港口水域航道合理規劃設計探究

◎ 王三才 中交水運規劃設計院深圳有限公司

華南地區是中國沿海地區的一個重要經濟區域，擁有眾多港口和航道資源[1]。隨著經濟發展和貿易活動的增加，港口水域航道規劃設計變得尤為重要。合理規劃設計能夠提高港口運輸效率、降低航行風險、保障船舶安全，并促進區域經濟發展[2]，對港口周圍的船舶操縱環境作出綜合分析考量也是十分必要的，這也是確保航道規劃合理性的重要基礎[3]。一旦出現航道設計不合理的情況，不僅會導致工程的功能無法達到預期目標，同時還有可能造成巨大的資源浪費[4]，影響地區經濟的健康發展。在此基礎上，本文提出港口水域航道合理規劃設計探究，充分考慮了在航道規劃過程中，各因素之間互相關聯、互相制約的關系，實現對航道的規劃設計，并通過對比測試的方式，分析驗證了設計規劃方法的應用效果。

1.港口水域航道合理規劃設

1.1 航道寬度設計

在開展港口水域航道規劃設計階段，對航道通航寬度進行合理設計是十分必要的[5]。根據《海港總體設計規范（JTS165-2013）》，航道通航寬度由航跡帶寬度、船舶間富裕寬度，以及船舶與航道底邊間的富裕寬度三部分組成。對單、雙線航道，航道通航寬度計算公式如下：

其中，W表示航道通航寬度，A表示船舶在行駛過程中航跡帶寬度，c表示以船舶底部為基準，其與航道底邊之間距離，也就是二者之間的富裕寬度參數，其一般情況下，該距離不低于行駛船舶的整體寬度值，b表示在航道內行駛時，相鄰船舶之間距離，也就是船只之間的富裕寬度參數。

在計算航跡帶寬度時，主要需要考慮的因素就是船舶在航道中航行時受客觀條件的影響程度。其中，具體的影響因素包括港口海域的自然條件，航道斷面形式、行駛船舶自身的特征，以及人為因素。在保持航向的基礎上，以導航中線為基礎，船舶的實際航行軌跡是呈左右擺動狀態的，具有蛇行運動的屬性特征。因此，其前進期間所占用的水面寬度計算方式可以表示為：

其中，n表示船舶漂移的倍數，L表示行駛船舶的長度，γ表示船舶行駛階段的風流壓差角參數，B表示行駛船舶的寬度。

對于船舶與航道底邊之間的富裕寬度，其主要受航速和船只類型影響，一般情況下，當船舶類型為雜貨船或集裝箱船時，航速不高于6.0kn條件下的船舶與航道底邊之間富裕寬度為行駛船舶寬度的二分之一即可，船速高于6.0kn條件下的船舶與航道底邊之間富裕寬度為行駛船舶寬度的四分之三即可；當船舶類型為散貨船時，航速不高于6.0kn條件下，船舶與航道底邊之間富裕寬度不宜低于行駛船舶寬度的四分之三，船速高于6.0kn條件下，船舶與航道底邊之間富裕寬度不宜低于行駛船舶寬度；當船舶類型為油船或其他危險品船時，航速不高于6.0kn條件下，船舶與航道底邊之間富裕寬度不宜低于行駛船舶寬度，船速高于6.0kn條件下，船舶與航道底邊之間富裕寬度不宜低于1.5倍行駛船舶寬度。

按照上述所示的方式，實現對港口水域航道寬度的合理設計。

1.2 航道水深設計

在對航道水深進行設計時，本文充分考慮了港口海域的基礎自然環境條件，結合船型在滿載狀態下的吃水深度，以滿足安全航行的最小深度為導向，結合影響進港航道水深的因素構成情況，對航道的具體水深參數進行設計，具體的設計結果可以表示為：

其中，D0表示航道通航水深情況，T表示通行船只的滿載吃水深度，Z0表示船舶航行時，船體的下沉深度，Z1表示船舶航行時，龍骨下最小富裕深度，Z2表示波浪富裕深度參數，Z3表示在船舶裝載情況下，縱傾富裕水深度，D表示航道設計水深，Z4表示備淤富裕深度。

根據港口的船舶類型和吃水要求，確定航道的寬度和深度。航道寬度應能夠容納船舶安全通行，并留有適當的余地用于超車或交叉避讓。航道深度則要滿足船舶的吃水需求，以確保船只在潮汐變化和水深限制下能夠安全通行。按照上述所示的方式，實現對航道水深的合理設計，最大限度保障船舶的通行需求能夠得到滿足，實現其效益的最大化。

2.應用測試

2.1 測試環境

針對本文提出的港口水域航道合理規劃設計方法應用效果進行分析，選擇某個港口作為基礎，并以其復式航道規劃工程為測試對象。對測試港口的基本情況進行分析，其中，規劃通航環境總面積為72.5平方公里，對應的碼頭岸線長度為29.30公里，港口提供的泊位數量為11 2個，在臨港物流產業區，對應的規劃面積為65.35平方公里。在此基礎上，對基本自然環境條件進行分析，具體如表1所示。

表1 測試環境自然環境信息

結合表1所示的信息，分別采用本文設計的港口水域航道規劃設計方法，以及文獻[4]提出的以優先隊列回溯算法為基礎的航路規劃設計方法、文獻[5]提出的以虛擬AIS航標為基礎的航道規劃設計方法在相同的環境條件下開展對比測試。

2.2 測試結果與分析

在對不同方法的航道規劃效果進行分析時，本文分別從安全性和有效性的角度進行評價，并設置了具體的評價指標，根據實際需求和規范制定相應的百分制評分標準。在安全性評價中，根據風力、能見度、船舶密度、船舶會遇率、漁船和小型船舶對大型船舶航行安全的影響程度，劃分不同的得分區間。而在有效性評價中，根據大型船舶待泊時間、能見度不良情況下的可航行天數、大風條件下的可航行天數、船舶交通量以及經濟效益和社會效益的大小，劃分不同的得分區間。通過量化評估每個指標，并綜合計算得到最終的百分制評分結果，可以對航道規劃設計的安全性和有效性進行評價。

具體的評價結果如表2 和表3所示。

表2 航道規劃設計安全性評價結果

表3 航道規劃設計有效性評價結果

結合表2所示的測試結果可以看出，在三種港口航道規劃方法下，優先隊列回溯規劃方法的評價結果相對較低，其中，航道內船舶會遇率達到了30.0%以上，對應船只之間影響也處于較高水平，均達到了40.0以上。在虛擬AIS航標規劃方法的測試結果中，航道內船舶密度也達到了36.44%，雖然與優先隊列回溯規劃方法相比有一定程度的下降，但是仍處于較高水平，漁船對大型船舶航行安全的影響也達到了30.0以上。相對比之下，在本文提出航道規劃設計方法的測試結果中，航道內船舶密度僅為20.57艘/海里2，因此航道內船舶會遇率明顯偏低，僅為12.13%，分別低于對照組18.11%和13.05%，對應的船只之間影響也處于較低水平，始終低于15。綜合上述測試結果可以得出結論，本文設計的港口航道規劃方法可以有效保障航道的安全性處于較高水平。

結合表3所示的信息對三種航道規劃設計方法對應的有效性評價結果進行分析，其中，優先隊列回溯規劃方法的評價結果明顯相對偏低，不僅大型船舶待泊時間長，惡劣航行條件下的可航行時間也明顯較短，這也是導致其船舶交通量較少的主要原因，相關效益也因此偏低。在虛擬AIS航標規劃方法的測試結果中，航道整體有效性評價結果與優先隊列回溯規劃方法相比有明顯提升，但是效益仍存在進一步提升空間。相比之下，在本文提出航道規劃設計方法的測試結果中，不僅大型船舶待泊時間控制在1小時內，船舶交通量也達到了4.05億噸，直接經濟效益分別高于對照組40.55分和32.44分，間接經濟效益分別高于對照組45.18分和34.20分，社會效益分別高于對照組40.86分和33.13分。綜合上述測試結果可以得出結論，本文設計的港口航道規劃方法可以有效保障航道的有效性處于較高水平。

3.結束語

在開展港口航道規劃的過程中，除了最基礎的航路選線外，結合具體的寬度限制以及航線水深情況作出適應性設計也是十分重要的。上述影響因素是關系到航道設計能否滿足實際應用要求的關鍵。為了實現合理規劃設計航路的目的，本文提出港口水域航道合理規劃設計探究，切實提高了對航道規劃的合理性，從安全和航道功能性指標兩個角度，保障了航道的應用價值。借助本文的設計與研究，希望能夠為實際的港口水域航道設計規劃提供一定的參考價值，助力海上運輸業的長遠發展。