候潮進(jìn)港條件下錨位數(shù)確定方法探討

方利鶴，車軍

（1.連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道建設(shè)指揮部，江蘇 連云港 222042；2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

錨地是港口生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)服務(wù)系統(tǒng)中的重要組成部分。一般情況下，錨位數(shù)與船舶到港規(guī)律、泊位數(shù)量、碼頭裝卸效率、船舶在港裝卸服務(wù)時(shí)間等因素有關(guān)，可采用排隊(duì)論模型計(jì)算[1]。但是如果受港口進(jìn)港航道條件限制，設(shè)計(jì)船型需要候潮進(jìn)港時(shí)，錨位數(shù)不僅要滿足船舶待泊對(duì)錨泊的需求，而且要滿足船舶候潮進(jìn)港對(duì)錨泊的需求。本文以連云港港30萬(wàn)噸級(jí)錨位數(shù)計(jì)算為例，提出并探討候潮進(jìn)港條件下的錨位數(shù)確定方法，可供同類工程所借鑒。

1 現(xiàn)行錨位數(shù)確定方法及其適用條件分析

1.1 現(xiàn)行錨位數(shù)確定方法

一般情況下，港口交管中心安排錨位和港口調(diào)度安排泊位通常采用先來(lái)先服務(wù)（FIFO）原則[2-4]，即若無(wú)泊位可用，港口調(diào)度一般要求船舶先在相應(yīng)噸級(jí)的錨地拋錨待泊。因此按照船舶—錨地—泊位過(guò)程進(jìn)行調(diào)度操作，可運(yùn)用排隊(duì)論方法將待泊的到港船舶視為一個(gè)服務(wù)隊(duì)列，將港口泊位則作為多個(gè)服務(wù)窗口，將錨地視作排隊(duì)容器。這樣，船舶—錨地—泊位的港口隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)就轉(zhuǎn)換為一個(gè)多服務(wù)窗等待制的排隊(duì)模型[5]。

在港口隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)中，船舶到港規(guī)律一般遵循泊松分布，而裝卸服務(wù)時(shí)間則主要遵循負(fù)指數(shù)分布或K階愛(ài)爾蘭分布，待泊錨地的錨位數(shù)量可采用M/M/S排隊(duì)模型進(jìn)行確定[1]，即在港有n艘船（包括港內(nèi)和錨地）的狀態(tài)概率函數(shù)如下：

式中：λ為平均每天到達(dá)的船舶艘數(shù)；1/μ為平均每條船占用泊位的天數(shù)；a為平均每天被利用的泊位數(shù)；Qn表示在港出現(xiàn)n艘船的保證率。錨位數(shù)可以根據(jù)港口的重要性，按在港船舶保證率90%～95%相應(yīng)推算[6]，用 A1代表待泊錨位數(shù)，則 A1＝n－S。

1.2 適用條件分析

上述運(yùn)用M/M/S排隊(duì)模型計(jì)算待泊錨位數(shù)量的方法（式（1））主要考慮了船舶到港規(guī)律、泊位數(shù)量和裝卸作業(yè)效率因素，計(jì)算結(jié)果屬于待泊錨位數(shù)（單純從待泊需求考慮），并未考慮候潮進(jìn)港因素的影響，因此總體上適用于不需要候潮進(jìn)港的船舶錨位數(shù)計(jì)算。

2 候潮進(jìn)港條件下錨位數(shù)確定方法

大多數(shù)沿海港口進(jìn)港航道的天然水深不足以滿足設(shè)計(jì)船型全潮通航，通常需根據(jù)設(shè)計(jì)船型滿載吃水對(duì)航道進(jìn)行疏浚，并采用候潮進(jìn)港方式（乘較高潮位進(jìn)港），特別是對(duì)于淺段較長(zhǎng)的航道。

以連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道為例，該航道建設(shè)規(guī)模滿足30萬(wàn)噸級(jí)散貨船、油船乘潮單線乘潮通航，對(duì)于設(shè)計(jì)船型而言屬于候潮進(jìn)港航道，或稱之為“存在乘潮進(jìn)港時(shí)間窗口的受限航道”[7]。

根據(jù)航道總體設(shè)計(jì)，30萬(wàn)噸級(jí)船舶單向通航乘潮歷時(shí)4 h，因此到港的30萬(wàn)噸級(jí)船舶一旦錯(cuò)過(guò)當(dāng)前潮次的高潮時(shí)段乘潮進(jìn)港窗口，就必須等待下一個(gè)潮次高潮前2 h的通航窗口乘潮進(jìn)港。根據(jù)連云港港潮汐周期規(guī)律，30萬(wàn)噸級(jí)船舶相鄰兩個(gè)通航時(shí)間窗口間隔長(zhǎng)達(dá)12.43 h，因此從控制船舶運(yùn)營(yíng)成本角度，到港的30萬(wàn)噸級(jí)船舶需要在當(dāng)前潮次通航時(shí)間窗口前抵達(dá)連云港港外，等待乘潮進(jìn)港窗口開(kāi)放后進(jìn)港。在此過(guò)程中，即便港內(nèi)30萬(wàn)噸級(jí)泊位處于空閑狀態(tài)，30萬(wàn)噸級(jí)船舶也無(wú)法直接進(jìn)港，必須先進(jìn)入錨地候潮等待航道通航窗口的到來(lái)，并由此產(chǎn)生了額外的錨地使用需求，即候潮錨泊需求。

根據(jù)到港船舶的時(shí)間性分析，船舶隨機(jī)到港隨機(jī)過(guò)程一般均服從泊松分布。即t時(shí)間段內(nèi)，港口到達(dá)n艘船舶的概率為：

式中：Pn為t時(shí)段內(nèi)n艘船舶到港概率；λ為平均到港船舶數(shù)，艘次/d。

候潮錨泊需求取決于相鄰?fù)ê綍r(shí)間窗口內(nèi)需要候潮進(jìn)港的設(shè)計(jì)船舶到港數(shù)量。同樣，可以根據(jù)港口的重要性，按到港船舶保證率90%～95%相應(yīng)推算候潮進(jìn)港的錨位數(shù)A2。

因此，候潮進(jìn)港條件下錨位數(shù)應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿足待泊錨位需要和候潮錨位需要。在計(jì)算待泊錨位數(shù)和候潮錨位數(shù)時(shí)，從計(jì)算簡(jiǎn)便和結(jié)果偏安全考慮，可認(rèn)為到港船舶規(guī)律相同（均服從泊松分布），船舶到港（在港）保證率相同（90%～95%），則候潮進(jìn)港條件下錨位數(shù)可取待泊錨位數(shù)與候潮進(jìn)港錨位數(shù)之和，即：

3 連云港港30萬(wàn)噸級(jí)船舶錨位數(shù)確定

3.1 30萬(wàn)噸級(jí)到港船舶數(shù)量

根據(jù)連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道二期工程初步設(shè)計(jì)文件關(guān)于港口吞吐量預(yù)測(cè)結(jié)論，2020年、2030年連云港區(qū)吞吐量分別為25 000萬(wàn)t、30 000萬(wàn)t，其中鐵礦石進(jìn)口量分別為5 000萬(wàn)t、5 200萬(wàn)t；2020年、2030年徐圩港區(qū)吞吐量分別為8 500萬(wàn)t、15 000萬(wàn)t，其中原油進(jìn)口量分別為2 800萬(wàn)t、5 800萬(wàn)t，鐵礦石進(jìn)口量2030年為2 000萬(wàn)t。

連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道通航的30萬(wàn)噸級(jí)船型為運(yùn)輸外貿(mào)進(jìn)口鐵礦石的30萬(wàn)噸級(jí)散貨船和運(yùn)輸外貿(mào)進(jìn)口原油的30萬(wàn)噸級(jí)油船。結(jié)合連云港區(qū)、徐圩港區(qū)2020年、2030年鐵礦石、原油的流量、流向預(yù)測(cè)結(jié)論，30萬(wàn)噸級(jí)散貨船、原油船到港數(shù)量可采用式（4）計(jì)算。

式中：N為船舶通過(guò)量；T為分貨類貨運(yùn)量；DWT為不同噸級(jí)船舶載重噸；α為不同噸級(jí)船舶承運(yùn)貨運(yùn)的比例；β為船舶實(shí)載率。

經(jīng)計(jì)算，連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道2020年、2030年30萬(wàn)噸級(jí)船舶到港數(shù)分別為136艘次、248艘次，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 連云港港30萬(wàn)噸級(jí)船舶到港數(shù)量測(cè)算結(jié)果Table 1 Calculation results of the quantity of 300 000-ton shipsarriving in Lianyungang Port

3.2 30萬(wàn)噸級(jí)船舶錨位數(shù)計(jì)算

1）待泊錨位需求計(jì)算

根據(jù)《連云港港總體規(guī)劃》、《連云港港徐圩港區(qū)總體規(guī)劃》對(duì)30萬(wàn)噸級(jí)散貨、原油泊位規(guī)劃以及“十三五”期30萬(wàn)噸級(jí)碼頭泊位建設(shè)計(jì)劃，2020年連云港區(qū)、徐圩港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)散貨泊位數(shù)應(yīng)達(dá)到2個(gè)、原油泊位2個(gè)；2030年30萬(wàn)噸級(jí)散貨泊位、原油泊位應(yīng)分別達(dá)到2個(gè)、4個(gè)。

考慮到船舶到港的不確定性，30萬(wàn)噸級(jí)散貨船、原油船到港數(shù)量2020年分別為0.19艘次/d、0.35艘次/d，2030年分別為0.20艘次/d、0.71艘次/d。30萬(wàn)噸級(jí)船舶占用泊位的天數(shù)參照目前連云港區(qū)25萬(wàn)～30萬(wàn)噸級(jí)散貨船實(shí)際在港時(shí)間進(jìn)行確定。根據(jù)全國(guó)沿海港口布局規(guī)劃，連云港港規(guī)劃為長(zhǎng)三角地區(qū)外貿(mào)鐵礦石進(jìn)口和原油接卸樞紐港，港口在鐵礦石、原油等大宗散貨和能源運(yùn)輸系統(tǒng)中具有較高地位，因此在港船舶保證率按不小于95%確定，利用M/N/S模型（式（1））計(jì)算在港船舶數(shù)量，并結(jié)合泊位數(shù)量確定待泊錨位數(shù)。計(jì)算可得，2020年30萬(wàn)噸級(jí)散貨船待泊錨位數(shù)0.8個(gè)、30萬(wàn)噸級(jí)原油船待泊錨位數(shù)0個(gè)；2030年連云港港30萬(wàn)噸級(jí)散貨船待泊錨位數(shù)2.5個(gè)、30萬(wàn)噸級(jí)原油船待泊錨位數(shù)3.6個(gè)，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 連云港港30萬(wàn)噸級(jí)船舶待泊錨位需求計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of the number of the lying anchor for 300 000-ton ship in Lianyungang Port

2）候潮錨位需求計(jì)算

連云港港潮汐周期為12.43 h，30萬(wàn)噸級(jí)到港船舶服從泊松分布。同樣在保證率95%情況下，計(jì)算乘潮通航窗口之間30萬(wàn)噸級(jí)船舶到港船舶數(shù)，并確定候潮錨位需求數(shù)量。采用式（2）計(jì)算可得，2020年30萬(wàn)噸級(jí)散貨船候潮錨位數(shù)0.78個(gè)、30萬(wàn)噸級(jí)原油船候潮錨位數(shù)0.99個(gè)；2030年連云港港30萬(wàn)噸級(jí)散貨船候潮錨位數(shù)0.97個(gè)、30萬(wàn)噸級(jí)原油船候潮錨位數(shù)1.88個(gè)，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 連云港港30萬(wàn)噸級(jí)船舶候潮錨位需求計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of the number of the awaiting-tideanchor for 300 000-ton ship in Lianyungang Port

3）30萬(wàn)噸級(jí)船舶錨位數(shù)確定

根據(jù)式（3），30萬(wàn)噸級(jí)散貨船、油船在港錨位數(shù)為待泊錨位數(shù)與候潮錨位數(shù)之和。經(jīng)計(jì)算，2020年連云港港30萬(wàn)噸級(jí)散貨船錨位數(shù)為2個(gè)，30萬(wàn)噸級(jí)原油船錨位數(shù)為1個(gè)；2030年連云港港30萬(wàn)噸級(jí)散貨船錨位數(shù)為4個(gè)，30萬(wàn)噸級(jí)原油船錨位數(shù)為6個(gè)，具體船舶錨位需求數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 連云港港30萬(wàn)噸級(jí)船舶錨位需求數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of thenumber of anchor for 300 000-ton ship in Lianyungang Port

從表4計(jì)算結(jié)果中可以得出：

1） 由于連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道對(duì)于設(shè)計(jì)船型而言需要候潮進(jìn)港，因此30萬(wàn)噸級(jí)船舶錨位需求確實(shí)存在待泊錨位和候潮錨位兩種需求，錨地容量計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮船舶候潮進(jìn)港因素帶來(lái)的影響。

2） 按式（1）計(jì)算表明，2020年在2個(gè)30萬(wàn)噸級(jí)原油泊位支持下，30萬(wàn)噸級(jí)原油船并不需要待泊錨位，但按照船舶到港規(guī)律以及30萬(wàn)噸級(jí)原油船候潮進(jìn)港的特點(diǎn)，仍需要1個(gè)候潮錨位，此時(shí)錨位需求是由候潮錨位決定。這一結(jié)果說(shuō)明單純計(jì)算待泊錨位是不能直接覆蓋或替代候潮進(jìn)港錨位需求。

4 結(jié)語(yǔ)

候潮進(jìn)港條件下錨位數(shù)應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿足待泊錨位需要和候潮錨位需要。

1）在計(jì)算待泊錨位數(shù)量和候潮錨位數(shù)量時(shí)，從計(jì)算簡(jiǎn)便和結(jié)果偏安全考慮，可認(rèn)為到港船舶規(guī)律相同（均服從泊松分布），船舶到港（在港）保證率相同（90%～95%），則候潮進(jìn)港條件下錨位數(shù)量可取待泊錨位數(shù)與候潮錨位數(shù)之和。

2）采用上述方法，經(jīng)計(jì)算，2020年連云港港30萬(wàn)噸級(jí)散貨船錨位數(shù)為2個(gè)，30萬(wàn)噸級(jí)原油船錨位數(shù)為1個(gè)；2030年連云港港30萬(wàn)噸級(jí)散貨船錨位數(shù)為4個(gè)，30萬(wàn)噸級(jí)原油船錨位數(shù)為6個(gè)。

3）如果近岸深水資源有限，候潮錨泊問(wèn)題突出，可以考慮采取以下措施，以合理減少候潮錨位數(shù)：

①在實(shí)際運(yùn)輸和港口運(yùn)行過(guò)程中，可結(jié)合通航時(shí)間窗口分布，進(jìn)行船舶調(diào)度，更好地安排船期和到港時(shí)間，縮短候潮錨泊時(shí)間，從而減少候潮錨位數(shù)。

②考慮到船舶進(jìn)港涉及船舶到港規(guī)律、候潮與通航時(shí)間窗口、泊位數(shù)量、碼頭裝卸效率、船舶在港裝卸服務(wù)時(shí)間等多個(gè)隨機(jī)變量，可建立錨地—候潮航道—碼頭的一體化通航組織仿真模型[8]，運(yùn)用仿真技術(shù)，聯(lián)合考慮待泊錨位需求和候潮錨位需求，復(fù)核和優(yōu)化錨位數(shù)量。