天津港北航道通航標準研究

王 軒，周 峰，劉曉強

(1.天津港(集團)有限公司，天津 300461；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

為滿足當前水運貨運量逐步增加以及船舶大型化的需求，港口和航道逐步向深水化、規模化方向發展[1-2]。天津港船舶到港的噸級增大趨勢明顯，為滿足北港池與日俱增的通航需求，指揮中心提出了 “先進后出”作業模式，開展多次實船測試并逐步推廣至通航限制最多的北港池水域，最大限度的加快了船舶周轉。但“先進后出”模式是充分利用主航道的雙向通航條件，通過計算船舶航程時間，讓進出北港池的船舶在水域相對寬闊的主航道末端水域交匯，從而規避北港池內狹小水域的作業方案，可以一定程度改善北港池現有交通組織的弊病，但并不能徹底摒除因北港池水深不足，部分水域狹小等客觀條件帶來的桎梏，無法充分釋放碼頭生產能力、船舶載運能力和航道通過能力。為改善當前通航條件，減少進出港船舶等待時間，提高通航效率，需要對北航道及其與主航道連接段通航水域這一“咽喉要道”進行拓寬，有效增加進出北港池的可航水域范圍，進一步壓縮進出北港池船舶的等待時間，同時還將增強船舶航行期間的應急處置能力。此外，天津港船舶到港的噸級增大趨勢明顯，到達北港池泊位和東疆港區集裝箱泊位的通航水域不能滿足20萬t級集裝箱船進出，所以迫切要求將現有北港池通航水域按照20萬t級標準進行提升，天津港北航道示意圖如圖1所示。

圖1 天津港北航道位置及走向示意圖Fig.1 Location and trend of North Channel of Tianjin Port

1 港口概況

1.1 自然條件

天津港是我國北方最大的綜合性外貿港、國家主樞紐港之一，位于我國環渤海地區港口群的中心位置，屬于華北拗陷中的渤海拗陷中心，構造復雜，主要受NNE向斷裂構造控制，呈現出一系列的隆起凹陷。天津港北航道位于天津港北港池，本地區以堆積地貌為基本特征，海床以黏土質粉砂、粉砂質黏土、粉砂等細顆粒物質為主，主要地貌類型具有明顯的弧形帶分布特點。該海區常風向為NNW向，次常風向為W向，出現頻率分別為7.91%、7.44%。強風向為E向，次強風向為ENE向。年平均高潮位3.74 m，年平均低潮位1.34 m。本區常浪向ENE和E，頻率分別為9.68%和9.53%，強浪向ENE，各方向H4%≥1.6 m的波高頻率為5.06%。每年冬季均有不同程度的海冰出現，通常結冰期從12月下旬至翌年2月下旬，總冰期約60 d。

表1 在建及擬建泊位表Tab.1 List of berths under construction and proposed

1.2 港口設施狀況

天津港北港池碼頭泊位位于北疆港區和東疆港區之間，北港池內現在正在運營的泊位是天津港35-38段、北1-北9段、北13-北14段、北33-北36段以及東1段-東6段共25個泊位，碼頭岸線長度5 529 m，設計通過能力1.021億t，其中，集裝箱設計通過能力890萬TEU，汽車通過能力70萬輛[2]，最大泊位可靠泊20萬t級集裝箱船。為適應港口吞吐量的迅速增長，啟動了北港池海嘉汽車滾裝碼頭、北疆港區C段智能化集裝箱泊位等工程，在建和擬建的泊位如表1所示。

1.3 航道狀況

天津港所屬港區現有水陸域面積336 km2，其中陸域面積131 km2，規劃港口陸域總面積約200 km2。天津港主航道長47.5 km，為30萬t級深水航道，航道水深最深已達-22 m，25 萬t級船舶可以隨時進港，30萬t級船舶可以乘潮進港。北港池通航水域全長約10 km，設計底高程-15.5 m，其中與主航道連接段通航寬度320 m，以北至歐亞國際集裝箱碼頭港池北邊線通航寬度390 m，以北至匯盛碼頭港池通航寬度185 m。僅能夠滿足10萬t級集裝箱船進出港航行的需要，已無法適應北港池快速發展的需要，所以迫切要求將現有北港池通航水域按照20萬t級標準進行提升[3-8]。

2 港口需求分析

2.1 航道貨運量狀況

北航道占據天津港航道貨運的重要地位，2020年北港池吞吐量為1.672億t。北航道通航船舶保持在5 000艘次左右，10萬t級以上船舶艘次連年有所增加，通航壓力逐漸增大，對北航道及其與主航道連接段通航水域這一“咽喉要道”進行拓寬，有效增加進出北航道的可航水域范圍，可以保證滿載吃水的20萬t級大型集裝箱船舶在北航道的正常航行、靠離泊、調頭等作業，較大提高了天津港船舶航行的級別，充分發揮新建集裝箱泊位的裝卸效率，大幅度提高集裝箱的吞吐量，增強天津港在國內外市場的競爭能力。

2.2 吞吐量預測

2.2.1 預測依據和采用的預測方法

以2016年—2020年北航道進出船舶艘次和貨物吞吐量作為原始數據，綜合類推預測法和專家預測法，采用指數平滑算法對天津港北航道貨物吞吐量進行預測。

一次指數平滑法預測模型為

二次指數平滑法預測模型為

其中

由于天津港集裝箱吞吐量易受季節影響產生較大的波動，因此取平滑系數α=0.9。將2016年1月的集裝箱吞吐量記為t=1，計算預測序列S(1)和S(2)。

2.2.2 全港集裝箱吞吐量發展水平預測

吞吐量預測為天津港北港池所用，主要分析天津港主體港區吞吐量。由于北航道特殊的地理位置，經其到達的碼頭包括東突堤北側、北港池、反“F”型分港池和東疆港區的碼頭。根據規劃，未來上述碼頭通過的主要貨種為集裝箱和其他貨類(除煤炭、礦石、石油等以外的貨類)，2016年—2020年，北航道進出船舶艘次占天津港總進出船舶艘次比例逐年上升，由24.7%上升至43.5%，北航道集裝箱船舶占北港池總船舶艘次比例基本穩定在73%左右，北港池進出船舶艘次趨勢見圖2。隨著更多新碼頭建成投產，進出北航道的船舶艘次還將進一步增加，在天津港總體規劃吞吐量預測結論的基礎上，根據2016年—2020年北航道進出船舶艘次和貨物吞吐量，采用2.1.1中的指數平滑算法對天津港北航道貨物吞吐量進行預測，分別對2025年和2030年北航道貨物吞吐量進行預測，結果見表2。目前北航道僅能夠滿足10萬t級集裝箱船進出港航行的需要，根據預測結果，已無法適應北航道貨物吞吐量快速發展的需要，所以亟需將現有北通航水域按照更高通航標準(如20萬t級標準)進行提升。

圖2 北航道進出船舶艘次趨勢圖Fig.2 Trend chart of ships entering and leaving the North Harbor Basin

表2 天津港北航道貨物吞吐量預測表Tab.2 Forecast of cargo throughput of North Channel of Tianjin Port

2.3 通航船型分析

對2020年進(或出)北航道船舶進行分噸級船舶艘數和密度統計，天津港北航道有487艘次10萬t級以上船舶靠泊作業。根據天津港集裝箱吞吐量發展情況、港口發展規劃及世界集裝箱船舶發展趨勢，預測天津港北航道進出港集裝箱船船型：遠洋航線為5 000～24 000 TEU；近洋航線為2 000～10 000 TEU；國內沿海航線為1 000～10 000 TEU；支線為100～1 200 TEU。

3 設計通航標準

3.1 通航標準及規模

3.1.1 航道通過能力

對航道的通過能力進行計算以驗證提升效果[9-11]，航道雙線航道的年通過能力按下式計算

M=2×t×V×ρ×Ty/D

(1)

式中：M為雙線航道的年通過能力，艘；V為船舶在航道中航行的平均速度，取8 kn；Ty為航道年工作天數，取350 d；ρ為航道利用率，取0.5；D為平均每艘船航行占用航道的長度，取為7倍平均船長；t為航道日通航時間，取19 h。

經計算，10萬t級集裝箱船雙線航道的年通過能力為40 679艘次，對比2020年進(出)北航道船舶 4 986艘次，其中10萬t級以上船舶721艘次，滿足北航道船舶的通航要求。

3.1.2 航道建設規模

根據港口需求和規劃、通航船型預測等[3-4]，天津港北航道按照20萬t級集裝箱船單線航行兼顧10萬t級集裝箱船雙線航行進行設計。航道總長7 116.8 m，20萬t級集裝箱船單線航道設計底高程為-18.0 m，通航寬度280 m；10萬t級集裝箱船雙線航道設計底高程為-15.5 m，通航寬度420 m。

3.2 航道尺度

3.2.1 航道軸線

由于本設計屬于北航道通航水域的改造提升工程，天津港現有北航道通航水域通航多年、效果良好，從而驗證了現有航道通航水域軸線的合理性。同時受港池水域限制，為此航道軸線方位設計與原港池通航水域方位幾乎相同，僅在該基礎上進行拓寬、加深。

(1)與主航道相接的轉彎段：當轉向角不大于30°時，加寬方式宜采用切角法[12]。為此20萬t級集裝箱船單線航道采用切角法進行加寬。而10萬t級集裝箱船雙線航道的西邊線離東疆的海監基地碼頭較近，若采用切角法，則航道開挖會對碼頭結構穩定產生影響，因此采用折線切割法進行加寬。轉彎半徑均為3 000 m(為10萬t級集裝箱船設計船長的8.7倍、20萬t級集裝箱船的7.5倍)，滿足規范(3～5)船體長度的要求。

(2)與北航道相接的轉彎段：當轉向角大于30°時，加寬方式可采用折線切割法[12]。10萬t級雙線航道與20萬t級單線航道均采用該方法。轉彎半徑均取為3 000 m(10萬t級集裝箱船設計船長的8.7倍、20萬t級集裝箱船的7.5倍)，滿足規范(5～10)船體長度的要求。

3.2.2 航道設計水深

航道設計最高通航水位是航道規劃建設和跨河建筑物設計的重要參考依據，航道條件、設計船型尺寸及泥沙等都會對其產生影響[13-15]，航道水深按照下式計算

D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3

(2)

D=D0+Z4

(3)

表3 航道水深計算表Tab.3 Channel depth calculation

式中：D為航道設計水深；D0為航道通航水深；T為設計船型滿載吃水；Z0為船舶航行時船體下沉值；Z1為航行時龍骨下最小富裕深度；Z2為波浪富裕深度，由于船舶進港允許橫風風速小于等于7級，港池內掩護較好，波浪基本為港區內小風區生成的風浪，根據推算的波浪情況，H4%取1.3 m，Z2=0.5×1.3=0.65 m；Z3為船舶裝載縱傾富裕深度；Z4為備淤深度，港池內掩護條件好，無泥沙來源，取0.4 m。計算結果見表3。

根據表3，10萬t級航道設計底高程取-15.5 m，20萬t級航道設計底高程取-18.0 m。則10萬t級航道通航底面高程為-15.1 m，20萬t級航道通航底面高程為-17.6 m。

3.2.3 航道有效寬度

航道寬度按照下式計算[6]

W=2A+b+2c(雙線航道)

(4)

W=A+2c(單線航道)

(5)

A=n(Lsinγ+B)

(6)

式中：W為航道通航寬度；A為航跡帶寬度；n為船舶漂移倍數；γ為風、流壓偏角；c為船舶與航道底邊線間的富裕寬度。

計算得到10萬t級雙線航道通航寬度取為420 m，20萬t級單線航道通航寬度取為280 m。

3.2.4 航道歷時

航道長度 7 116.8 m，按平均航速 8 節計，航行時間約為 0.48 h，則每潮次船舶進出港所需時間按下式計算。

ts=Ks(t1+t2+t3)

(7)

式中：ts為每潮次船舶乘潮進出港所需持續時間；Ks為時間富裕系數；t1為每潮次船舶通過航道時間；t2為船舶在港內調頭時間；t3為靠離泊碼頭和解系纜時間；計算得到ts=1.63 h。

4 結論

隨著天津港深水航道和大型泊位建設的需求，近年來天津港北航道船舶大型化趨勢明顯，本文綜合分析北港池港口現狀及通航需求，提出了北航道設計通航標準，主要結論包括：

(1)北航道建設標準為：按照 20萬t級集裝箱船單線航行兼顧 10萬t級集裝箱船雙線航行進行設計。航道總長 7 116.8 m，20萬t級集裝箱船單線航道通航寬度 280 m；10萬t級集裝箱船雙線航道通航寬度 420 m。

(2)北航道區域疏浚提升完成后，滿足20萬t級集裝箱船全天候進出港要求，共耗時1.6 h左右。

(3)北航道經過疏浚提升后，10萬t級集裝箱船雙線航道的年通過能力為40 679艘次，可以滿足北航道船舶的通航要求。