單回旋水域可支撐的泊位數量研究

陳哲淮

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

近年來，越來越多的新建港口工程依托防波堤等防護建筑物進行掩護，通常采用單環抱或雙環抱的平面布置形式。為了減少工程費用，節省寶貴的海洋資源，該類項目常常僅設置單個回旋水域。現行港口工程規范[1]和文獻[2-6]均未提及單個回旋水域可支撐的泊位數量，僅從節約岸線的角度出發，大量布置泊位，可能導致項目建成后回旋水域緊張。本文結合越南永興電廠碼頭工程的平面方案，采用邏輯推理的方法，并借助排隊論進行分析，研究單個回旋水域可支撐的泊位數量，具有一定的實用價值。

1 工程概況

某港口工程建設規模為港口吞吐量4 000萬t/a，擬建設8個5萬～10萬噸級泊位。

港口工程港址處岸線基本為東西走向，-10 m水深線距離天然岸線僅1 km，-5 m水深線距離天然岸線約300 m。根據現場收集到的實測波浪資料及其統計結果并結合波浪數學模型試驗研究結論，港址處海域波向主要集中在NE和SW兩個方向，強浪向為SW向和ESE向，外海SW向重現期50 a的H1%波高約5.0 m，ESE向重現期50 a的H1%波高約6.6 m，波玫瑰圖見圖1。

圖1 波玫瑰圖Fig.1 Wave rose diagram

根據工程處建設條件和項目建設規模，碼頭平面布置方案為：建設東西2條防波堤，呈雙環抱形式，防波堤堤頭位于波浪破碎水深以外，且堤頭與順岸式碼頭距離超過5倍船長。2條防波堤之間留出足夠距離，可順岸布置2個5萬噸級生產性泊位，2條防波堤內側可布置4～6個5萬噸級碼頭，本工程碼頭的布置形式類似大型挖入式港池。

通過分析鹿特丹港、馬賽港福斯港區、安特衛普港、香港葵涌港區、臺北港、廣州南沙港區等國內外大型挖入式港池船舶回旋水域的布置，主要有兩種形式：一種是回旋水域直接布置在停泊水域的前方，該類型港池寬度比較大，例如馬賽港福斯港區，優點是船舶調頭比較方便，可以提高船舶的進出效率；另一種是回旋水域集中布置，該類型港池寬度比較小，船舶由拖輪輔助靠離泊，例如鹿特丹港的內港池，缺點是船舶密度大時需要候船等待調頭。為了節省工程投資，減少疏浚工程費用，本工程布置1個回旋水域，碼頭平面布置見圖2。

圖2 碼頭平面布置示意圖Fig.2 Layout plan of the wharf

2 回旋水域可支撐泊位數量

參考國內外類似大型碼頭的布置形式，本工程集中布置1個回旋水域供港內碼頭共用，平面布置的關鍵在于單個回旋水域能否支撐8個泊位的靠離泊使用要求。

為了研究這個問題，筆者查詢規范、規劃、文獻等資料，發現類似布置方案港內一般布置8個泊位，更有甚者，布置了12個泊位共用1個回旋水域，但并未搜到單個回旋水域可支撐的泊位數量的研究內容。本文研究思路為：根據港口計劃吞吐量和碼頭規模，分析船舶流量；根據規范對泊位利用率的建議值，提出回旋水域利用率的概念；根據船舶流量，計算回旋水域利用率，分析單個回旋水域是否滿足本工程需要；采用回旋水域利用率的極值，計算單個回旋水域可支撐的泊位數量。

1）船舶流量測算

港口吞吐量4 000萬t/a，5萬噸級船舶平均載貨量取3.5萬t，碼頭年作業天數取320 d，則年到港船舶艘次為：

考慮到港時間不平衡性，船舶進出不平衡系數取1.3，則船舶到港高峰數量為N日=4.7艘/d。

2）回旋水域利用率

JTS 165—2013《海港總體設計規范》[1]規定，泊位利用率為一年中船舶實際占用泊位的天數與年日歷天數之比。合理的泊位利用率建立在平衡港、航、貨三方利益的基礎之上，泊位利用率越高，船舶待泊的可能性就會越大，會增加航運公司及貨主的成本；泊位利用率過低，會導致碼頭泊位過度空閑，資源得不到有效利用，會嚴重影響港方的經濟效益。規范規定泊位利用率一般取60%，通常不超過70%。考慮到船舶利用回旋水域調頭和船舶占用泊位的性質類似，因此，本文提出回旋水域利用率這一概念，并按照船舶占用回旋水域靠離泊位的特點，提出計算公式。回旋水域利用率指船舶進出港占用回旋水域的小時數與24 h之比，可按下式計算：

式中：數字2表示船舶進出港占用2次回旋水域；N日為船舶到港高峰數量；Tb為每艘次船舶占用回旋水域的平均時間；0.5表示船舶占用回旋水域的安全間隔時間為0.5 h。本工程船舶通過進港航道重載進港，在回旋水域調頭，然后去往相應的泊位靠泊并進行卸船作業，卸船完成后，船舶再依次通過回旋水域和航道出港，船舶進出港流程如圖3所示。

圖3 船舶進出港流程圖Fig.3 Flow chart of ships entering and leaving the port

根據規范，本工程5萬噸級船舶進港重載調頭占用回旋水域時間約1.5 h，離泊占用回旋水域時間約0.5 h，每艘次占用回旋水域的平均時間約1 h，經計算，本工程回旋水域利用率約55%。

根據泊位設計任務量，采用規范公式反算泊位利用率如下：

根據《海港總體設計規范》[1]，船舶平均載貨量取3.5萬t，船舶靠泊時間取1.5 h，離泊時間取0.5 h，開工準備、結束等其他輔助時間取2 h，根據本工程工藝配置，裝卸1艘設計船型所需時間取32 h，經測算，本工程泊位利用率約62%。

對比分析本工程回旋水域利用率和泊位利用率，可以得出結論：單個回旋水域可支撐本工程碼頭吞吐量及相應工藝配置的泊位數量8個，且回旋水域還有一定的潛力。

采用上述回旋水域利用率計算公式，按規范提出的泊位利用率參考值上限75%，以本工程泊位參數，反算回旋水域可支撐的泊位數量為10個，即本工程碼頭規模的情況下，單個回旋水域可支撐的最大泊位數量為10個。

3 排隊論驗證

為進一步論證單個回旋水域可支撐的泊位數量，本文采用排隊論[7]進行分析如下。

排隊論（Queuing Theory）是研究服務系統中排隊現象隨機規律的學科，是數學運籌學的分支學科，研究內容有3個方面：1）系統的性態，即與排隊有關的數量指標的概率規律性；2）系統的優化問題；3）統計推斷，根據資料合理建立模型。研究目的是正確設計和有效運行各個服務系統，使之發揮最佳效益。根據本工程進出港流程（見圖3），為便于分析，將船舶進出港使用回旋水域的時間分攤至泊位。

排隊論分析常見的排隊類型有單隊單臺、單隊多臺、多隊多臺、單隊多臺（串）等，簡化后的船舶進出港符合單隊多臺排隊類型。

排隊論排隊規則是指顧客到達系統后排隊等候服務的方式和規則，可分為3種類型。

1）損失制（消失型）：指顧客到達時若所有服務實施均被占用，則顧客自動離去。

2）等待制（等待型）：指顧客到達時若所有服務實施均被占用，則留下來等待，直至被服務完離去。等待制的排隊規則又可按顧客被服務的次序分為先到先服務（FCFS）、后到先服務（LCFS）、隨機服務（SS）、具有優先權的服務（PS）。

3）混合制（損失制和等待制的混合）：既允許排隊又不允許隊列無限長，主要分為系統容量有限制、等待時間有限制。

本工程船舶進出港使用回旋水域采用先到先服務的等待制。

根據《港口規劃與布置》[8]，船舶隨機到港，船舶作業占用泊位的模式也具有隨機性，大量統計資料表明，船舶隨機到港的規律符合泊松分布，船舶靠泊作業占用泊位時間符合負指數分布，本工程可采用排隊論中的M/M/S模型進行模擬，有n艘船在港的概率Pn采用如下公式計算：

按上述船舶進出港簡化流程圖，將每艘次船舶占用回旋水域的時間分攤到泊位上，也就是計算平均每艘船舶的裝卸時間時，增加船舶占用回旋水域的時間。λ取前述的3.6艘/a，按前述本工程設備配置方案，經計算μ為0.714，ρ為63%，與規范公式計算值大致相同。經計算，船舶在港概率見表1。

表1 船舶在港概率表Table 1 Probability table of ships in port

當保證率取90%時，根據排隊論計算結果，本工程布置8個泊位可滿足規劃泊位等級下的吞吐量。

4 結語

1）按本文提出的回旋水域利用率概念及計算公式，在本文選定的碼頭規模和設備配置的基礎上，單個回旋水域的利用率為55%時，回旋水域可供8個泊位使用。

2）在本文選定的碼頭規模和設備配置的基礎上，參考規范對泊位利用率建議值的極值情況，在回旋水域的利用率取75%時，回旋水域可供10個泊位使用。

3）通過簡化模型和理論化參數取值，本文采用排隊論分析本工程碼頭建設規模，分析結果可以一定程度驗證單個回旋水域可支撐的泊位數量。