港口水域航道規(guī)劃設(shè)計難點與對策研究

婁萬里，王能貝

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310006）

港口水道是船舶進出港口的必經(jīng)之路，其合理與否與港口進出港口的安全性密切相關(guān)。港口的水運是港口規(guī)劃、設(shè)計和維護中的一項關(guān)鍵內(nèi)容[1]。在港口水運通道的規(guī)劃中，主要考慮了水運通道的血線、規(guī)模和港口航行標識等方面的問題。隨著全球貿(mào)易的增加，港口水域航道規(guī)劃設(shè)計變得越來越重要[2]。在這個領(lǐng)域中，規(guī)劃師必須考慮多種因素，如航道深度、船只尺寸、交通流量、海洋氣候等。因此，港口水域航道規(guī)劃設(shè)計面臨著一些獨特的難點和挑戰(zhàn)。

首先，港口水域航道規(guī)劃設(shè)計需要充分考慮不同種類船只的需求。不同類型的船只有不同的尺寸、吃水深度、轉(zhuǎn)向半徑和速度，這些因素必須被納入考慮[3]。其次，規(guī)劃師必須考慮海洋氣候的影響，如風(fēng)、潮汐和浪涌等，這些因素會影響船只的穩(wěn)定性和操作能力[4]。此外，隨著船只尺寸不斷增大，航道的設(shè)計也變得更為復(fù)雜。航道深度、寬度和轉(zhuǎn)彎半徑等參數(shù)需要根據(jù)不同類型的船只進行優(yōu)化設(shè)計[5]。在這個過程中，需要考慮到港口的使用率和交通流量，以確保船只能夠安全、高效地通過航道[6]。

在面對這些難點和挑戰(zhàn)時，規(guī)劃師需要采取一系列對策來解決問題。這些對策包括建立精細的航道模型、應(yīng)用高精度的測量技術(shù)、利用先進的計算機模擬和優(yōu)化方法等[7]。此外，規(guī)劃師還需要與港口管理部門、船舶運營商和海事監(jiān)管機構(gòu)等相關(guān)方進行充分溝通和協(xié)調(diào)，以確保規(guī)劃設(shè)計符合各方需求和標準[8]。因此，港口水域航道規(guī)劃設(shè)計是一個高度復(fù)雜的任務(wù)，需要綜合考慮多個因素，并采取有效的對策來應(yīng)對挑戰(zhàn)。如何科學(xué)、科學(xué)地進行港灣河道的規(guī)劃與養(yǎng)護，對于實現(xiàn)港灣河道的規(guī)劃與養(yǎng)護是十分必要的。

1 航道設(shè)計工作的重要性

水路運輸?shù)陌l(fā)展直接關(guān)系到我國在“兩個大”中的“兩個小”，也關(guān)系到我國與世界各國之間的經(jīng)濟交往。盡管我國有很多地方因為其特殊的區(qū)位，而已是中國外貿(mào)快速發(fā)展和繁榮的地方。但是，一些地區(qū)的水路運輸設(shè)施的發(fā)展還不能很好地滿足地方的地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的需求，更不能滿足依靠口岸在外地運輸國內(nèi)外貨物和原料等方面的需求。

因此，隨著我國各地區(qū)經(jīng)濟的均衡發(fā)展和工業(yè)經(jīng)濟向發(fā)達地區(qū)的不斷轉(zhuǎn)變，中國水路工程也必須緊追不舍。從目前的形勢看，隨著國內(nèi)造船朝著 LNG、原油、礦石及集裝箱船的大型化發(fā)展，對水路建造技術(shù)的需要也隨之增加，對其工程師的技術(shù)要求也隨之提高。與此同時，中國不斷發(fā)展的港口建設(shè)，以及大量河道的開挖、挖沙、填沙等，使得許多河道的底質(zhì)狀態(tài)發(fā)生了變化，進而對原有的通航環(huán)境造成了一定的破壞。因此，無論是工程設(shè)計者還是科研工作者，都應(yīng)該對目前形勢下的水運規(guī)律進行深入的探討與創(chuàng)新。在深入探索適應(yīng)現(xiàn)代航線的運營技術(shù)的基礎(chǔ)上，努力進行技術(shù)創(chuàng)新，從而進一步提升航線的品質(zhì)，促進我國水路運輸?shù)陌l(fā)展。

2 港口水域航道合理規(guī)劃設(shè)計存在的問題

2.1 存在的問題

通過對目前國內(nèi)港口的調(diào)研和分析，隨著我國海運產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，由于其基本設(shè)備和服務(wù)的不健全，造成了整個運輸系統(tǒng)的運行效率低下，同時也產(chǎn)生了一定程度的“環(huán)境污染”現(xiàn)象。在港口航道的建設(shè)方面，還存在著航道的淤積、航道的選擇、航道的深度、航道的寬度等方面的問題。

2.2 地質(zhì)條件、自然環(huán)境對航線影響

在進行港口航道的規(guī)劃設(shè)計時，要將水文氣象、流域水深等各種地質(zhì)條件對航道的規(guī)劃產(chǎn)生的影響進行全面的分析，并以最大限度利用自然水資源的地點進行航道的規(guī)劃。在進行航道規(guī)劃時，應(yīng)充分考慮到自然條件對航道規(guī)劃的作用，具體應(yīng)考慮如下三個方面：一是考慮強風(fēng)和強浪等對航道規(guī)劃的影響；二是要充分考慮到天然條件對堤頭的作用，堤頭的傾角不宜大于30 度；三是大型艦船的一些特點，例如漂移比較大，所以在進行航路規(guī)劃時，也要考慮大風(fēng)和海浪等影響因素。

2.3 航道軸線安置要點

首先，在港口航道軸線的平面設(shè)計中，要盡量避免S 型彎道轉(zhuǎn)向，要盡量保證航道軸線光滑，以保證船舶在運行時能夠安全出入，防止船舶因轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生的觸壁等問題。

其次，受客觀條件的制約，當港口水道條件無法達到平穩(wěn)，而需要進行水道轉(zhuǎn)向的平面設(shè)計時，就應(yīng)該對轉(zhuǎn)彎角度的尺寸進行嚴格的控制，將轉(zhuǎn)彎角度控制在30°之內(nèi)。若此限制還不能得到充分的保證，則可采取加寬航道寬度和增大轉(zhuǎn)彎半徑的方法，以減小轉(zhuǎn)彎時對船體產(chǎn)生的影響。

第三，在航道設(shè)計中，當航道軸線位置的限制仍然不能得到滿足，并且有可能會發(fā)生多個轉(zhuǎn)向的時候，就必須對現(xiàn)實狀況進行全面的分析，盡量降低轉(zhuǎn)向的數(shù)量，并且要將船舶的體積、功能和航道寬度等方面進行全面的分析，以達到減小掉頭角度的目的，并且要對航道的寬度做好足夠的規(guī)劃，以保證船舶在多次掉頭過程中能夠達到掉頭后的船體方向調(diào)整的需求。

第四，在碼頭入口段進行路線設(shè)計時，要保證航線軸線呈直線形式。

3 解決對策

3.1 港口通行路線的布局設(shè)計

由于河道的數(shù)目眾多，其所處的自然環(huán)境也是千差萬別，因此，河道的功能取決于其所處的地理位置、航線上的資源和發(fā)展程度、經(jīng)濟發(fā)展狀況以及交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展狀況。將運河劃分為三類：高規(guī)格運河、區(qū)域性運河和其它運河。在確定路線時，既要考慮到安全性，又要考慮到施工工期及施工工期等因素對海運交通的影響。以下規(guī)定應(yīng)予遵守：

（1）根據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)條件，進行航道的規(guī)劃。要對該航線范圍內(nèi)的水深、水文氣象進行全面調(diào)查并進行分析，同時要根據(jù)港口總體設(shè)計、地形條件，盡量選擇能夠使用天然流量的地區(qū)來規(guī)劃航道。

（2）線路軸心的設(shè)計要點。為了保證船舶能夠安全進出，并保證給船舶提供充足的工作環(huán)境，在對航道軸線進行規(guī)劃時，需要達到如下幾點：在進行航道軸線的設(shè)計時，要保證最大限度地保證平坦，最大限度地減小 S 型線路；如圖1 所示，如果要改變航線，就需要控制船頭的偏轉(zhuǎn)，一般情況下，船頭的偏轉(zhuǎn)角要小于30 度。

圖1 航道軸線轉(zhuǎn)向

如果因客觀條件無法保證轉(zhuǎn)彎角小于30 度時，應(yīng)適當增大轉(zhuǎn)彎半徑，減少受力；在航線規(guī)劃中，要盡量減小轉(zhuǎn)向的幾率，如果一定要進行多次的轉(zhuǎn)變，則要根據(jù)船只的體積、船只的性能以及行駛路徑的寬窄等因素，盡量減小轉(zhuǎn)變的角度，并保證能夠滿足船只轉(zhuǎn)變方向后變動船體方向所需要的水道的寬度的需求；在對大門線路進行規(guī)劃時，要避免產(chǎn)生波浪，要保證采用直線型的布置方式，如果由于目標原因而發(fā)生了變化，則要保證路線的直線的長度能夠滿足兩次變化方向所需要的直線距離。

為減小航道軸線、橋梁、燈塔、觀測點等不動設(shè)施相隔較近，在風(fēng)的速度、水流的速度作用下，對其它建筑物周圍的流場產(chǎn)生一定的影響，并對航道上的原本的風(fēng)速、水速產(chǎn)生一定的破壞，會導(dǎo)致通過的船舶偏離航線等情況，因此，需要控制航道邊緣到不動建筑設(shè)施的直線長度，通常情況下，航道邊緣到不動建筑設(shè)施的間距應(yīng)大于不動設(shè)施的寬度3.5 倍。

（3）進一步考察目標自然因素在路線選擇中的影響。要根據(jù)當?shù)氐目陀^的水文和地質(zhì)條件，選擇航線的路線布置，同時也要注意到客觀的自然條件對船只運輸所產(chǎn)生的影響，要綜合考慮多種因素。還要考慮到以下條件：選定的通道的中軸要能保證不受強風(fēng)的作用，避免與湍流發(fā)生碰撞；碼頭的位置要根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況來選擇，通常情況下，碼頭與航道的夾角不能超過30 度。

（4）河道自身也會影響航路。根據(jù)當?shù)氐目陀^自然條件，選擇河流出口處的航道，在保證水道水深的條件下，使船舶能夠方便地轉(zhuǎn)向、通行等。在選擇河流入口處的上游位置時，一定要保證在不破壞河流原有力度、水速的前提下，沿著河流的主要流向，沿著河流進行航線布置，保證河道的方向與原來的河流方向在一條線上，這樣才能避免河流對船只本體造成的沖擊影響。以此為依據(jù)，盡量保證水道上沒有多余的裝備，盡量使設(shè)施結(jié)構(gòu)簡單化，與此同時，為各種設(shè)施配備導(dǎo)航裝置，并顯示它們的功能，盡量為船舶提供方便。

3.2 航道及航跡帶寬度確定

航道寬度的確定方法，主要包含了實船觀測方法、操船模擬裝置試驗等方法。目前，如果有必要將 A 港口水域的單航道擴大到雙航道，應(yīng)該以每日進入、離開港口船舶流密度超過航道全天候通航時船舶的次數(shù)90.0%為指標。在此基礎(chǔ)上，采用單槽的有效寬度的計算方法：

而雙航道有效寬度計算公式為：

式中，W、A、c、b 分別為航道通航寬度、航跡帶寬度、船舶與航道底邊線間富裕寬度、船舶間富裕寬度航道設(shè)計基本尺度如圖2。

圖2 船舶間富裕寬度航道設(shè)計基本尺寸

其中航跡帶寬度A 計算公式為：

式中，A 為軌跡波段的寬度，n 為船只的漂流系數(shù)；其中，B、L 為設(shè)計船體寬度，γ 為風(fēng)流壓差。船的飄移系數(shù)與風(fēng)的壓力偏角值之間的關(guān)系見表1。

表1 船舶漂移倍數(shù)n 和風(fēng)、流壓偏角與風(fēng)流壓偏角γ 值

3.3 航道水深確定

港口水域航道規(guī)劃設(shè)計中，航道水深的確定是非常重要的，因為它直接關(guān)系到船舶的安全通行。下面是確定航道水深的一些方法：

根據(jù)船型和吃水確定水深。船只的吃水是指船舶在水中的深度，不同船型和船舶吃水深度不同。在航道規(guī)劃設(shè)計中，需要了解船舶的吃水深度，以此來確定航道水深。通常，確定航道水深的方法是將船舶吃水深度與安全通行所需的最小水深進行比較，確定航道水深。

根據(jù)船舶通行需求確定水深。在規(guī)劃港口航道時，需要根據(jù)船舶的通行需求來確定航道水深。例如，某些船只需要較深的水深才能進入港口，因此需要在規(guī)劃設(shè)計中增加相應(yīng)的水深。此外，船只在不同的時間段需要不同的水深，因此在規(guī)劃設(shè)計時需要考慮船只通行的時間，并確定相應(yīng)的航道水深。

利用測量數(shù)據(jù)確定水深。港口航道的水深可以通過水下測量技術(shù)來確定。測量方法包括單光束測深儀、多光束測深儀、聲學(xué)測深儀等。這些技術(shù)可以測量出航道的水深和底部地形等信息，以此來確定航道水深。

總之，在港口水域航道規(guī)劃設(shè)計中，確定航道水深是一個綜合考慮船舶吃水深度、通行需求和實際測量數(shù)據(jù)等多方面因素的過程。

4 規(guī)劃航道的安全性評價

規(guī)劃航道的安全性評價是一個重要的環(huán)節(jié)，它可以評估航道規(guī)劃設(shè)計是否滿足船舶安全通行的要求，幫助決策者制定出更加科學(xué)和合理的航道規(guī)劃方案。下面是規(guī)劃航道的安全性評價的一些方法：

風(fēng)險評估法是一種常用的評估航道安全性的方法。該方法通過對各種潛在的事故和災(zāi)害進行分析，評估它們的可能性和后果，從而得出航道安全風(fēng)險的等級和評價結(jié)果。評估結(jié)果可以為決策者提供重要的參考，以制定出更加安全的航道規(guī)劃方案。

模擬仿真法是一種基于計算機技術(shù)的方法，可以對航道規(guī)劃設(shè)計進行數(shù)字化模擬和仿真，以評估航道安全性。該方法可以模擬船舶在不同環(huán)境和情況下的行駛情況，例如在不同的天氣、潮汐和水深條件下的行駛情況，從而評估航道規(guī)劃設(shè)計的安全性。

專家咨詢法是一種基于專家意見和經(jīng)驗的評估方法。該方法通過征求專家的意見和建議，評估航道規(guī)劃設(shè)計的安全性。專家可以從不同角度出發(fā)，從船舶技術(shù)、環(huán)境因素、航道條件等多個方面對航道規(guī)劃設(shè)計進行評估，以提供決策者更加全面的評價結(jié)果。

在規(guī)劃航道的安全性評價中，不同的評價方法可以結(jié)合使用，以得出更加科學(xué)和合理的評價結(jié)果，為決策者提供重要的參考。由于水道是一種多用途的基本結(jié)構(gòu)，它的好壞直接關(guān)系到船只能否安全通過。通過對氣象條件、管理動態(tài)和通航環(huán)境等要素的深入分析，可以降低外部要素對口岸河道所造成的負面影響。從整體安全評估的觀點出發(fā)，應(yīng)該嚴格按照風(fēng)險與安全這兩個主要的準則，對風(fēng)向與航道的流向、深度、底質(zhì)等多個要素展開科學(xué)的評估。

5 結(jié)論

總的來說，在進行總體規(guī)劃和設(shè)計時，要遵循安全性、經(jīng)濟性和合理性的原則，重點要從航道選線、航道寬度和水深等方面入手，這樣才能形成一個完美的規(guī)劃設(shè)計方案。在進行設(shè)計、規(guī)劃的時候，要與航道的現(xiàn)狀以及未來通航要求、發(fā)展趨勢等相聯(lián)系，重視對港口水域航道進行規(guī)劃、設(shè)計的長遠性，并引進航道設(shè)計的安全性評價的原理，以提高港口水域航道設(shè)計的合理性，減輕港口水域航道的交通壓力，使得船只和港口的數(shù)量都在持續(xù)增加，以適應(yīng)未來的港口航道的建設(shè)與發(fā)展需要。