加拿大某極地碼頭除冰方案及船型論證

李惠娟，范憶平，黃黎輝

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

加拿大某礦石出運碼頭位于北部地區島嶼，在北極圈以北約500 km。項目建成后，該碼頭作為主要的礦石出運點，將承擔每年1 800 萬t 的礦石處理及出運至中國的任務，同時在其工藝設計上考慮預留未來每年3 600 萬t 的裝卸能力。

由于項目位于北極地區，工程的建設、設備的運輸、鐵礦石的開發及出運等都會受到極寒冰凍天氣的影響。筆者針對該礦石出運碼頭所在地的自然條件、冰況、運營要求等特點，就其船級、航道及碼頭前沿除冰措施提出建議，并對船型出運組合進行論證。

1 自然條件

項目所在地區屬降雨量很少的半干旱氣候，氣溫通常在-50～21 ℃，年平均氣溫約-15 ℃。最暖月份為7 月，日平均溫度6 ℃；最冷月份為2 月，日平均氣溫約-30.5 ℃。該地區約在11 月12 日至次年的1 月29 日會經歷24 h 的極夜，僅有不到2 h 的暮色。在冬季(12 月至次年4 月)，荒蕪的地形會帶來細粉狀的飛雪，能見度有限。無冰凍期很短(7 月底至8 月底)。從5 月初至8 月初為極晝期。9—11 月，氣溫降低，白天時間減少，到10 月中旬，平均日氣溫遠低于0 ℃，最大降雪量通常發生在此期間。灣內常風向為西北向。

隨著全球氣候變暖，北極地區的氣溫持續升高，在過去的10 年間，項目所在區域冬季平均氣溫上升了2.5 ℃，夏季平均氣溫上升了1.5 ℃，港區無冰通航期相應延長。根據1980—2014 年的觀測數據，項目所在海灣破冰期每年平均提前約0.7 d，結冰期平均每年推遲約0.62 d。

2 冰況及除冰方案

2.1 冰況

項目所處海域的冰通常為當年冰齡，多年冰齡或者來自冰山的冰基本上可以忽略，冬季每年冰層厚度約2 m。由于船舶航行會導致冰層破碎，形成的碎冰在寒冷天氣下又會重新凍結累積，從而導致進港航道及碼頭前沿水域的碎冰厚度遠大于未受擾動正常累積的冰層厚度。如圖1 所示，當船舶通過航道時，一部分碎冰會被推到原有冰蓋下方，其余碎冰會留在航道內，而在碼頭前沿水域，船舶運動產生的所有碎冰會留在此處，導致碼頭前沿碎冰大量累積。

圖1 船舶航道內碎冰累積典型斷面

根據附近已建的類似極地港口的觀測數據，在年運量為1 800 萬t 的情況下，礦石碼頭前沿的碎冰層厚度預計將達到6～12 m，而當未來出運量增加、冬季船舶航行更加密集時，碎冰層厚度甚至會超過6～12 m 的范圍，如果不采取措施，這些碎冰層在來年冬天來臨之前也不能完全融化。6～12 m 厚的碎冰層會嚴重影響船舶的靠離泊，并可能導致碼頭停運，因此需要采取措施減少碼頭前沿碎冰層的厚度。

圖2 為項目所在海域在1 年中不同時段的冰層覆蓋范圍。以海冰密集度(一個區域被冰而不是水覆蓋的比例)來表示，其中5 月為全年積冰最多的時段。

圖2 項目所在海域冰層覆蓋范圍

2.2 海冰管理

為了防止因船舶通航造成碎冰在港池內快速累積，項目前期對碼頭前沿存在4～8 m 厚未固結碎冰情況下就不同的碼頭結構形態(碼頭前沿完全封閉的連續式結構和碼頭前沿開敞的分離式結構)、散貨船操縱模式、靠泊方位及破冰船輔助破冰等進行物模試驗，得出以下主要結論:1)船首靠泊十分困難，帶有低功率全回轉推進器且船尾先靠泊的方式在所有工況下都更容易，船舶與碼頭之間的殘冰較少；2)利用帶有全回轉推進器的推進裝置可成功地沖刷和清除碎冰；3)由破冰船在散貨船到達之前清除碎冰，并且輔助靠泊操作行之有效；4)分離式結構更有利于清除前沿碎冰，但在某些情況下由于船舶撞擊受損的風險卻大于連續式結構，碼頭的結構形式最終取決于造價；5)破冰船足以適用于最差的冰況，若有需求也可處理港外浮冰；6)輔助海冰控制方案如氣泡系統及小型破冰船可酌情考慮。

綜合以上結論及已建港口的經驗，通常配備專門的港口破冰船進行海冰管理。破冰船通過推進器沖刷，定期清除碼頭前沿水域的碎冰，減小碎冰累積厚度。根據Enkvist[1]的計算結果，在2 m厚的冰層中以1.55 m∕s 的速度通行的破冰船可以處理的固結碎冰厚度為6 m，需要的船舶功率約為16 MW。本項目建議配備2 艘破冰船用于冬季及秋季結冰期領航及破除港口周圍的碎冰，并在全年配合2 艘拖輪用于輔助進港及靠離泊。

2.3 破冰船級

根據項目所在海域的冰況條件，按照國際船級社協會(International Association of Classification Societies，IACS)對極地船的冰級定義[2]，本礦石碼頭冬季適用的船舶應為PC4 級極地散貨船，即適用冰況為全年在當年厚冰狀況下，可包括舊夾冰。破冰船用于領航及破除碎冰，其等級應高一級，為PC3 級，即適用冰況為全年在第2 年冰齡狀況下，可包括多年夾冰。在春秋季融冰及結冰過渡期，可采用《芬蘭-瑞典冰級規則》FSICR[3]等級為1C，即可以在輕度的冰級狀態下航行(最大冰厚0.4 m)的冰級散貨船。

2.4 氣泡防冰系統

除破冰船外，氣泡防冰系統也是一種經過實踐證實的可輔助抑制碎冰累積的方法。氣泡系統由安裝在結構表面的空壓機與放置在水體深處或底部管壁設有若干氣孔的穿孔管網組成，將壓縮空氣通入水中，形成一定數量的氣泡群，氣泡群在初始速度和浮力作用下向水面運動，對周圍水體產生擾動形成流場，并夾帶深處較暖的水流將其運送至表層，從而抑制冰的形成。氣泡防冰原理見圖3[4]。

圖3 氣泡防冰系統原理

氣泡防冰設施在北歐國家港口及游艇碼頭比較常見，該系統在具備溫度梯度的淡水和淡鹽水環境中應用良好。氣泡系統有時會與工業廠房的熱廢水結合使用，在芬蘭的一些港口如科特卡港，穆薩洛電廠冬季排入海里的熱廢水在天然冰層下方沿海岸漂流，沿港池岸線布置的氣泡系統將一部分排放的熱廢水帶入港池形成水體循環后，靠近碼頭前沿線的停泊水域內碎冰層全部融化，證明氣泡系統結合港池內引入熱能對于改善港池內的冰凍效果十分顯著。

在北極海岸，由于海水含鹽度基本在3.0%～3.5%，最大密度水體的溫度基本接近水的冰點，冬季水體的溫度缺乏梯度通常會導致氣泡系統無法產生明顯效果。但是在格陵蘭北部地區，利用夏季港區水溫的余熱，在冰季的早期，氣泡系統可以延遲和抑制港內冰的形成。該地區冰凍期始于10 月初，但在碼頭前方直到12 月底才會形成完整的覆冰層。觀測發現，熱儲備會在大約2 周后耗盡，在此時段內由氣泡系統產生的表層流依然有助于抑制冰的形成，表明在初冬時段北極地區港口利用氣泡系統控冰是有效的[5]。

本礦石碼頭為采用4 個沉箱的墩式碼頭，結合以上實踐及研究，在每個沉箱前沿安裝1 套壓縮空氣簾幕氣泡系統，通過盡量減少冰與碼頭前沿立面的接觸來控制碎冰累積。此外，氣泡系統還用于將底部較暖的水流帶至表層，從而融化部分表層冰。本項目附近無法提供工業熱廢水，但是北極海岸冬季會釋放一定的地熱能，也可將船舶底部排出的較暖的壓艙水作為熱源使用。碼頭前沿的氣泡防冰系統布置見圖4。

圖4 碼頭沉箱前沿氣泡防冰系統布置

可以通過物理及數值模擬試驗對上述氣泡防冰系統的應用進行模擬，選定參數，對設計進行細化，確定最佳的布置方案，并對防冰效果進行評價。

3 設計船型及出運組合

3.1 設計船型

礦石出運船型全部采用有效載質量為22 萬t的散貨船，根據《港口設計手冊》[6]中提供的置信限為75%的20 萬噸級散貨船型(最大有效載質量達25 萬t)確定的礦石碼頭設計船型尺度為:總長311.0 m，型寬50.0 m，型深25.9 m，最大吃水18.6 m。

3.2 船型組合

鐵礦石出運的目的地為中國，考慮到夏季開放水域時間僅有1 個月，為了保證結冰期、融冰期及冬季鐵礦石出運，擬在格陵蘭島南部海域建設一個水-陸-水中轉不凍港，將礦石從冰級或極地散貨船轉運到普通散貨船，通過普通散貨船可全年運送至中國。

礦石碼頭至中轉港的航程為2 250 km，按照航速14.5 kn 計算，冰級或極地散貨船單程時間需要3.5 d，按平均在港時間4.5 d 估算，往返中轉港需要的時間為11.5 d。夏季可按需租用普通散貨船直接將鐵礦石出運至中國，考慮碼頭及船舶的充分利用，特別是夏季開放水域期航道及碼頭的充分利用，建議采用的船型組合及對應的相應運量(按所有運輸船舶載質量均為22 萬t)見表1。

表1 礦石碼頭出運(1 800 萬t∕a)建議船型組合

由表1 可知，為了完成全年1 800 萬t 的礦石出運量，需要配備4 艘1C 級冰級散貨船，19 艘紐卡斯爾型散貨船及2 艘PC4 級極地散貨船，共82 次航程。在冬季及秋季結冰期，還需要利用港口破冰船輔助破冰。

3.3 泊位利用率

運量為1 800 萬t∕a 時，礦石碼頭全年各時段泊位利用率如表2 所示。

表2 礦石碼頭泊位利用率

夏季礦石碼頭泊位利用率最高，達87%；冬季最低，僅23%。說明夏季開放水域期間的泊位利用率基本達到飽和，遠期可通過在冬季增加PC4 級極地散貨船來增加總運量。

若在冬季將PC4 級極地散貨船增至6 艘，則可完成的航次數量可達144 次，根據表2 數據，泊位占用時間相應增至5 046 h，泊位占用率將達到71.5%，碼頭總運量將增至3 900 萬t，可滿足遠期3 600 萬t 的出運量需求。

4 結論

1)本工程冬季適用的船舶應為PC4 級極地散貨船，在春秋季融冰及結冰期，可采用等級為1C的冰級散貨船。配備港口專用的破冰船是最有效破除碎冰的方法，破冰船等級為PC3 級。配備2 艘破冰船用于冬季及秋季結冰期領航及破除港口周圍的碎冰，并在全年配合2 艘拖輪用于輔助進港及靠離泊。

2)在碼頭前沿每個沉箱處安裝氣泡防冰系統作為輔助防冰措施，在港池水體內形成循環，在初冬時節可以有效抑制港池內結冰，地熱能結合船舶排放的壓艙水可考慮作為底部水體的熱源。

3)通過建設水-陸-水中轉港，礦石碼頭可以實現全年運營，夏季由普通散貨船直航中國，其余時段則由自帶破冰功能的冰級或極地散貨船運至中轉港，再換至普通散貨船運往中國，通過船型組合的合理配置，可以完成每年1 800 萬t 的礦石出運量。此外，在冬季增加極地散貨船的數量可滿足遠期3 600 萬t 的出運量需求。在實際運營中，須充分考慮影響泊位利用率的各種因素，根據船型組合，合理安排調整全年各時段的航程，以確保碼頭的出運量。