通航水域承載能力模型研究

劉暢, 李響

(交通運輸部水運科學研究院, 北京 100088)

0 引 言

近年來,游船安全事故時有發生。2019年7月20日,在松花江哈爾濱段濱州鐵路橋附近,一艘夜航游船與一艘貨運船相撞,導致游船左前部受損嚴重,并造成多名游客受傷入院。2021年5月2日,甘肅劉家峽水庫兩艘游船相撞造成1死16傷。為從根本上降低此類安全事故的發生概率,保障船舶航行安全和游客生命財產安全,需要采取切實可行的措施,其中包括科學合理地確定通航水域內船舶(游船)的最大數量。

以往的關于通航水域內船舶(游船)最大數量的相關研究主要以碼頭靠泊能力、生態環境保護、航道承載力等為約束因素。高嵩等[1]從碼頭最大靠泊能力分析入手,計算了普陀山客運航線上船舶最大數量;劉芳等[2]從生態保護方面,確定了嘉峪關市水環境承載能力;包秀鳳[3]從環保入手確定了閩清縣梅溪流域水資源承載能力;張喜峰等[4]從生態紅線出發分析確定了龍江縣區域水資源承載能力;趙藝為等[5]提出長江航道承載力的概念,涉及船舶數量研究,以保證生態效益等需求;馬馳等[6]分析了長江下游航道承載力,涵蓋船舶數量研究,以表征在生態安全的前提下區域內航道的可開發能力;楊坤[7]進行了青島市大沽河干流流域水環境承載力研究。

綜合來看,以往的研究未對影響船舶通航安全的各類環境因素、船舶自身因素加以考量,缺乏對在保證安全的前提下通航水域所能容納的船舶(游船)的最大數量的研究。因此,本文開展通航水域承載能力模型研究,提出通航水域承載能力的概念,用以表征通航水域在保證安全的前提下所能容納的船舶(游船)的最大數量。

1 通航水域承載能力概念及建模理論

2019年修訂施行的《中華人民共和國內河交通安全管理條例》指出,內河通航水域是指由海事管理機構認定的可供船舶航行的江、河、湖泊、水庫、運河等水域[8]。通航水域分類見圖1。

圖1 通航水域分類

結合通航水域和船舶實際,采用模型對通航水域承載能力進行計算是科學、合理、有效的研究手段。為計算通航水域承載能力,需建立通航水域承載能力模型。通航水域承載能力亦可表征船舶最大密度。

現有關于船舶通航安全的理論包括避碰領域[9]和船間效應[10]。避碰領域是指航行中的船舶周圍的安全緩沖領域,他船進入該領域內就認為有碰撞的危險。避碰領域包括3種形狀,見圖2。避碰領域主要針對航道航行船舶,主要為避免船舶追尾,因此避碰領域長度大于寬度。對于同一艘船,3種避碰領域長度相同,均為8L(L為船長)。船間效應是指兩船在近距離航行(對駛會船、追越或駛近系泊船)時,船舶之間流體作用所導致的船舶互相吸引、排斥、轉頭和波蕩等現象。若兩船避碰領域不存在交叉,則船間效應較弱。

(a)橢圓形避碰領域

在開闊水域航行的游覽船、游覽艇等經常存在掉頭行為,因此對這類船舶不應只側重考慮前后方向避碰,而應綜合考慮各方向的避碰。本文對橢圓形避碰領域進行范圍擴展,構建主要針對開闊水域船舶的圓形避碰領域,見圖3。

圖3 圓形避碰領域示意圖

為建立通航水域承載能力模型,本文提出船舶密集排布理論,即以避碰領域作為排布單元進行密集排布。在航線水域,每條航線上矩形避碰領域首尾相接,沿航線方向進行排布,見圖4。在開闊水域,借鑒金屬晶體原子堆積理論[11],多個圓形避碰領域相接,見圖5。圓形避碰領域布滿該開闊水域后,中心排布單元的配位數為6。以中心排布單元的圓心作為中心,作外接此7個圓形避碰領域的正六邊形,稱此正六邊形為排布六邊形。整個開闊水域排布六邊形的數量,可近似用開闊水域面積除以排布六邊形的面積得出。密集排布后的避碰領域數量為通航水域承載能力。

圖4 航線水域船舶密集排布(雙線航道)

圖5 開闊水域船舶密集排布

2 通航水域承載能力模型的構建

2.1 通航水域承載能力的影響因素

計算通航水域承載能力,需要確定航線水域參數(包括航道等級、長度、線數等)、開闊水域參數(包括水域面積)、船型參數(包括各船型船長及數量占比)等。

通航水域承載能力的影響因素有6個:航道/水域、碼頭、過河建筑物、天氣、船速和船舶技術。利用模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process, FAHP)[12]按“目標層、準則層、指標層”對通航水域承載能力影響因素進行分解:目標層[13]為通航水域承載能力計算;準則層[14]包括航道與水域環境、船舶;指標層[15]包括上述6個影響因素的影響性。由于準則層內“航道與水域環境”的側重點與“船舶”的側重點不同,二者的權重系數難以比較,故假定二者的權重相同[16]。分別用B1、B2、B3、B4、B5、B6表示航道/水域、碼頭、過河建筑物、天氣、船速和船舶技術的影響性,B1、B2、B3、B4之間的優先關系矩陣和B5、B6之間的優先關系矩陣分別為

將F1和F2分別改造成模糊一致性矩陣[17]:

利用層次單排序中各指標相對權重的計算公式得到各指標的相對權重,利用準則層指標權重一致性原則計算出綜合權重,見表1。

表1 通航水域承載能力計算指標權重

2.2 通航水域承載能力模型構建

通航水域承載能力模型總體采用分段函數的形式,對航線水域和開闊水域[18]分別選擇不同的計算公式:

式中:N為通航水域承載能力,艘;Li為通航水域內i型船的船長,m;αi為通航水域內i型船占比(詳見模型使用方法);m為船型種類數;n為航道線數,單線通航為1,雙線通航為2;S為航道長度,m;M為開闊水域面積,m2;v為船速,km/h;wj為Bj的綜合權重,δj為Bj的修正幅度,j=1,2,…,6。

對公式做如下解釋說明:

(2)在開闊水域,當船速較小時,無論船長大小,船舶都較容易控制,故第3個子公式中忽略了船長因素,按船速進行計算。在這種情況下,通航水域承載能力的計算亦可選擇第2個子公式。

2.3 通航水域承載能力模型參數標定

在通航水域承載能力模型使用過程中,應基于所研究對象的客觀情況,確定Li、αi、m、n、S、M、v;6個影響因素的綜合權重上文已確定(見表1);修正幅度δj(j=1,2,…,6)需依據表2,進而根據實際情況及專家評價在表3中進行取值;將wj(j=1,2,…,6)、δj(j=1,2,…,6)、Li、αi、m、n、S、M、v依據情況代入通航水域承載能力公式,可得出通航水域承載能力N。

表3 各指標修正幅度分段點取值

對水域內各種類型船舶的總長及其占比的確定,應以當前正常營運的各種類型船舶的總長及其占比為基本依據,同時考慮未來發展或既定規劃中各種類型船舶的總長及其占比。因為目前通航水域內的船舶數量一般未達到其承載能力,各種類型船舶占比將發生動態變化,所以計算面向未來的通航水域承載能力時,應綜合考慮各種類型船舶的總長及其占比。

對表3做如下解釋說明:(1)各分段點取值可根據通航水域、船型等進行調整;(2)各指標修正幅度取值大小與各指標權重之間存在正相關關系,即某指標權重越大,其對應的分段點取值就越大;(3)若某因素的影響為良性影響,其影響性的修正幅度可在良性影響的兩個值之間進行取值,具體取值根據實際情況判定。

2.4 模型特色

建立的通航水域承載能力模型輸入輸出結構清晰[19]、表達式條理清晰,相關工作人員無須進行復雜培訓便可利用本模型進行通航水域承載能力計算。模型的表現特點在于:(1)綜合考慮了水域及船舶特征對水域承載能力的影響,同時考慮了6個影響因素對承載能力的修正。(2)既涵蓋航線水域承載能力的計算,又涵蓋開闊水域承載能力的計算。(3)通過模型計算出的通航水域承載能力能夠表征在保證通航安全的前提下該通航水域所能容納的船舶(游船)的最大數量。

3 實證分析

3.1 實例介紹

京杭大運河北京段全長40.49 km,河道寬140～180 m,雙向通航。依據《大運河北京段(通州段)全線游船通航工作方案》中通州境內大運河設計代表船型的船舶尺度進行通航水域承載能力計算。該工作方案中共5種船型:漕運游船(23.8 m×5.0 m×1.3 m)、觀光游船(29.8 m×7.1 m×1.5 m)、客渡船(30.0 m×7.0 m×1.0 m)、水上巴士(20.0 m×4.4 m×1.4 m)、游覽快艇(30 m以內,按15.0 m計)。以此為依據設定大運河北京段內5種船型的船長及船舶數量占比,分別為:23.8 m(35%)、29.8 m(35%)、30.0 m(10%)、20.0 m(10%)、15.0 m(10%)。通過對大運河北京段水域、船舶情況進行分析,確定δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6的取值分別為-0.13、-3.43、-0.55、-0.41、0.42、-0.72。承載能力計算如下:

奧森公園可供游船航行的開闊水域面積為19萬m2,游船主要為小型非自航船。計算中設定2種類型的游船,其船長及數量占比分別為:7.78 m(60%)、3.89 m(40%)。通過對奧森公園水域、船舶情況進行分析,確定δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6取值分別為-0.18、-3.12、-0.2、-0.65、1.31、-0.72。承載能力計算如下:

北京市內通航水域承載能力計算結果見表4和5。該結果同時包括各開闊水域的自航船和非自航船數量[20]及設定的非自航船行駛區域范圍。

表4 北京市內航線通航水域承載能力

表5 北京市內開闊通航水域承載能力

對北京市內通航水域承載能力計算結果做如下說明:(1)對于航線水域,除古北水鎮、仙棲洞(入洞)水域因具體實際計算得出的單艘自航船所占航線長度較小外,其余水域單艘自航船所占航線長度均在400 m左右,該長度大于船舶領域理論要求的8倍船長,故上述計算準確;(2)對于開闊水域,規定承載數量是按每500 m2一艘非自航船、每5 000 m2一艘自航船測算的結果,綜合來看承載能力較規定承載數量的差異分布于0附近,證明二者計算結果較為相近,故上述計算準確。

3.2 參數標定

選取計算得出的京杭大運河北京段、奧森公園開闊水域的承載能力進行分析,同時以此為依據對模型進行標定以說明模型的通用性、可靠性。承載能力計算結果見表6。

表6 承載能力計算結果

3.3 計算結果與分析

京杭大運河北京段承載能力計算差異度較大,這是因為京杭大運河北京段航道建設先于游船的投入,現有游船數量較少,且現有游船數量中包括非自航船數量。為充分利用航道能力,建立的模型是基于現有航道情況的,計算的是理論上該航段在保證通航安全的情況下所能容納的船舶(游船)的最大數量,具有前瞻性,對未來游船的投入數量具有指導性。故此處較大的差異度反映了模型精度較高。

奧森公園開闊水域承載能力計算差異度較大,這是因為該水域面積較大,游船實際運行從未出現重大安全事故,游船安全性較高,該水域游船數量可在現有基礎上增加。承載能力計算值小于規定承載數量,反映出在保證通航安全的情況下該水域所能容納船舶(游船)的最大數量大于現有船舶數量。故此處較大的差異度反映了模型精度較高。

京杭大運河北京段、奧森公園開闊水域承載能力計算結果因數據來源較可靠、數值準確,故誤差較小。以這兩個水域對所建立的承載能力模型進行標定,在考慮各因素綜合影響后得出的承載能力結果科學客觀,模型精度較高。

在古北水鎮航行的船舶為搖櫓船,船速低,故船速影響性指標的修正幅度較大,計算出的古北水鎮承載能力提高,該通航水域所能容納的船舶數量多,單艘船所占航線長度短。

在仙棲洞(入洞)航行的船舶,因洞內航道狹窄,故船舶尺度小、船長小,所載游客數量少。將該船長代入通航水域承載能力計算公式,計算出的仙棲洞(入洞)承載能力提高,該通航水域所能容納的船舶數量多,單艘船所占航線長度短。

4 結 論

本文開展了通航水域承載能力模型研究工作,提出通航水域承載能力概念、建模理論——船舶密集排布理論,設計了通航水域承載能力模型建立步驟,并用該模型計算航線水域和開闊水域的承載能力。通過計算實例對模型進行了標定,結果表明模型精度較高。本文研究成果可為通航水域船舶(游船)最大容量確定、船舶(游船)的新增和清退、景點發展規模劃定、運力調控等工作提供依據。

后續可對通航水域承載能力開展進一步研究:可對本文建立的模型進行進一步研究,將其推廣應用至貨運船舶領域;通航水域承載能力計算所需的修正幅度可根據具體對象做針對性的調整;可對通航水域承載能力或船舶最大密度的獲取進行規范的制定,以便于實際應用。