內河航道寬度確定若干方法探索

王家宏，王偉軍，艾萬政

（浙江海洋大學，浙江 舟山 316022）

航道是船舶通航的載體，其主要功能就是為船舶通航服務。相關統計資料表明，大約15%的交通事故是由于航道缺陷造成的。因此合理改造航道，科學布置航道浮標，是確保船舶通航安全的重要前提之一。對于內河航道浮標設置而言，最重要的是航道兩邊的邊界浮標設置問題。航道兩邊界浮標之間的間距安排，與航道寬度密切相關。如果航道兩邊界浮標之間的距離設置較大，就會浪費航道資源；如果航道兩邊界浮標間距過小，就會影響到船舶的通航安全。因而航道邊界浮標設置力求合理科學。眾所周知，影響內河航道寬度的主要因素包括代表船型船舶的航跡帶寬度、船間間距、船岸間距和附加寬度等。目前我國內河通航標準對我國內河航道寬度都有明確的界定[1-3]。在該標準中，船舶的航跡帶寬度、船間間距和船岸間距等參數都是以代表船型尺度（船長、船寬）來確定的。毋庸置疑，船舶的航跡帶寬度與船舶的長度、寬度和偏航角相關，航跡帶寬度完全可用通航船舶的長度和寬度來確定。而關于航道的附加寬度，內河通航標準中并沒有明確界定，尤其是天然彎曲航道的附加寬度，標準中只是提到，可考慮以順直航道寬度為基礎且適當加寬，但究竟以加寬多少為標準，內河通航標準中并沒有直接界定。不少學者認為，航道的附加寬度主要是風、流等因素對船舶造成的漂移量。有關順直航道的風致漂移量和流致漂移量，目前研究成果較多，在順直航道浮標設置中可直接借鑒運用[4-7]。但是對于彎曲航道而言，由于彎道環流的流向、流速均隨水深的變化而變化，因此彎道船舶的流致漂移量如何確定，則有待于進一步研究[5]。關于船間間距、船岸間距，其大小與船間效應、岸壁效應密切相關，而船間效應、岸壁效應是2個非常復雜的問題，其不但與通航船舶的尺度相關，而且還與水流條件密切相關。因此單純以船舶尺度去確定船間間距和船岸間距，明顯顯得不夠合理。為此，關于內河航道寬度的確定，重點是要解決船間間距、船岸間距及彎道流致漂移量等問題。由此看來，有必要緊緊圍繞船舶通航安全去討論船間間距、船岸間距及彎道流致漂移量等問題，以便為內河航道寬度的確定奠定基礎，以減少交通事故發生的概率。

1 船間間距和船岸間距的確定方法

1.1 概率論確定方法

船間效應和岸壁效應非常復雜，二者分別與船間間距和船岸間距密切相關。目前關于船間效應和岸壁效應，雖然研究成果較多，但這些成果多數只限于定性分析層面，關于船間效應和岸壁效應的數學模型或經驗公式，目前幾乎還沒見到。由于船間效應和岸壁效應的復雜性，所以也很難從定量層面去確定船間間距和船岸間距的大小。如果換位思考，概率論的相關知識為此提供了較好的解決辦法。

圖1表明了相遇船舶的狀況。x1表示；若下水船舶偏離航道軸線，其概率值可用x2表示。x1和x2無關，且都服從正態分布，且x1和x2是隨機變量，也就是說某船偏離航道軸線是隨機的，與另一條不相關。圖1表明

圖1 相遇船舶

式中：z0為相會船舶應保持的合理間距。式（1）說明，如果z>0，即x1+x2z0，相遇的2條船舶不可避免存在碰撞危險。如果設置

則綜合x1的正態分布函數f（x1）及x2的正態分布函數f（x2），可以得到

式（3）可改寫為

式（4）中

應用伯努利-泊松間距公式，可得到

從式（8）可以看出，正態分布規律適用于2條相遇船舶的橫間距分布。因此相遇船舶發生碰撞概率可以表達為

如果設定：dzu=σzu v，則式（9）可以變形為

引入拉普拉斯參數

結合式（10）、式（11）和式（12）可得

式（13）明確表明，在已經知道航道事故概率P的情況下（此值可根據航道設計要求預先設定），則可得到相應的z0，此時船間間距也就完全確定。例如，如果在航道規劃時，預計船舶碰撞概率預定為0.005，即P=0.005。則按照式（13），可以認為

根據式（13）可求解得到

如果認為船舶上、下水航行準確性一致，在這種預定情況下，可設置σx1=σx2，因此式（15）經過推導可得到

相關研究表明，均方差σx與船舶的尺度有關，其大小可以根據航道內多年船舶通航觀測數據確定。按照上述同樣的方法，船岸間距也完全可用類似的方法確定。但此方法要基于大量統計數據，對于新開辟的航道不一定完全適用。對于老航道的改進，則還有一定的指導意義。

1.2 船舶領域理論確定方法

日本籍學者藤井彌平在詳細調查日本近海船舶的相對位置時，在經過認真分析的基礎上，得出了一種模型，即船舶領域模型。船舶領域模型理論認為，船舶領域是以船舶為中心的橢圓形區域，該區域的長軸是船舶中心縱軸線，而短軸是與長軸相垂直的船舶中心的橫軸線。船舶領域的尺度如下：長軸大約為7倍船長，短軸為3倍船長，而船舶位于該領域的中心。在一般的船舶追越局面中，相對水域足夠，被追越船的船舶領域尺度可適當認為較寬，船舶領域長軸取8倍船長，短軸取3.2倍正橫距，這有利于船舶防撞。如果船舶航行到速度受限的水域，如港區、狹水道和狹窄海峽，此時船舶領域尺度可能大大減小，此時船舶領域的長軸一般取6倍船長，短軸一般取1.6倍正橫距。

Goodwin在認真研究藤井彌平船舶領域模型的基礎上，最終創立了一套改進的船舶領域模型，該模型較好地適用于寬闊水域（該模型如圖2所示）。其運用船員培訓機器及倫敦帝國理工學院雷達模擬器，進行了大量的船舶碰撞方面的試驗，并對北海南部區域的船舶交通進行調查，其調查方法與日本學者藤井彌平類似，并最終認為，《1972國際海上避碰規則》對船舶的行動有著較大的影響。從避碰規則來看，規則按照來船方位區別，對不同的避讓行動進行了規定。因而可見，藤井彌平的船舶橢圓形領域模型有著不完善的地方，船舶領域的幾何圖形不應該是對稱的。Goodwin在總結船舶號燈顯示范圍的基礎上，重新劃分了船舶領域，其領域范圍如圖2所示。其船舶領域模型充分考慮了《1972年國際海上避碰規則》對船舶行動行為的要求。無論是藤井彌平船舶領域模型還是Goodwin的船舶領域模型，都是通過分析大量數據得出的，對船舶安全航行具有指導意義。在確定內河船間間距及船岸間距時，也可以參考船舶領域理論，將船舶橫向領域的最大范圍作為船間間距及船岸間距的參考量。船舶領域可以用來設計航道的寬度，但該理論是日本學者統計日本航道情況而得出的，對于其他航道是否適用，還有待于進一步探索。因為航道寬度的確定與航道特定水流條件密切相關，船舶領域理論雖然有一定的指導意義，但其普遍適用性還需要進一步驗證。

圖2 Goodwin模型

2 彎道流致漂移量確定方法

在天然彎曲航道存在彎道環流，這種環流正是引起船舶橫向漂移的重要因素。在確定航道寬度時，應該將彎道環流引起的船舶橫向漂移量考慮進去，這樣有利于保證船舶運行安全。彎道環流與普通的橫流不同之處在于：彎道環流的面流流向凹岸，隨著水深的增加，環流逐步減小，當水深到達某一深度時，環流開始反向（從凹岸流向凸岸）并逐漸加大。彎道環流的這一特性，決定了其對吃水不同船舶產生的橫向漂移量不一樣。彎道環流可用公式表示為

式中：U為彎道縱向流速；H為彎道水深；y=z/H為相對水深用（水深起算點被認為從河底開始）；r為彎道曲率。在彎道存在彎道橫流，其底流流向凸岸，面流流向凹岸，面流和底流流向相反，因而，船舶吃水為d時，通過數學推導可知，作用于船體上的平均彎道環流流速可表達為

式中：ud為船體上的平均彎道環流流速。綜合式（17）及式（18），可以導出

式（19）表明，作用在船體上的平均彎道環流流速由彎道曲率、平均縱向流速、彎道水深和船舶吃水共同確定。將式（19）應用到順直航道船舶流致漂移量公式中，即可計算出彎道船舶流致漂移量。該方法本文相關作者曾在別的文獻中提及過，但計算程序較為繁瑣，適用性還不夠理想。

3 船橋間距確定方法

內河橋區航道往往也是事故多發地段。對于橋區航道而言，橋墩與航道邊界浮標之間的間距也是航道寬度設計時的重要考慮因素。內河航道建橋以后，由于橋墩的存在，水流結構變得復雜，航行安全隱患也增加。橋墩附近的水流結構如圖3所示。一般認為，橋墩紊流漩渦區是船舶通航應回避的區域[7-8]。因此也有人認為橋區航道應布置在橋墩紊流漩渦區之外，也可以說，橋墩紊流漩渦區的橫向最大范圍應是船橋之間應保持的最小距離。關于橋墩紊流漩渦區范圍，相關研究較多，可選用適當的經驗計算模型確定，計算確定的橋墩紊流漩渦區范圍，完全可應用到橋區航道寬度設計之中。但橋墩紊流是非常復雜的問題，從通航的角度如何確定其范圍，相關專家說法不一。因此關于橋墩紊流對通航的影響，有待于科學試驗的驗證。

圖3 橋墩水流結構

4 結論

內河航道寬度布置涉及到船舶的通航安全。對于內河航道寬度而言，最關鍵的是如何確定船間間距、船岸間距、彎道流致漂移量及船橋間距。而船間間距、船岸間距、彎道流致漂移量及船橋間距與多種影響因素相關，難以單純從定量角度去確定。本文結合船舶操縱特性，從概率論角度和船舶領域理論角度提出了確定船間間距和船岸間距的方法；從水動力學角度提出了彎道流致漂移量確定方法和船橋間距確定方法。本文的以上研究方法和手段，為研究其他航道問題提供了一種全新的視野，但相關方法也有其局限性，需要進一步研究。