基于船舶噸位變化的三峽船閘過貨能力分析

丁 濤，張乃宇

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

長江上航運港口經濟的快速發展促使通過三峽船閘的貨物量急速增長。長江航務管理局統計數據表明，2018年長江干線年貨物通過量達到了26.9億噸，同比增長了7.6%；集裝箱吞吐量完成1 750萬TEU，同比增長了6.1%；三峽大壩樞紐貨物通過量1.44億噸，同比增長了3.9%。自2003年6月三峽大壩蓄水通航以來，三峽船閘過貨量年均增長14.5%，僅2011年就超過了1億噸貨物的大關，2019年貨物通過量達到了1.46億噸[1]。然而，旺盛的貨運需求與三峽船閘過貨能力不足的矛盾越來越凸顯。目前，三峽船閘的各項運行參數，如：開(關)閘門時間、單向船舶(隊)進閘時間、閘室充水與泄水時間等都已經達到或者超過設計標準。國內學者對三峽船閘的過貨能力進行了大量研究。郭濤[2]利用結構化與對比方法，對2010—2015年三峽船閘過貨能力進行了預測；談建平[3]運用一元回歸模型、彈性系數模型以及綜合預測模型預測了三峽船閘最大過貨能力；郭子堅等[4]通過建立系統仿真模型研究了不同船型標準化率對三峽船閘過貨能力的影響；馬奕[5]采用一元回歸模型、增長曲線模型、運輸彈性系數模型以及組合預測模型預測了2010、2015、2020及2030年三峽船閘的過貨能力；郭濤[6]運用結構化與動態化方法預測了2011—2030年三峽船閘過貨能力；鈕新強等[7]、謝凱等[8]及張義軍[9]提出了一系列提升三峽船閘過貨能力的措施。

筆者通過測算三峽船閘的極限過貨能力，探討了三峽船閘過貨能力可提升的空間。首先，分析了三峽船閘過貨的影響因素，如船型、過閘船舶實載率、船閘運營管理模式以及過閘船舶噸位限制等，找出存在問題；然后，根據現有數據對船型比例進行預測，計算船舶到達數量以及過閘船舶容量；最后，運用Anylogic軟件建立了三峽船閘過閘通航模型。研究表明，相比2019年1.46億噸的過貨量，三峽船閘還可以提高0.33億噸過貨量，極限過貨能力可達1.79億噸。

1 三峽船閘過貨能力現狀及存在問題

1.1 過貨能力現狀

1.1.1 過閘貨船船型

從2003—2010年，3 000噸級的船舶比例由0.5%上升到17.7%，說明船舶逐年趨向大型化[2]。三峽船閘按照一級航道標準建造，當通過中、小型船舶時，需逐一分開進出閘室，由此進入的船舶數量較多，但耗費的時間較長，船閘的日平均過閘次數較少，一次過閘平均載重噸位較低；當通過大型船舶時，由于下游航道的水深限制，過閘時不能充分利用閘室的水深，所以船舶的實載噸位較低，裝載系數也較低。

1.1.2 過閘貨船實載率

根據談建平[3]的研究，如果船舶實載率能從70%提升到80%，將會大大提高船閘的過貨能力。在過閘船舶數相同的情況下，相同體積船舶實載率的提升會大幅度提高船閘過貨能力。因此，過閘貨船實載率影響著船閘過貨量。

1.1.3 船閘運營管理模式

三峽船閘的過貨能力與船閘的運營管理水平密不可分，良好的運營管理模式會提高三峽船閘的船舶過貨能力。自從2003年三峽船閘通航以來，管理人員對船閘的運營管理已經逐漸熟練并且達到了較高的水平。

1.1.4 過閘船舶噸位限制門檻

為了提高船閘的利用率以及過貨能力，三峽船閘自通航以來就設置了船舶噸位的限制門檻，但這個限制門檻會影響船閘的利用率以及過貨能力。現階段，船舶大型化與標準化趨勢顯著，若能通過逐漸提高三峽船閘的船舶噸位限制門檻，限制一部分小型船舶通過，可總體上提高船閘的過貨能力。

1.2 存在問題

1.2.1 船閘方面

1)過閘船舶吃水控制標準局限性

為了實現船舶高效通過船閘的目的，三峽船閘設置了過閘船舶吃水控制。由于船舶的大型化發展，過閘船舶吃水標準還沒有進行季節性的放寬。過閘船舶吃水標準不能靈活掌握，導致難以推進三峽過閘標準船型的推廣，船舶的實載率難以提升。

2)持續運行檢修礙航

近些年來，由于長江航運的繁榮發展，三峽船閘的運行頻次不斷提高，所帶來的問題就是檢修時間增加，包括船閘全面檢修和換向檢修，這將占用船舶的通行時間，導致礙航現象時有發生。

3)泄洪礙航

在雨水多發季節，長江容易出現洪水，三峽大壩需要泄洪沖沙，從而導致船舶航行困難，到達船舶的分布狀況難以確定。

1.2.2 船舶方面

1)船舶大型化、標準化提升空間小

為了增加過閘船舶單閘次運量，大型化船舶受到船方青睞。由于長江下游航道水深的限制、閘內的水深控制，以及不同港口水陸域條件的不同，船舶的大型化已經達到了瓶頸期。由于船閘的閘室面積有限(平面集泊尺度為266 m × 32.8 m)，為了有效利用閘室的面積與水深，過閘船舶必須合理搭配，船舶不可能無限制地大型化；同時，受到市場因素影響，船舶標準化難以全面推進。

2)船舶實載率制約因素較多

限制船舶實載率的因素非常復雜。首先是船型，大船型船舶可以裝載更多的貨物，然而由于船閘的水深以及上下游航道的限制，大型船舶的實載率實際上并不高，而小型船舶的實載率雖較高，但總體來看，船閘的過貨能力也沒有得到較大提升；其次是船舶本身的配積載，合理的配積載可以進一步提高船舶的實載率；最后是航運企業的管理和市場因素的調節。上述因素以及其他天氣或者不可控因素都影響了船舶的實載率，對三峽船閘的過貨能力有一定的制約。

1.2.3 船閘運行組織方面

1)翻壩與分流

翻壩與分流切實解決了三峽船閘過貨能力不足的部分問題，然而有些貨類運輸，如：干散貨、集裝箱、危險品等大宗貨物的船舶卻很難在船閘檢修以及船舶嚴重堵塞時進行翻壩運輸，而且翻壩運輸大件貨物的成本較高，時間上也難以把控；同時，大規模修建翻壩設施會對三峽大壩周圍的生態環境產生一定影響。

2)通航管理

若要提高日運行閘次數，提升船舶進出閘的效率，加強船閘的操作技術是必不可少的。現階段船閘的操作技術已經達到較高水平，但還是有一定的提升空間。

2 三峽船閘極限過貨能力測算

2.1 仿真模型建立

2.1.1 仿真模型簡介

分船型制作仿真模型，包括source、batch、queue、lock、conveyor、speed、sink共7大模塊，其中：source為各種船型船舶的到達量模塊，batch為過閘批量數模塊，queue為錨地模塊，lock為閘門模塊，conveyor為閘室模塊，speed為過閘速度設置模塊，sink為最后一個閘門。運行后，通過sink的船舶數量也就是過閘船舶數量，如圖1。

圖1 船舶過閘仿真模型Fig. 1 Simulation model of ship passing through lock

2.1.2 模型參數設置

1)船舶到達數量設置

根據2010—2017年不同噸位船舶通過三峽船閘的船型比例ω0[10]，可回歸得到未來n年份時各船型通過三峽船閘的比例ωi的預測計算式，見表1。

表1 2010—2017年通過三峽船閘船型比例及未來通過三峽船閘船型比例預測計算式Table 1 Ship type proportion of ship passing through the Three Gorges ship lock from 2010 to 2017 and its prediction formula

選擇5個代表性船舶噸位i=2 000、3 000、4 000、5 000、7 500 t ，根據表1 的船型比例預測計算式，得到2022—2025年通過三峽船閘各噸位的船型比例ωi；再對其進行歸一化處理，可得到歸一化后船型預測比例ω′i，見表2。

表2 2022—2025年通過三峽船閘歸一化處理前、后的船型預測比例ωi、ω′iTable 2 Prediction proportion of ship type before and after normalization treatment of the Three Gorges ship lock from 2022 to 2025

按式(1)計算通過三峽船閘平均每艘船舶噸位I(單位：噸/艘)：

(1)

式中：ω′i為i噸位船型預測比例，%；k為船舶實載率，取k=0.8。

因此，預測計算得到2022、2023、2024、2025年通過三峽船閘平均每艘船舶噸位分別為4 958.62、5 014.26、5 062.5、5 105.52噸/艘。

設置4個到達船舶總數Q=50 000、55 000、60 000、65 000艘，由表2的船型預測比例ω′i，按照式(2)求出2022—2025年平均每小時船舶到達三峽船閘的數量q(單位：艘/h)，計算結果見表3：

(2)

式中：r為船舶除去汛期年航行時間，r=345d× 24h/d=8 280h；其他符號同前。

表3 2022—2025年每小時到達三峽船閘的各噸位船舶量qTable 3 Number of ships of various tonnage arriving at the Three Gorges ship lock per hour from 2022 to 2025

2)過閘時間設置

船舶實際過閘時，開關閘門耗時4 min，船舶進入耗時約20 min，船閘充水耗時12 min，通過每一級閘門耗時為40 min，船舶通過最后一級閘門耗時24 min，共為40 × 5 +24=224(min)。每個閘室長度為266 m，船舶通過三峽船閘速度約為266 × 5/224=5.94 (m/min)。

3)過閘船舶批量設置

船閘平面集泊尺度為266 m × 32.8 m，船舶尺度、一個閘室所能容納的各噸位船舶數Si和一次過閘載重g見表4。

表4 船舶參數及一次過閘載重Table 4 Ship parameters and load of ship passing through lock atone time

根據預測船型比例ω′i，由p=∑ω′i×Si計算得到考慮權重情況下2022、2023、2024、2025年一次過閘船舶數量，分別為4.87、4.84、4.81、4.78 艘，取整，最終得到每批過閘船舶數量p=4艘/批。

2.2 船閘過貨能力計算

取船閘每天運營時間22 h，一年365天除去由于汛期或者船閘檢修停止運營20天，實際船閘年運營總時間T=(365-20)× 22 × 60=455 400(min)。按式(3)計算船閘年過貨能力D(單位：億噸)，計算結果見表5：

(3)

式中：t為Anylogic模型仿真船閘運營時間，min；b為仿真運營時間內船閘模型通過的船舶批量，批；其他符號同前。

表5 三峽船閘過貨能力預測Table 5 Prediction of cargo handling capacity of the Three Gorgesship lock

從表5可以看出：在理想狀況下，2022—2025年，通過55 000艘船舶時，三峽船閘過貨量可達到最大值；2022年，到達船舶數量為55 000艘時，三峽船閘過貨量約1.79億噸；2022—2025年，三峽船閘年均過貨量超過1.50億噸。

3 改善措施

三峽船閘設計過貨能力為雙向1億噸，而在現有情況下，預測三峽船閘的年雙向最大過貨能力為1.79億噸。為了更好地發揮三峽船閘的作用，筆者提出以下改善措施：

1)推廣船型標準化。長125～130 m，寬16.2 m船型應用于三峽船閘過閘，可以提高船閘水深利用率和閘室的面積利用率，提高每閘次通過量。

2)改善過閘船舶吃水標準限制。在不影響安全的前提下，可以季節性放寬船舶的吃水標準，從而提高船舶的裝載率。

3)提高船閘的閘室面積利用率。合理安排船舶的搭配過閘，充分利用船閘的閘室面積，盡可能增加每閘次過閘船舶數量。

4)提高船舶噸位限制門檻。適當提高船舶噸位限制門檻，限制小型船舶過閘數量，增加大型船舶通過量，可提升三峽船閘的過貨量。

5)合理使用升船機。將小型船舶分配給升船機可以減少小型船舶通過三峽船閘的次數，將更多的時間分配給大型船舶，從而提高船閘的貨物通過能力。

4 結 語

為探究三峽船閘極限過貨能力，分析了貨物過閘影響因素及存在問題；利用現有數據預測2022—2025年船型比例；計算了船舶到達量及過閘船舶容量；運用Anylogic軟件建立了三峽船閘通航仿真模型，仿真計算得到三峽船閘的極限過貨能力為 1.79億噸；并對船型、過閘船舶吃水標準、閘室面積利用率、船舶噸位限制門檻、升船機使用等方面提出相應改善措施。研究得出以下主要結論：

1)船舶大型化趨勢越發明顯，但由于船閘利用面積限制，船舶大型化已無法使三峽船閘過貨能力達到最大。

2)當不同噸位船舶到達量超過55 000艘時，三峽大壩過貨能力將降低。

3)對船型、過閘船舶吃水標準、閘室面積利用率、船舶噸位限制門檻、升船機使用等方面采取有效措施能夠使三峽船閘過貨能力得以提升。