臺州港龍門港區待泊、候潮錨位數量分析

劉春陽，杜木子，陳 琦

(1.寧波中交水運設計研究有限公司，浙江 寧波315100；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

龍門港區是臺州港“一港六區”的重要組成部分[1]，同時也是溫嶺市發展海洋經濟的獨特優勢和載體。近年來隨著龍門港區的整體開發穩步推進，龍門港區泊位數量不斷增加、港口吞吐量快速增長，龍門港區進港船舶數量也明顯增加。為了確保龍門港區的順暢運行，迫切需要建設配套錨地，以滿足船舶作業的需求。

龍門港區主要生產性泊位受到港區自然條件和航道條件的限制，主要船型需要乘潮進出港。在設計龍門港區錨地錨位數量時，需要同時考慮錨地待泊、候潮的功能，統籌協調錨地的總體規模，合理設置錨位數量。

關于錨位數量計算方法，《海港總體設計規范》[2]和《海港工程設計手冊》[3]均提出錨地的規模可根據反映船舶到港規律的排隊論模型進行計算。這種模型認為船舶到港規律及船舶在港作業時間遵守一定的數學分布，可以通過在港船舶保證率及泊位數量推算錨位數量，但只適用于計算待泊錨位數量。關于候潮錨地的錨位數量，目前行業內尚無權威性的計算方法。

對于候潮錨地錨位計算問題，連石水等[4]認為候潮錨地錨位數與潮汐特征、航道管理及船舶到港時間規律等因素有關；曾建峰等[5]在條帚門外錨地工程設計中，根據預測每日乘潮到港船舶流量配置候潮錨位。

本文從龍門港區實際條件和錨地待泊、候潮功能出發，提出了兼具待泊、候潮功能錨地錨位數量的設計方法和以候潮為主(純候潮或候潮+待泊)錨地錨位數量的設置方案，可為類似錨地工程設計提供參考。

1 龍門港區現狀條件

龍門港區主要業務集中在龍門港務公司，共有3個碼頭泊位，泊位總長328 m，可滿足1艘3 000噸級和2艘2 000噸級船舶同時停靠要求。2017年，因業務發展需要，碼頭等級由3 000噸級提升為減載靠泊5 000噸級船舶。龍門港區主要到港船型以5 000噸級及以下散貨、雜貨及集裝箱船為主。

航道條件方面，目前龍門港區進港航道為港區北側九洞門航道，航道寬度為70 m，海圖最小水深2.95 m，僅滿足在氣象海況良好情況下3 000噸級設計船型和減載靠泊5 000噸級限定船型乘潮單向通航要求。龍門港區南側進港航道工程正在建設中，該航道為減載5 000噸級單向航道，航道寬100 m，海圖水深7.6 m，保證率90%的乘潮水位為4.23 m(當地理論最低潮面)。該航道建成后，龍門港區將擁有開展夜航的條件。

2 待泊錨位數量的確定

根據國內外大量的資料證實，船舶到達符合泊松分布，我國日照港、大連港、天津港、秦皇島港、青島港、上海港等港口的船舶到達均遵從泊松分布。每艘船在港裝卸服務的時間則遵循負指數分布、K階愛爾蘭分布或定長分布。根據此前提，龍門港區待泊錨位數量的計算可以采用《海港工程設計手冊》中推薦的M/M/S排隊論模型計算，其表示的是：船舶到達為泊松分布，占用碼頭時間為負指數分布，泊位數量為S個。

(1)

(2)

(3)

令在港出現n艘船的保證率Qn為：

(4)

因此可以設置保證率，求出相應在港(包括港內和錨地)船舶艘數n，則錨地待泊錨位數An為：

An=n-S

(5)

根據龍門港務公司2019年3月—2020年3月船舶到港的情況分析，平均每天到港船舶1.97艘、平均每艘船占用泊位0.89 d，為達到錨地建設成本與港區生產效率的最佳匹配，可在保證率90%～99%范圍內取值。本工程令Qn=95%，計算得到船舶艘數為6艘，即需要3個待泊錨位。

3 候潮錨位數量的確定

3.1 候潮錨位數量的理論計算方法

關于候潮錨地的錨位數量，目前行業內尚無權威性的計算方法。在通常情況下，由于候潮船舶靠船的頻率較低，一般不需要考慮候潮船舶乘潮進港后等待泊位的情況。可以認為候潮錨位數量主要受船舶到港規律和潮汐特征的影響，忽略船舶在港裝卸時間和泊位數量的影響。另外還需考慮夜間航行管理要求的影響，當航道允許夜間通航時，一般只要潮位合適，船舶即可于夜間進出港；如果不允許夜航，夜間來船需要更長時間等待。

綜上，候潮錨地錨位數應綜合考慮潮汐特征、航道乘潮保證率、航道管理、乘潮船舶數量及船舶到港時間規律等因素，候潮錨地錨位數Mω1及在港乘潮船舶的保證率Qω1為：

Mω1=ω1ε1ε2

(6)

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式中：ω1為保證率90%～99%時對應在港乘潮船舶數量；ε1為潮汐特征影響系數；ε2為航道夜航管理影響系數；Qω1為在港有ω1艘乘潮船舶的保證率，即到港少于和等于ω1艘乘潮船舶的概率之和，參照待泊錨地錨位數計算時保證率，取90%～99%；P(k)為在港有k艘乘潮船舶的狀態概率。

其中ε1與根據逐時潮汐數據統計分析得到的保證率90%的連續不能乘潮進出港時間t有關，ε1=t/24，當t≤24 h時ε1取1.0；當進港航道允許夜航時，ε2取1.0，當進港航道禁止夜航時ε2=1+12/t，當t≤24 h時ε2取1.5。

為簡化計算，取港區乘潮進出港船舶到港規律與港口所有船舶到港規律一致，服從泊松分布，則在港口有k艘乘潮船舶的狀態概率Pk為：

(8)

式中：γ為平均每天到達的乘潮船舶艘數，應按乘潮船舶年運量、船舶的實際載貨量、泊位年可運營天數等因素綜合考慮。

3.2 龍門港區候潮錨位數量的計算

根據龍門港務公司2019年3月—2020年3月船舶到港的情況分析，3 000噸級及以下乘潮船舶每天到達約1.27艘；5 000噸級乘潮船舶每天到達約0.7艘。令保證率Qω1=95%，根據3.1節所述理論計算公式計算得到：3 000噸級乘潮船舶ω1=3，5 000噸級乘潮船舶ω1=2。根據龍門港區2018年全年潮位歷時過程數據，統計得到潮位歷時曲線見圖1。

圖1 龍門港區2018年全年潮位歷時曲線

船舶乘潮水位按龍門港區南航道乘潮歷時1.0 h、保證率90%的水位4.23 m(當地理論最低潮面)分析，得到全年連續不能通航的時間及累計頻率，見表1，航道保證率90%對應的連續不能乘潮進出港時間t約為12 h，取ε1=1。

表1 龍門港區進港航道連續不能通航時間及頻率

其中連續不能通航的時間在計算時應考慮到兩種情況：

1)當某一時間點Ti(i=1，2，…)的航道水位Hi低于乘潮歷時N的乘潮水位HN，則Ti時刻的連續不能通航時間為第1次高于HN且其后N內水位均高于HN的時刻與Ti時刻之間的時差。

2)當某一時間點Ti(i=1，2，…)的航道水位Hi高于乘潮歷時N的乘潮水位HN，如果第1次航道水位低于HN的時刻在N之后，則連續不能通航時間為0；否則Ti時刻的連續不能通航時間為第1次高于HN且其后N內水位均高于HN的時刻與Ti時刻之間的時差。

考慮到南航道開通后，龍門港務公司碼頭已經具備夜航條件，因此本錨地計算按允許夜間通航考慮，ε2=1。因此3 000噸級及5 000噸級乘潮船舶所需錨位數量計算結果見表2。

表2 各船型所需候潮錨地錨位數量

根據上述計算結果，3 000噸級及以下普通貨船需3個乘潮錨位，5 000噸級及以下普通貨船需2個乘潮錨位。經過與龍門港區目前實際候潮錨位需求的對比，認為本文所應用的理論計算方法能夠較好地體現候潮錨位的需求。

4 錨泊綜合需求分析

本文所研究的龍門港區配套錨地除了待泊、候潮作用外，還考慮外輪及大型船舶引航的使用需要。考慮到引航與候潮、待泊常常為同一連續的過程，而候潮、待泊錨位設置的保證率均取95%的較大值，因此可不單獨設置引航錨位，與待泊錨位、候潮錨位共用。

綜合以上論述，龍門港區配套錨地錨位數量將主要由待泊錨位和候潮錨位二者共同確定。待泊錨位與候潮錨位計算中，到港船舶規律均遵循泊松分布，且船舶到港(在港)保證率均取95%，考慮到大部分主力到港船型(3 000噸級與5 000噸級)均須乘潮，進錨地船只基本均以候潮為主(純候潮+候潮且待泊)，純待泊發生概率較小，因此在保證率一致的情況下，錨位數量考慮取待泊錨位數與候潮錨位數中的較大值，即候潮錨地錨位數量。

根據理論計算，龍門港區配套錨地所需待泊錨位計算值為3個，所需候潮錨位計算值為5個，因此錨地總錨位定為5個，其中3 000噸級及以下普通貨船錨位3個、5 000噸級及以下普通貨船錨位2個。

5 結語

1)通過采用排隊論模型及連石水等對候潮錨位數量研究公式進行綜合分析，得出了龍門港區配套錨地所需待泊錨位和候潮錨位計算值，總錨位數量取待泊錨位及候潮錨位計算值中的大值，為5個。

2)由于規范及設計手冊中所列錨位計算方法僅適用于計算待泊錨位數量，無法為候潮錨位數量的計算提供依據。通過龍門港區配套錨地的實際案例分析，驗證了錨地所需候潮錨位數量可根據綜合考慮船舶到港規律、潮汐特征、航道管理等因素的公式Mω1=ω1ε1ε2計算確定。

3)本文可以為龍門港區配套錨地的錨位數量的確定提供依據，減少錨地過度建設造成的資金浪費，同時可以降低錨地建設過少帶來的船舶作業風險。龍門港區配套錨地在后期實際運營過程中，可考慮到港船舶實際情況及錨地使用情況，進一步評估錨位數量的合理性，并預留后續拓展錨位數量的條件。

4)本文可為港口錨位的計算提供參考。對于同時擁有待泊及候潮功能的錨地，錨位數量應由待泊錨位和候潮錨位二者共同確定，對于進錨地船只以候潮為主(純候潮或候潮+待泊)的錨地，在保證率一致的情況下，錨位數量可以考慮取待泊錨位數計算值與候潮錨位數計算值中的較大值。