三峽樞紐船閘水域船舶安全航速最小能見度分析

劉振嘉，程升鵬，張鵬斌

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽樞紐能見度不良嚴重制約船舶過閘效率，通過掌握不同船型船舶航行避讓相關參數等措施，是提高樞紐通航效率的必要條件。

1 三峽壩區霧的種類及分布特點

1.1 霧的種類

根據霧天三峽樞紐航道原型觀測結果，船閘水域的陣霧體現了鄂西山谷地區霧情特點[1]，其形成的條件為溫度下降和濕度升高。根據現場觀測情況，三峽水域大霧主要有兩種：

1)蒸汽霧。長江水面廣闊，太陽照射后，水大量蒸發，因四周環山，空氣不流通，水蒸氣在水面以上積累，空氣濕度大。春秋季節，天氣變化頻繁，遇到冷空氣過境，溫度下降幅度大，水蒸氣凝結成霧。

2)雨霧。當雨水不大時，易在江面形成朦朧的雨霧，造成能見度不良。

1.2 霧的分布特點

1)分布不均勻，多見團霧。長江三峽通航管理局轄區大霧以兩壩為界限分為壩上、兩壩間、壩下3部分。大霧發生區域分布不均勻，以至于某些水域能見度不足200 m，某些水域能見度又滿足通航要求，造成預警發出不及時，各區域聯動不協調。

2)持續時間與風雨有關。大霧形成后，如果夜間沒有風雨，則持續時間長，直至次日日出時消散。

2 樞紐水域交通管制概況

2.1 船舶交通管制系統(VTS)功能

1)監督管理。對三峽河段重點水域的船舶進行監視、詢查，必要時發出強制指令。操作人員能夠通過視頻圖像監視船舶的運動情況，對交通管制區、進出引航道和待閘錨地中船舶進行重點監視和跟蹤，預防形成交通緊迫局面，糾正違章、偏航、走錨等；能夠通過通信手段接收船舶報告、查詢船舶的配備和航行計劃等，必要時，通過通信或其他手段向船舶發出強制執行指令；能夠對船舶跟蹤數據進行記錄、回放，便于違章查詢和海事調查等。

2)調度指揮和交通組織。根據船舶航行的具體要求，組織壩上船舶進出港區、錨泊待閘、過閘等；組織兩壩間船舶通過橋區、進出港區、船舶臨時候閘、編解船隊等；組織壩下船舶通過橋區、過閘。對進入轄區內的船舶能夠識別確認，核實船舶過閘申報，防止船舶“虛報、謊報”船位；跟蹤待閘錨地中船舶的動態，為智能調度系統提供前端動態信息采集，以便于及時調整和修改調度計劃；建立與待閘錨地中船舶的可靠通信，便于調度指令和信息的播發，有序組織調度計劃。

3)信息服務。通過有效的手段為船舶航行提供相關信息。這些信息主要包括轄區水域交通狀況信息；管理區域、管理規則修正和變化信息；三峽河段的水文、氣象信息；航道封航、沖砂、泄洪、船閘檢修等信息；助航標志調整、異常信息，航道變化、交通堵塞或礙航物信息；特種作業船施工或作業情況；其他有關航行安全的事項。

4)應急服務以及與相鄰VTS合作等。與應急部門協作，如搜救和防污染，提高應急反應能力。與庫區相鄰VTS以及長江其他VTS合作，提高管理效率和效果。和港口、船舶公司等信息聯網，為港航單位提供相關信息。

2.2 功能應用

1)雷達。在霧天航行時，利用雷達探測可以獲得視覺和聽覺所不能獲得的周邊水域船舶信息。就船閘水域通航而言，雷達可提供周邊水域是否有其他船舶，且通過距離標尺掌握其大致的方位。

2)船舶自動識別系統(AIS)。過閘船舶均配備了AIS設備，首先，船舶通過設備操作能連續發送本船的靜態、動態信息，同時自動接收裝有AIS設備的其他船的信息。其次，AIS能提供船舶操縱信息，以供VTS或其他船舶跟蹤監視。同一閘次船舶可以通過該設備互通信息，適時掌握相互間動態。

過閘船舶通過雷達與AIS設備的綜合應用，既能用雷達觀測船舶周圍水域的各種水面固定或漂浮物情況，通過系統觀察和雷達標繪可以判斷船舶間是否存在碰撞風險，獲得船舶周圍準確、全面的船舶航行信息和環境信息，幫助駕駛員對船舶航行態勢進行安全評估。又能用AIS設備在船閘水域自動獲得其他船舶信息，而且通過VTS的廣播可獲得各類航行、通航組織信息。兩者互為補充，較好地克服了能見度不良的弊端。

2.3 三峽樞紐通航管理實踐

自三峽樞紐通航近15年以來的實踐表明，船舶安全避碰已有規律可循，且有安全保障。從法規、管理以及技術層面，都有切實可行的措施，如船閘水域中的引航道水域實施的分道航行規則、禁止600 GT以下船舶過閘、過閘船舶須配置雷達和AIS設備、通過船閘水域須由船長和輪機長親自操作、船舶過閘前須經過安全檢查、船閘水域船舶進出閘室的航速不得超過1 ms等強制性規定；VTS在樞紐水域范圍內，為航行船舶提供信息、咨詢服務，并實施監督控制，必要時做出指令，實施管理措施；船舶配備的雷達及AIS等設備，它們的功能能夠相互補充，為船舶遇霧航行、停泊、作業提供了基本的條件。

一般來講，大霧氣象條件下船閘及引航道水域可以通航，須具備通航的充要條件，即通航水域的通航環境與船舶的操縱性能兩者滿足通航要求：

1)通航環境條件。包括航道尺度、水流條件等航道條件，通航密度、背景亮光、氣象條件等。

2)船舶操縱性能。就船舶避碰而言，船舶操縱性能主要指慣性性能(沖程)和回旋性能。這主要與船舶的尺度、載質量、航速等有關。船速越快沖程越大，反之則越小。

3 有關安全航速的原型觀測

為進一步探索三峽船閘的過閘方式，縮短船舶進閘時間，提高三峽船閘運行效率，最大限度地發揮三峽樞紐通過能力，適應長江船舶過閘需求，近年來開展了“船舶進閘效率提升技術研究”等工作。基本方法是通過實船測試等原型觀測方法，掌握船舶進出閘運行工況，確定船舶安全航速、制動沖程等重要參數,進一步明確了能見度不良時通航組織的工作思路。

成立多個工作小組進行實船測試，其中船舶駕引組負責測試船舶進出閘及移泊過程中的操作指揮及船舶沖程測試。鑒于目前2 000～5 000噸級過閘船舶超過過閘船舶總數量的70%，且將是今后較長時間內過閘船舶的主要船型，故選取2 000、3 000、4 000噸級船舶作為測試船型；為保證最高通航水位流量時船閘引航道口門外連接段航道的航行安全，在縱向流速≤2.50 ms、橫向流速≤0.45 ms、水面比降≤0.2‰條件下，滿足船舶排水量與主機功率之比≤9.52 tkW的要求；取0.5和1.0 ms作為航速便捷控制工況，用較低的航速換取更高的安全性。

低速航行時，船舶阻力較螺旋槳倒車時的拉力小得多，因此可以近似認為船舶動能消耗于倒車拉力做功。根據《普通物理學》[2]相關公式：

(1)

式中：S為沖程；Δ為排水量；v0為速度；Tp為倒車拉力。

4 代表性過閘船舶安全航速所需能見度估算

根據《山區航道整治》[3]推薦的船舶推力計算公式：

T=mE

(2)

式中：T為有效推力；E為主機功率；m為系數，一般取0.080 0～0.106 6 kNkW,根據不同的取值，推算不同功率時可能具有的有效推力，同時根據船舶操縱經驗公式，船舶倒車拉力取15的船舶推力，結果見表1。

表1 有效推力計算值

注：v0取1 ms。

取代表船型船舶為川江及三峽庫區干散貨船標準船型、液貨船(包括油船、化學品船)標準船型船舶，按照式(1)估算了各類船舶倒車自動沖程，即船舶保持進出閘室的航速不得超過1.0 ms，在雷達顯示屏上發現障礙物，隨即采取停車、倒車的制動措施，從偏安全角度計算相關數據的結果見表2。

從計算結果可看出，船舶在船閘水域以安全航速航行時，其倒車制動沖程一般在40 m以下。根據《船舶碰撞法》[4]，船舶倒車沖程應是船舶駕駛部操作倒車指令后，主機有了倒車車速后產生船舶的慣性沖程，但船舶在順車行進中從順車到倒車過程中，必然有順車到停車的操縱過程，因而應有一個順車至停車的慣性沖程，即駕駛部操作了順車到停車的指令后，船舶的停車沖程。

表2 川江及三峽庫區標準船型主尺度及計算結果

注：在參考主機功率下,對應船舶設計吃水的設計航速≥18 kmh。

因此，船舶在船閘水域安全航速所需最小能見度應不小于倒車拉力發揮作用后的倒車沖程、船舶自順車到停車的慣性沖程、安全余量這三者之和。則船舶順車至停車一般在2 min內，航速取1.0 ms，2 min的慣性沖程為120 m，安全余量取40 m，則最小能見度需求約為200 m。

5 結語

1)三峽樞紐出現的大霧多屬蒸汽霧，且團霧較多見，呈現陣霧特點；陣霧條件下，三峽樞紐通航交通管理系統配備了VTS和AIS設備等，為過閘船舶航行瞭望、方位互見提供了基本保障。

2)船舶制動沖程計算結果表明，過閘船舶運用規定的安全航速進出閘時，停車及倒車沖程均在40 m以內，控制性通航最小能見度需求為200 m。