回水變動(dòng)段頂推船船型設(shè)計(jì)及營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性分析

丁明澤 雷林 冀楠 楊春 趙星

摘 要：貴州省擁有良好的水運(yùn)發(fā)展環(huán)境，烏江水運(yùn)歷史悠久，沿線建設(shè)大量水電樞紐，形成約84公里回水變動(dòng)段。為解決回水變動(dòng)段船舶通航問題，本文針對(duì)水電樞紐回水變動(dòng)段進(jìn)行水域特征分析及現(xiàn)行船舶分析，研發(fā)設(shè)計(jì)具有“小尺度、大拖力”特點(diǎn)的新型助航頂推船，并對(duì)其進(jìn)行營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性分析。最終確定新型頂推船主要船型要素，即船長(zhǎng)為45m、船寬為10.8m、吃水為2.0m、干舷為0.9m、航速為14km/h、船舶造價(jià)為129.382萬元，并根據(jù)成本分析及敏感性分析為其運(yùn)營(yíng)提出相應(yīng)建議，為針對(duì)水電樞紐回水變動(dòng)段船舶通航問題的進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：回水變動(dòng)段;頂推船;船型論證

中圖分類號(hào)：U674.2? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）09-0112-04

1 概述

貴州省境內(nèi)河流眾多，具備較好的水運(yùn)發(fā)展條件，而其中烏江水運(yùn)歷史悠久，為沿江國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和沿岸人員的交往發(fā)揮了重要作用。而烏江水運(yùn)航段已建大量水電樞紐，使得航道樞紐內(nèi)河段水深增加、流速減小，水流輸沙能力減弱[1]，形成累計(jì)84公里回水變動(dòng)段，通航環(huán)境日益復(fù)雜，而頂推船提供動(dòng)力，可連續(xù)作業(yè)，工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)[2]，再配以無動(dòng)力駁船，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吃水淺、載貨量大等優(yōu)點(diǎn)[3]，能夠有效應(yīng)對(duì)水電樞紐回水變動(dòng)段船舶通航問題。本文主要針對(duì)貴州烏江水運(yùn)航段水電樞紐所形成的回水變動(dòng)段進(jìn)行水域特征分析，并研發(fā)設(shè)計(jì)具有“小尺度、大拖力”特點(diǎn)新型頂推船船型，從而開展?fàn)I運(yùn)經(jīng)濟(jì)性分析，有效解決貴州航運(yùn)發(fā)展與烏江航段水電樞紐回水變動(dòng)段限制的矛盾，為回水變動(dòng)段復(fù)雜水域通航問題的進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。

2水域特征及現(xiàn)行船舶分析

2.1 水域特征分析

烏江航道管理局境內(nèi)802km烏江干流航道隨著國(guó)家“西電東送”工程的建設(shè)和貴州烏江航道建設(shè)，目前已達(dá)到Ⅳ級(jí)航道尺度，其余均為天然航道。烏江渡至龔灘航段航道共計(jì)431公里，如圖1所示，其中目前烏江航段現(xiàn)行大規(guī)模梯級(jí)水電站包括構(gòu)皮灘、思林、沙沱等，電站庫區(qū)回水變動(dòng)段航道共計(jì)84公里[4]，烏江水電樞紐回水變動(dòng)段助航頂推船船型優(yōu)化升級(jí)迫在眉睫。

2.2 現(xiàn)行船舶分析

現(xiàn)階段烏江貨運(yùn)的主要運(yùn)輸方式是機(jī)動(dòng)駁，拖駁船隊(duì)或機(jī)動(dòng)駁船組運(yùn)輸方式極少。為適應(yīng)山區(qū)河流的特點(diǎn)，船型多為尖瘦型，船舶主要的船型為100t級(jí)貨船、140t級(jí)貨船、200t級(jí)貨船、500t級(jí)貨船、烏江500t級(jí)多用途集裝箱船和800t級(jí)貨船[4]。根據(jù)交通運(yùn)輸部的總體部署，結(jié)合長(zhǎng)江、珠江兩大水系運(yùn)輸船舶發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)貴州省貨運(yùn)船舶將逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、大型化和節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，預(yù)計(jì)在2020年前包括重慶河段在內(nèi)的烏江干流烏江渡以下河段將全線梯級(jí)渠化，達(dá)到通航1000噸級(jí)船舶的三級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。因此，烏江需要過壩的中長(zhǎng)途貨船規(guī)劃采用1000噸級(jí)的機(jī)動(dòng)船運(yùn)輸?？瓦\(yùn)以短途客運(yùn)和旅游客運(yùn)為主，規(guī)劃采用50～100客位普通客船和80客位以下旅游船。

3 船型主尺度及參數(shù)論證范圍確定

3.1 允許最大船長(zhǎng)及船寬

基于船舶操縱性和船舶安全性的要求，本船型的船長(zhǎng)應(yīng)不大于航道最小彎曲半徑的1/5，烏江航道構(gòu)皮灘至重慶，最大彎曲半徑為480m，烏江航道現(xiàn)狀如表1所示。

本文論證駁船船型的允許最大船長(zhǎng)范圍為45～58m。根據(jù)烏江各電站過閘設(shè)施限制，頂推船最大船寬可取11.5m。

3.2 吃水及干舷

根據(jù)流域航道規(guī)劃圖和實(shí)際考察，水電樞紐蓄水時(shí)庫區(qū)內(nèi)水面寬闊、水深較大，以及考慮航道未來規(guī)劃，寬度必須滿足III級(jí)航道，即水深為2.0～2.4m，本文取水深為2.4m。但在枯水期或水電樞紐放水時(shí)，壩前水位較低，為保證航行安全，船舶必須具有一定的富裕水深，以防止發(fā)生觸底或吸底現(xiàn)象，富裕水深值如表2所示。因此綜合上述影響因素，本船型吃水范圍取2.0m～2.1m。

船舶最小干舷計(jì)算公式如式（1）所示[5]，其中F為船舶基本干舷，f1為型深對(duì)干舷的修正，f2為舷弧對(duì)干舷的修正，f3為艙口圍板高度及艙室門檻高度對(duì)干舷的修正。

內(nèi)河C、J2級(jí)航區(qū)的有義波高范圍如表3所示，綜合干舷計(jì)算結(jié)果及航區(qū)等級(jí)，同時(shí)考慮到風(fēng)速的影響，為了安全起見，將干舷高度取為0.9m～1.2m。

3.3 參考船型的主尺度范圍

貴州省主要通航河流規(guī)劃船型表中庫區(qū)500t級(jí)駁船船長(zhǎng)為45m，船寬為10.8m，吃水為1.6m;貨船及船組中配套的普通駁船標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列[6]如表4所示。

川江及三峽庫區(qū)駁船標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列[7]如表5所示。

3.4 本文論證船型主尺度范圍

根據(jù)上述論證并參考相關(guān)水域的推薦船型，同時(shí)考慮到升船機(jī)船廂尺度、閘門尺度等烏江通航設(shè)施的限制，因此初步確定本文頂推船設(shè)計(jì)主尺度范圍如表6所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，駁船方形系數(shù)Cb的合理范圍為0.7～0.8。根據(jù)駁船船隊(duì)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性以及航道限制，最終確定通航船舶載重噸位為500t。

4 船型技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)確定

4.1 營(yíng)運(yùn)率、負(fù)載率、貸款利率及還款年限

確定本船型的營(yíng)運(yùn)時(shí)間取為全年246天，即營(yíng)運(yùn)率為67.4%，負(fù)載率取為75%，貸款利率定為4.9%，根據(jù)船舶運(yùn)行時(shí)間及可靠性，綜合考慮船企效益，還款年限取18年。

4.2 船舶造價(jià)

本文設(shè)計(jì)頂推船船舶造價(jià)選取母型船換算法，母型船換算如公式（2）所示，其中P0為母型船造價(jià)，本文設(shè)計(jì)頂推船所取母型船造價(jià)105萬元，母型船主要要素如表7所示。

4.3年運(yùn)輸成本

年運(yùn)輸成本包括折舊費(fèi)、年度修理費(fèi)用、保險(xiǎn)費(fèi)、年稅金和其他費(fèi)用。折舊費(fèi)按18年折舊，殘值為3%;修理費(fèi)一般按折舊費(fèi)的80%計(jì)算;本文論證船型的船身保險(xiǎn)為全損險(xiǎn)，保額上限為900萬元，保費(fèi)為0.8%/年;航運(yùn)企業(yè)增值稅為收入的3%，城市建設(shè)附加費(fèi)、教育附加費(fèi)和地方教育附加費(fèi)，稅率分別為增值稅的7%、3%和2%，綜合可得年稅金占年收入3.36%;其他不可預(yù)見費(fèi)用為年收入的2%。

4.4 必要運(yùn)費(fèi)率和運(yùn)輸效率

必要運(yùn)費(fèi)率RFR=（A+Y）/Q，其中A為年回收額，Y為年運(yùn)營(yíng)費(fèi)，Q為年運(yùn)量，而年回收額如式（3）所示，其中P為船舶的造價(jià)，i為貸款利率，n為還款年限，（A/P，I，N）為資金回收因數(shù);運(yùn)輸效率YSXL=n*V/ZBHP，其中n為載重噸，V為航速，ZBHP為主機(jī)總功率。

5 船型論證計(jì)算及營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 船型論證計(jì)算

本文頂推船船型論證計(jì)算首先采用網(wǎng)格法，在計(jì)算過程當(dāng)中，垂線間長(zhǎng)以1m為步長(zhǎng)，型寬以0.2m為步長(zhǎng)，吃水以0.1m為步長(zhǎng)，干舷以0.1m為步長(zhǎng)，航速以1km/h為步長(zhǎng)。船型主尺度論證計(jì)算界面如圖2所示，船型營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性論證計(jì)算界面如圖3所示。

最優(yōu)船型主尺度組合的詳細(xì)論證方法為將必要運(yùn)費(fèi)率、船舶造價(jià)作為限制條件，淘汰未滿足條件的船型主尺度組合;對(duì)船型主尺度組合進(jìn)行排序，分別挑出其中的排名前12的船型主尺度組合。經(jīng)系統(tǒng)計(jì)算，按必要運(yùn)費(fèi)率RFR由低到高排序，船型主尺度組合如表8所示，排名第一則為最優(yōu)船型主尺度組合，最終確定本文設(shè)計(jì)頂推船船型要素船長(zhǎng)為45m，船寬為10.8m，吃水為2.0m，干舷為0.9m，航速為14km/h，船舶造價(jià)為129.382萬元。

5.2 成本分析

衡量船舶經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)有很多，通常情況下，船東為了提高競(jìng)爭(zhēng)能力和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，希望降低船舶的運(yùn)輸成本，同時(shí)提高船舶利用率和縮短投資回收期。船舶經(jīng)濟(jì)性論證的三個(gè)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括必要運(yùn)費(fèi)率、凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率。

本文經(jīng)濟(jì)性論證是對(duì)特定船型的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行討論，因此應(yīng)以船型在整個(gè)運(yùn)營(yíng)期間收支平衡為最低保證，根據(jù)上述運(yùn)輸成本構(gòu)成對(duì)優(yōu)選船型方案進(jìn)行成本分析，得出成本構(gòu)成份額，如表9所示，可見其中頂推船的折舊費(fèi)、年度修理費(fèi)用及保險(xiǎn)費(fèi)的占比較大。

5.3 敏感性分析

為進(jìn)一步探討市場(chǎng)變化對(duì)船舶技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的影響，論證中分析了船價(jià)、負(fù)載率、營(yíng)運(yùn)率、利率變化、燃油價(jià)格和負(fù)載/營(yíng)運(yùn)率四個(gè)經(jīng)濟(jì)參數(shù)變化對(duì)最優(yōu)方案的影響。以上述最優(yōu)船型方案為基準(zhǔn)，將各參數(shù)上下浮動(dòng)10%，計(jì)算最優(yōu)船型必要運(yùn)費(fèi)率的變化情況。

從圖4可見，必要運(yùn)費(fèi)率對(duì)營(yíng)運(yùn)/負(fù)載率最為敏感，其次是船舶造價(jià)和利率。因此，在船舶建造期間，應(yīng)控制好造價(jià);在船舶營(yíng)運(yùn)期間，應(yīng)合理設(shè)計(jì)航線，采用經(jīng)濟(jì)航速等措施，降低必要運(yùn)費(fèi)率。

6 結(jié)論

本文針對(duì)水電樞紐回水變動(dòng)段進(jìn)行水域特征分析及現(xiàn)行船舶分析，以此為基礎(chǔ)研發(fā)設(shè)計(jì)具有“小尺度、大拖力”特點(diǎn)的新型助航頂推船，最終確定新型頂推船主要船型要素，船長(zhǎng)為45m，船寬為10.8m，吃水為2.0m，干舷為0.9m，航速為14km/h，船舶造價(jià)為129.382萬元，并對(duì)其進(jìn)行成本分析及敏感性分析，根據(jù)分析結(jié)果為其運(yùn)營(yíng)提出相應(yīng)建議，為解決回水變動(dòng)段船舶通航問題及提升船舶航行經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。

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