大型水利樞紐航運通過能力適應性分析

朱勤 張志堅

摘要：為了研究大型水利樞紐通航建筑物建設規模，合理擬定建筑物尺寸，建立了通過能力適應性分析理論，研究了水利樞紐航運通過能力的評價指標及分析方法，提出了通過能力適應性劃分的建議值，評價典型大型水利樞紐通航建筑物服務水平和通過能力適應性。以三峽水運新通道為例，研究了運輸能力利用率指標，各方案通過能力適應性分別為38%～100%，推薦方案280 m×40 m;研究了閘室利用率指標，基于TOPSI分析法計算得出280 m×34 m，280 m×40 m方案適應性較好;研究了船舶待閘時間指標，有效閘寬40 m船閘方案的船舶待閘時間相對較短。綜合分析，推薦280 m×40 m方案，可在未來一段時間滿足運能供給與需求總量適應性以及運輸服務質量的供需適應性要求。研究成果可為樞紐通航建筑物規模確定提供技術支撐。

關鍵詞： 航運通過能力; 大型水利樞紐; 評價指標; 適應性分析; 三峽水運新通道

中圖法分類號：U641 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.013

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0074 - 05

0 引 言

開展通航建筑物設計工作前，必須確定通航建筑物規模這一重要指標。科學制定通航建筑物規模，將直接關系到工程項目的經濟合理性和航運的長遠發展。在通航建筑物規模研究中，不僅要遵循國家及地方各級主管部門制定的河流和區域的規劃，也要遵守根據國民經濟建設發展需要編制的內河通航標準、船閘總體設計規范等綱領性文件。主要影響因素包括設計水平年及其過壩運量需求、運輸船型與船隊發展趨勢以及通航建筑物有效尺寸和線數方案等。本文以三峽水利樞紐航運擴能項目三峽水運新通道為對象，開展大型水利樞紐航運通過能力適應性研究，提出船閘通過能力適應性分析評價指標、計算方法與建議值，在過閘運量預測與不同船閘設計方案基礎上評價船閘通過能力適應性，合理確定新建船閘規模。

本文研究船閘通過能力適應性分析的評價指標及計算方法，提出通過能力適應性劃分的建議值，綜合分析三峽水運新通道預測運量及船閘通過能力，評價船閘通過能力適應性。

1 通過能力適應性概念與研究方法

水路基礎設施項目建設規模大、建設周期長，并且配套性強，需在時間上居先于其他直接生產性投資。因此，這類基礎設施的通過能力供給與運量需求互依互存、相互制約、協調發展。通過能力既能抑制運量需求，也能刺激運量需求，運量需求疲軟會抑制能力供給，活躍會刺激能力供給，這種供求雙向互動關系稱之為通過能力的適應性。從基礎設施建設的特點看，水路、公路、鐵路項目的供需適應雙方都在彼此相互作用的運動中不斷磨合，形成良性、和諧的共生狀態，通過能力的適應性是動態的、可持續的。但是，水利樞紐作為具有通航功能的水運設施之一，項目選址條件更為苛刻，對運輸能力供給應預留一定的發展空間。

國內學者已在通過能力研究方面開展了大量工作，提出通過能力分析計算原理[1]，對影響船閘通過能力的諸多因素進行了研究[2-3]，而適應性理論一般多用于公路和鐵路運輸系統[4-6]，水運系統的適應性研究較少。本文結合通航建筑物適應性特點，按照代表性、可量化的原則選取了樞紐通過能力與需求總量適應性分析量化指標、運輸服務質量供需適應性分析量化指標，運用隸屬函數、TOPSIS法等方法對大型水利樞紐航運通過能力適應性進行了分析研究。

2 評價指標研究

2.1 評價要素

基于樞紐通過能力供給與運輸需求之間的相互制約和激勵彼此適應的內涵和特點，確定以下供需適應性的分析要素。

（1） 樞紐運能與需求總量適應性分析。樞紐通過能力與需求總量之間的適應性是指運輸能力供給與運輸需求在總數量上的匹配程度。這種總量的適應性從宏觀層面上直觀反映了樞紐通過能力的適應性狀態，也是供需適應性的基本體現要素。從促進社會經濟發展的角度出發，樞紐航運通過能力規模要盡量滿足運輸需求的數量要求。否則，運輸需求受到過分抑制，將導致運輸需求在各運輸方式之間的不合理配置，造成社會資源的總體浪費，致使經濟和社會發展受限。

（2） 運輸服務質量適應性分析。對于水利樞紐而言，運輸服務質量指的是船舶通過樞紐通航建筑物系統時獲得的服務品質，即運輸經濟性、時間性、便捷性、安全性等方面的實際優劣程度。樞紐航運供給與需求均包含運輸服務質量的要求，而隨著經濟社會的發展，運輸服務質量的供給與實際要求之間必然會存在不匹配的情況，這種差異在很大程度上反映或說明了運能供需適應性狀況。因此，從運輸服務質量的角度進行適應性分析是必要的。

2.2 評價指標

2.2.1 樞紐通過能力與需求總量適應性分析量化指標

從運輸能力供給與運輸需求總量的匹配程度出發，運輸能力利用率和閘室有效利用率這兩項指標可充分反映供需總量適應本質特性，且易于獲取、易于量化。

（1） 運輸能力利用率。運輸能力利用率是指運輸需求量占樞紐通過能力的比率。該項指標通過運輸需求與通過能力間的相對偏差來度量運能供給與需求總量的適應性。運輸能力利用率高指運輸能力在當前運輸需求狀態下得到了充足發揮，樞紐運輸負荷較大，無能力虛糜現象;反之則說明路網運輸能力未得到充分有效利用，存在運輸資源閑置狀況，造成運輸資源浪費。運輸能力利用率計算如下：

（2） 閘室有效利用率。閘室利用率作為船閘運行中利用程度的參數，涉及過閘船舶尺度、閘室規模和船舶標準化程度，也與船舶到達的統計分布及船閘的繁忙程度等有關，反映了航道（段）上的船舶組成結構及船閘運行、調度和管理的適應性。閘室有效利用率計算公式如下：

2.2.2 運輸服務質量供需適應性分析量化指標

鑒于目前長江干流的通航建筑物均為免費使用，從工程運行實際情況看，可通過船舶待閘時間來衡量貨運能力在供需服務質量上的適應性。船舶待閘時間長，勢必會延長運輸周期，不僅直接給運輸需求主體帶來相對較多的運輸費用，還會帶來較大的間接成本，造成運輸服務質量差，時效性和經濟性不佳。反之，船舶待閘時間越短，則運輸需求主體需要支付的運輸成本越少、經濟性越好，運輸服務質量越高。然而，待閘時間過短，也會影響樞紐通航建筑物的調度運用，造成資源浪費。

3 應用實例

本文以三峽水運新通道工程為實例，開展相關分析與模擬計算。

（1） 船閘尺度方案。三峽水利樞紐已建五級船閘，設計通過能力5 000萬t，因運輸需求增長擬再新建船閘。結合既有船閘實際運行情況、通航船舶現狀與規劃等，船閘尺寸方案初擬為：寬度方案34 m和40 m兩類;長度方案280，320，360 m和400 m四種，由此初擬船閘平面尺度8個，見表1。

（2） 運輸需求預測。運量預測成果采用“十三五”國家重點研發計劃項目重大水利樞紐增建和改建通航建筑物關鍵技術及示范課題研究結論，預測2030年以及2050年三峽水利樞紐過閘貨運量預測結果分別為19 219萬t和27 255萬t。

（3） 設計代表船型。考慮三峽水運新通道建設時機、中游航道條件改善情況、新船閘尺度（寬度）對過閘船型的影響、新船閘與既有船閘協調運行以及江海直達運輸過壩等，擬定4組船舶組合，在研究中推薦船型構成方案為：3 500～6 500噸級，船寬16.3 m的船型約占17%;5 500～7 500噸級，船寬16.3 m的船型約占42%;7 500～9 000噸級，船寬19.2 m約占20%;其余船型約占21%。

3.1 既有船閘適應性分析

3.1.1 運輸能力利用率

借鑒國內外公路服務水平分級標準，以運輸能力利用率K作為判斷能力適應性的標準：K<65%為空閑; 65%≤K≤80%為適應; K>80%為緊張。

按既有船閘設計能力5000萬t分析，自2003年建成以來通過能力分為3個階段：① 2003～2006年交通流量負荷比小于60%，船閘通過能力處于空閑狀態;② 2006～2009年交通流量負荷比為60%～80%，船閘通過能力處于適應狀態;③ 2010年以后，交通流量負荷比大于80%，船閘通過能力處于緊張狀態。這種階段的劃分情況與實際情況基本符合。既有船閘能力利用率如圖1所示。

3.1.2 閘室利用率

從國內船閘運行情況看，船閘閘室平均利用率多在70%～85%之間，一般大型且特別繁忙的船閘利用率處于這一區間的上限。按既有船閘運輸量、船舶運輸調度等分析，其實際閘室利用率為70%～77%，如圖2所示。

3.1.3 船舶待閘時間

結合已有研究成果，船舶理想的待閘時間大約為10 h。既有船閘自運行以來的船舶待閘時間統計情況見圖3。自2008年以來，船舶待閘時間猛增，由17 h增至2018年的151 h，船舶待閘時間逐步增長，船舶服務水平下降，運輸成本增加，對船舶運輸造成極為不利的影響。

3.2 新建船閘適應性分析

為適應航運需求，從前述的船閘閘室利用率和船舶待閘時間看，既有船閘通過能力已開始滯后于過閘運輸的需求。為了滿足未來的年單向通過能力8 650萬t，通過分析新建不同尺寸船閘方案的運輸能力利用率、閘室利用率和船舶待閘時間，選擇最優的閘室尺寸方案。

3.2.1 運輸能力利用率

結合2020～2050年各年度過閘運量預測值和不同船閘尺寸下運輸能力等，計算運輸能力利用率成果見圖4。

進一步引入模糊數學有關隸屬函數（式（3））的相關概念，計算長系列運行適應性指標（式（4），表2）表明，無論是2020～2050年系列，還是2030～2050年系列，其運行適應性指標均以船閘280 m × 40 m方案適應性最好。

式中：x為運輸能力利用率;a取值為0.6;b取值為0.8。

長系列運行適應性指標=[滿足適應性的年數運行年數×100%]

3.2.2 閘室利用率

采用仿真模型分析，依次以2030，2040，2050年的運量預測成果為基礎，計算不同尺寸船閘方案的閘室利用率（表3）。然后引入 “逼近于理想值的排序方法” （TOPSIS），分析閘室利用率的適應性，即確定各項指標的正理想值的歐氏距離（D+）和負理想值的歐氏距離（D-）（正理想解是一設想的最好值（方案） ，負理想解是另一設想的最壞值（方案）），然后求出各個方案正理想值、負理想值之間的加權歐氏距離，以得到各方案與最優方案的接近程度（相對貼近度C），通過對其排序（表3）評價方案優劣。分析中最好的正理想值、最壞的負理想值是通過參考既有船閘運行經驗而得到的、結合既有船閘運行服務經驗和未來船舶發展規劃，并以閘室平均利用率75%作為判別條件[7]。由于運量預測成果具有一定不確定性，而三峽水運新通道建設周期長，投資大，因此在確定規模時應有一定的前瞻性，研究中一般以通過能力的80%作為邊界條件，綜合考慮本文最好的正理想值、最壞的負理想值分別為60%和47%。

正理想值的歐氏距離[D+]、負理想值的歐氏距離D-的計算公式分別見公式（5）和公式（6）：

從表3中的相對貼近度排序分析可知，有效長度280 m的船閘方案的閘室利用率貼進度高，適應性較好。

3.2.3 船舶待閘時間

借助仿真模型，統計未來長系列中2030，2040，2050年不同閘室尺寸方案的船舶待閘時間（表4），以理想船舶待閘時間小于10 h衡量[8-9]，有效閘寬40 m船閘方案的船舶待閘時間相對較短，適應性較好。

3.3 結果分析

綜合運能供給與需求總量適應性分析量化指標（運輸能力利用率、閘室利用率）和運輸服務質量的供需適應性分析量化指標（船舶待閘時間），分析結果如下：

（1） 從運輸能力利用率分析成果來看，不同船閘尺度的通過能力適應性為38%～100%，綜合分析，方案280 m×40 m適應性最好。

（2） 從閘室利用率來看，采用TOPSIS法分析，依照相對貼近度的大小對目標進行排序，有效長度280 m船閘方案閘室利用率貼進度高，適應性較好。

（3） 從船舶待閘時間來看，有效寬度40 m船閘方案船舶待閘時間較短，適應性較好。

綜上所述， 280 m×40 m船閘方案的適應性最佳，可在未來一段時間內滿足運能供給與需求總量適應性以及運輸服務質量的供需適應性要求。

4 結 語

本文建立了船閘通過能力適應性分析理論，研究評價指標及計算方法，提出了通過能力適應性劃分的建議值。結合三峽水運新通道預測運量及船閘通過能力研究成果，從運能供給與需求總量適應性、運輸服務質量的供需適應性等方面來研究樞紐通過能力的適應性。分析了樞紐通過能力適應性的概念、特點以及適應性指標的選取以及評價方法，初步分析選取了運能供給與需求總量適應性分析量化指標——運輸能力利用率、閘室利用率和運輸服務質量的供需適應性分析量化指標——船舶待閘時間，分析不同尺度船閘的適應性情況。

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（編輯：李 慧）