變整個河勢，造成適航航槽移位。2015年長江中游航道分月維護水深見表2。

表2 2015年長江中游航道分月維護水深

按照《航道養護標準》，長江中游航道尺度標準見表3。

表3 長江中游航道尺度標準

從長江航運規劃工作的梳理情況來看，目前已實現宜昌至城陵磯河段為內河一級航道、水深為3.5 m，城陵磯至武漢河段的航道水深為3.7 m，武漢至江西湖口河段的航道水深為4.5 m的規劃目標，未來將著力推進“645”長江深水航道整治工程，以保證長江干流武漢至安慶航道水深6 m，宜昌至武漢航道水深4.5 m。

3.2 各航段通過能力限制

長江中游航道以中游港口為界，共分為5段，宜昌-荊州，荊州-岳陽，岳陽-武漢，武漢-黃石，黃石-九江航段分別命名為1,2,3,4,5。長江中游航道屬于平原航道，枯水期水流一般流速1.0～1.7 m/s，洪水期流速2.0～3.0 m/s，全年平均水流速度約為1.8 m/s(6.48 km/h)。

對于長江航道的研究，張俊勇等[7]提出用基建性工程措施提高航道等級，加大通航能力。航段通過能力是指在不受妨礙的航段中，標準船舶組成的理想船舶交通流，在單位時間內通過該航段斷面的最大船舶貨流量，以載重量(t)表示。長江中游各航段通過能力Ck(萬t/d)為：

Ck=s·w·t·Qmax/10 000 (k=1,2,…,5)

式中：s為航道斷面允許并列航行的船舶數，根據船舶航行橫向安全距離的要求，長江中游航道寬度不能滿足船舶并行的要求，s=1；w為標準船舶噸位;t為日通航時間。根據長江中游船舶航行情況選取的船型參數見表4。

表4 標準船型參數

根據船舶交通流最大流量Qmax，計算的航段通過能力Ck=s·w·t·Qmax/10 000。則航段通過能力見表5。

表5 航段通過能力限值

4 航段通過能力

根據表1所示P矩陣計算可得：下行經過斷面2/3的貨流比例為P13,P14,P15,P16,P17,P18,P23,P24,P25,P26,P27,P28之和；下行經過斷面3/4的貨流比例為P14,P15,P16,P17,P18,P24,P25,P26,P27,P28,P34,P35,P36,P37,P38之和；下行經過斷面4/5的貨流比例為P15,P16,P17,P18,P25,P26,P27,P28，P35,P36,P37,P38，P45,P46,P47,P48之和；下行經過斷面5/6的貨流比例為P16,P17,P18,P26,P27,P28,P36,P37,P38,P46,P47,P48,P56,P57,P58之和；下行經過斷面6/7的貨流比例為P17,P18,P27,P28,P37,P38,P47,P48,P57,P58,P67,P68之和。

上行經過斷面2/3的貨流比例為P81,P82,P71,P72,P61,P62,P51,P52,P41,P42,P31,P32之和；上行經過斷面3/4的貨流比例為P81,P82,P83,P71,P72,P73,P61,P62,P63,P51,P52,P53,P41,P42,P43之和；上行經過斷面4/5的貨流比例為P81,P82,P83,P84,P71,P72,P73,P74,P61,P62,P63,P64,P51,P52,P53,P54之和；上行經過斷面5/6的貨流比例為P81,P82,P83,P84,P85,P71,P72,P73,P74,P75,P61,P62,P63,P64,P65之和；上行經過斷面6/7的貨流比例為P81,P82,P83,P84,P85,P86,P71,P72,P73,P74,P75,P76之和。長江中游貨運承載能力計算結果見表6。

表6 長江中游貨運承載能力測算結果

航道承載能力=航段通過能力限制值/經過斷面比例和，取最小值，研究結果表明：長江中游下行航道貨運承載能力36.9億t，限制航段4/5斷面，即岳陽到武漢航段。長江中游上行航道貨運承載能力21.9億t，限制航段為6/7斷面，即黃石到九江航段，長江中游航道貨運承載能力為68.8億t。

5 結語

本文以長江中游航道貨運承載能力為中心，系統研究了長江中游航道貨運承載能力的定義、表征模型和計算方法，并根據現有數據測算出了長江中游航道貨運承載能力和指出了限制航段。

后續研究在此基礎上可以進行航道貨運承載能力的演化研究，根據航道開發的情況，從自然航道，低等級航道到高等級航道過程中，研究航道相關尺寸數據的變化，對應的航道貨運承載能力隨時間的變化情況；也可以航道開發投資為變量，以現有情況為基礎，探究投資額與航道貨運承載能力的定量關系，為投資決策提供依據。