过闸船舶吃水控制标准对三峡船闸通过量的影响

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【摘 要】 针对三峡船闸运行以来，过闸货运量快速增长，过闸船舶大型化趋势明显的问题，建立三峡船闸通过量与过闸船舶吃水控制标准关系数学模型，并以2010年过闸船舶数据为基础，测算不同吃水控制标准条件下的船闸通过量，提出利用三峡河段丰富的水资源优势，合理挖掘船舶吃水深度潜力，充分发挥过闸船舶的装载能力，进而有效提高三峡船闸通过量的建议。

【关键词】 航运；船舶；三峡船闸；吃水控制标准；通过量

自2003年三峡船闸双线五级船闸正式投入运行以来，过闸货运量快速增长，2011年仅上半年就达到万t，年均增长14.8%。随着国家发展战略的布局调整，沿江经济的平稳较快发展，过闸货运需求将继续快速增长。预计2012年过闸货运量将超过三峡船闸的设计通过量。2008年4月，重庆市提出运力结构发展政策，逐步淘汰 t级以下船舶。受政策引导和市场调节机制影响，过闸船舶大型化趋势明显。随着船舶大型化的发展，船舶吃水深度也逐渐增加， t级以上船舶吃水一般达到3.5 m， t级以上的船舶吃水普遍超过3.7 m， t级干散货船满载吃水达6 m。船型大型化对过闸船舶吃水控制提出越来越高的要求。得益于船型标准化政策，大型船舶所占比例增加，过闸货船平均吨位从2003年的 t，提高到2010年的。在船型大型化前提下，挖掘过闸船舶吃水深度潜力，可充分发挥船舶装载效率，进而有效提高三峡船闸通过量。为验证过闸船舶吃水控制标准对三峡船闸通过量的影响，利用航海经验公式建立计算模型进行测算。

1 三峡船闸设计通过量及吃水控制现状

1.1 设计通过量及运行现状

《船闸总体设计规范》提出的年单向过闸通过量计算公式为：

P＝（n－n0） N G / （1）

式中：P为过闸货运量，t；n为日均过闸次数，次；n0为非客、货运船舶过闸次数，次；N为通航天数，d；G为一次过闸平均吨位，t/闸； 为船舶装载系数； 为运量不均匀系数。设计水平年为2030年，槛上水深，年单向通过量万t。

由式（1）可知，三峡船闸通过量主要取决于日运行闸次、年通航天数、一次过闸船舶平均吨位以及船舶装载系数。在现有船闸运行工况及船型组合下，五级运行情况下每线船闸日运行不超过15闸次，四级运行时每线船闸日运行不超过16闸次，已无提高可能。三峡船闸自运行以来每年通航天数均超出335 d的设计指标，考虑到船闸设备检修、三峡河段气候、水文等影响因素，进一步提高的可能性也不大。一次过闸船舶额定载重吨位由2003年的提高到2010年的 t，平均每年增长8.18%。多年来，船舶平均装载系数维持在70%左右，在大型船舶越来越多的情况下，呈现下降趋势。

1.2 过闸船舶吃水控制现状

根据三峡河段特征，通航管理部门过闸船舶吃水控制标准时主要考虑船闸能通过的最大吃水和三峡河段航道富余水深情况。

（1）《船闸总体设计规范》规定的吃水控制标准。《船闸总体设计规范》规定H/T≥1.6，其中：H为门槛最小水深，T为设计船舶（队）满载时的最大吃水。根据2008年交通运输部专题会议纪要，通航管理部门可按《内河通航标准》和《船闸总体设计规范》执行通过三峡船闸的船舶吃水。船闸门槛最小水深随上下游水位组合情况及船闸运行情况发生变化。2008年以来的统计资料显示，最小槛上水深低于5.5 m的属于极个别情况，允许过闸船舶的吃水一般超过。

（2）航道富余水深标准。《船舶航行富余水深的规定（试行）》规定川江富余水深不小于0.3 m；中下游富余水深不小于0.2 m；装载危险货物时另加。统计数据显示，三峡河段航道（三峡坝上、两坝间、葛洲坝以下大江航道）全年维护水深为4.5 m，而主航道维护水深也常年在4.5 m或以上，因此船舶通过三峡河段航道吃水可按4.2 m控制。

下文将测算三峡船闸在船舶吃水按照H/T ≥1.6或H/T≥1.5要求控制时的通过量，以及吃水按照常年或4.2～分段控制时的通过量。

2 通过量测算模型

（n－n0）NG / 经过换算后等于选取的运行时段内三峡船闸所有过闸船舶货运量总和。船舶货运量是排水量的重要组成部分，根据阿基米德原理，单船某航次排水量表述为：

D＝W0＋∑Pcargo＋∑Pstor＋∑Pconst（2）

式中：W0为空船重量（包含船体结构、动力装置、舾装设备、仪器设备等固定重量），t；∑Pcargo为船舶实载货运量，t；∑Pstor为船舶航次储备（主要包含燃料、润料和淡水，其大小按航次时间、补给方案及航次储备天数确定），t；∑Pconst为船舶常数（主要包括船员、食物、船上垃圾、废料和杂物以及船外船体粘附生物等），t。从船舶每航次过闸情况来看，W0，∑Pstor， ∑Pconst均可认为是一常数，此时 D≈ ∑Pcargo，即单船每航次通过量的变化幅度可由排水量变化值来表示。以下以 D作为船舶货运量变幅。

船舶排水量计算如下：

D＝ V＝ Aw（z）dz（3）

式中：V为排水体积，m3；d为船舶吃水，m；Aw（z）为船舶吃水z（0～d范围内）处的水线面积，m2； 为水体密度，t/m3，淡水 取1.000 t/m3。

当船舶装载吃水由d1变化为d2时，货运量变幅可表述为：

D＝ Aw（z）dz（4）

在测算通过量时，吃水低于控制标准的船舶可以按实际情况对待，高于吃水控制标准的船舶，必须对该船舶扣除吃水降低到控制标准的一部分货运量，则得到在吃水控制标准d0情况下的船闸通过量测算模型：

W＝Wj＋[Wi－ Awi（z）dz]（5）

式中：di为船舶吃水，m；Wi为过闸船舶中吃水大于d0的船舶运量，t；Wj为过闸船舶中吃水不大于d0的船舶运量，t；K为过闸船舶中吃水不大于d0的船舶数量，艘次；N为过闸船舶中吃水大于d0的船舶数量，艘次；Awi（z）为第i艘吃水高于d0的船舶吃水z（d0≤z≤d1）处的水线面积，m2。基于安全因素，为防止出现过闸船舶超长或超宽损坏船闸设备设施的情况，通航管理部门安排船舶过闸时一般采用船舶的实际过闸面积。船舶的过闸面积乘以水线面系数（Cw）即得到水线面积。

从调研结果看，过闸货船以平底型、肥大型为主，因此可用梯形积分法，该模型表述为：

W≈Wj＋[Wi－Bi（LiCwi＋L0Cw0）（di－d0）/2]（6）

式中：Li，L0分别为船舶吃水di和d0处对应水线长，m；Bi为型宽，m；Cwi为船舶在吃水di状态下的水线面系数，随吃水的增加而增大，一般为0.6～0.9。据统计，73%以上过闸船舶水线面系数在0.7以上。

3 典型吃水条件下的船闸通过量测算

3.1 计算参数选取情况

选取三峡船闸2010年的过闸船舶数据作为研究对象，以下行船舶为例，通航天数按设计335 d计，此期间共运行闸次，日均运行13闸次，通过船舶艘次，其中货运船舶艘次，过闸船舶总载重万t （见表1）。

3.2 模型测算结论

（1）以实际最小槛上水深为参考，吃水按H/T≥ 1.6，H/T≥1.5要求控制时三峡船闸通过量。按照每日实时水位，得出2010年最小槛上水深5.5～6.0 m的有81 d，6.0 m及以上的有284 d，求得相应的吃水控制标准情况见表2。最小槛上水深为5.7 m，按H/T ≥1.5则吃水最小值为3.8 m；按H/T≥1.6最小值为3.6 m。经模型测算，过闸船舶吃水按H/T≥1.5控制时，年单向通过量为万t；按H/T≥1.6控制时，年单向通过量为万t。

（2）吃水按常年4.2 m或4.2～4.5 m分段控制时三峡船闸的通过量。在现有船型条件下，吃水按常年控制时，测算年单向通过量为万t。假设最小槛上水深5.0～5.5 m时过闸船舶吃水按4.2 m控制，水深5.5～6.0 m时吃水按4.3 m控制，水深6.0 m及以上时吃水按4.5 m控制（即4.2～分段控制），经测算，年单向通过量为。

近年来，载重 t及以上的货运船舶（满载吃水一般大于4.2 m）以平均每年翻一番的速度增长（2008年、2009年、2010年分别为700艘次、艘次、艘次），船舶的营运效率得到很大的提高。由表1可知，当前过闸船舶中满载吃水4.2 m及以上的船舶仅占总过闸面积的9.47%，如果这一比例继续扩大，过闸面积扩大到过闸船舶总面积的30%左右，而吃水3.13 m以下的船舶所占面积降低到10%左右，吃水按4.2 m控制，测算年单向通过量为万t；吃水按4.2～4.5 m分段控制，年单向通过量可达万t。

4 结 语

科学合理地挖掘船舶吃水深度潜力，充分发挥三峡河段航道、船闸闸槛水深优势，在保障船舶航行安全和船闸运行安全的前提下，尽量减少吃水控制标准对过闸船舶装载效率的限制，是在大型船舶日益增多的情况下提高三峡船闸通过量的有效途径。综上分析，过闸船舶吃水控制标准对三峡船闸通过量的影响是巨大的，如能将吃水控制标准提高为按4.2～4.5 m分段控制，经测算三峡船闸年单向通过量有望比设计值提高约万t，可产生巨大的社会效益，将对沿江经济，特别是长江中上游地区的经济发展起到重要推动作用。