蔣明鋒，張 明，廖 鵬，馮小香，普曉剛

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，長沙410200；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；3.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096）

長沙樞紐船閘運行初期的通過能力研究

蔣明鋒1，張 明2，廖 鵬3，馮小香2，普曉剛2

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，長沙410200；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；3.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096）

長沙樞紐為湘江航運的咽喉，交通繁忙，船閘運行壓力大。通過分析湘江長沙樞紐河段通航環(huán)境，根據(jù)船閘調(diào)度方案，建立了船舶過閘交通仿真模型，模擬分析了在不同工況、不同調(diào)度方案組合情況下長沙樞紐雙線船閘近期的運行狀態(tài)及通過能力。

通過能力;船閘;交通仿真;長沙樞紐

近年來，隨著內(nèi)河航運的發(fā)展，船閘堵船滯航現(xiàn)象日漸增多［1］，引起了社會各界的廣泛關(guān)注。長沙樞紐位于湘江航運的咽喉，交通繁忙，日過往船舶流量大，且由于船型復(fù)雜，多數(shù)為運砂船，船型龐大，一定程度上降低了船閘的實際通過能力，增大了船閘運行初期的交通壓力。為研究長沙樞紐船閘運行初期的通過能力，本文在對長沙樞紐河段交通流特性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)船閘調(diào)度方案，建立船舶過閘交通仿真模型，對近期現(xiàn)有船型情況下，船閘在不同調(diào)度方案、不同運行狀態(tài)下的通過能力進(jìn)行了分析，并研究了現(xiàn)狀情況下長沙樞紐船閘的最大通過能力，為管理部門的決策提供參考依據(jù)。

1 長沙樞紐河段交通流特點

1.1 樞紐概況

長沙樞紐是湘江干流八級開發(fā)規(guī)劃中的最下游的梯級，壩址位于長沙市望城縣境內(nèi)的蔡家洲河段，在長沙市城區(qū)下游約20 km，上距株洲航電樞紐135 km，下距城陵磯146 km。樞紐于2009年9月開工，2012年9月實現(xiàn)雙線船閘通航，2012年10月進(jìn)行三期導(dǎo)流，計劃于2015年完工。

長沙樞紐是一座以改善航運和改善長株潭三市濱水環(huán)境為主，兼有供水、發(fā)電、城市交通和發(fā)展水上旅游等綜合效益的樞紐工程。樞紐同步建設(shè)了雙線2 000 t級船閘，閘室有效尺度280 m×34 m×4.5 m，設(shè)計船型為一頂2艘2 000 t級駁船隊，一頂4艘1 000 t級駁船隊，2個船閘設(shè)計年單向通過能力共計為4 900萬t。

長沙樞紐正常蓄水位為29.7 m，三期圍堰期間上游最低通航水位為24.0 m，滿足1000 t級船舶通航標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)相關(guān)設(shè)計文件，常水頭3.68m時，船閘充水時間為5.6min，船閘泄水時間為5.5min；最大水頭7.8 m時，船閘充水時間為7.25min，泄水時間為7.5min。正常運行時，閘門的開啟時間為4.5 min。

1.2 湘江貨運量特點

隨著湘江干流航道等級的提高與湖南省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湘江貨運量快速增長，2000～2008年，湘江水路貨運量由2 003萬t增長到10 205萬t，年均增長22.6%。目前，湘江水運運量呈現(xiàn)以下特點［2］：

（1）湘江主要以大宗干散貨為主體，砂石等礦建材料占有相當(dāng)大的比重。2008年，湘江主要貨種是煤炭、礦建材料、砂石、散水泥、散化肥及化肥等大宗干散貨，運量8 726萬t，其中礦建材料7 569萬t，分別占貨運總量及大宗干散貨的比重的74.2%和86.7%。

（2）集裝箱運輸成為新的增長點。湖南省水運集裝箱始于1993年，2000年水運完成1.5萬TEU，其中湘江完成1.3萬TEU；2008年全省水運14.18萬TEU，湘江完成13.94萬TEU，年均增長32.1%。目前湖南省集裝箱航線以到上海的內(nèi)支線為主，少數(shù)為通過武漢港中轉(zhuǎn)至上海的內(nèi)支線。2012年，集裝箱船舶每日通過長沙樞紐斷面的時間較為固定，一般早出晚進(jìn)各有一次，船舶數(shù)量一般為5～6艘。

（3）湘江貨運量主要集中在株洲樞紐下游河段，尤其是在長沙岳陽兩港。2008年，株洲下游湘潭、長沙、岳陽三市的貨運量為8 514萬t，占湘江貨運量的80%以上，其中長沙、岳陽兩市為7 699萬t，占湘江貨運量的75.4%。

1.3 湘江船型特點

2012年5 月，對長沙樞紐河段進(jìn)行的調(diào)研表明［3］，湘江下游主流船舶主要為30～50 m和50～90 m，以1 000 t級船舶為主。根據(jù)2012年5月23日～26日的觀測結(jié)果，平均每日經(jīng)過長沙樞紐斷面的船舶為178艘次，過往船舶中1 000 t級的占46.3%，1 000 t級以上的占14.7%。過往船型中以自卸式運砂船為主，占47.15%。根據(jù)Google earth衛(wèi)星影像量測，運砂船長度一般分為50～56m、60～65m兩類，前方自卸式裝置為25～30 m。

需要指出的是，2012年5月由于長沙市進(jìn)行湘江采砂的綜合整治，運砂船的過往數(shù)量比整治前有所減小，如2011年3月12日8∶30～17∶30，統(tǒng)計經(jīng)過長沙樞紐壩址斷面的船舶數(shù)量達(dá)347艘，其中自卸式運砂船占到了70%。

2 過閘交通組織模型的構(gòu)建

2.1 船閘通過能力影響因素分析

船閘通過能力的影響因素較多，在實際運行中，主要與船閘運行的時間、船舶到達(dá)規(guī)律、船閘排擋方案、運量不均衡系數(shù)及裝載系數(shù)等有關(guān)。

（1）船閘運行的時間。

根據(jù)三峽船閘的實際運行經(jīng)驗［4-5］，在船閘運行初期，由于設(shè)備故障較多，且船長對于船閘需要一個逐漸適應(yīng)的過程，在船閘運行的初期，船閘每日可服務(wù)時間相對較短，而一次過閘時間卻相對較長；之后，船閘每日可服務(wù)時間和一次過閘時間會逐漸達(dá)到甚至超過設(shè)計值。

為了研究不同過閘時間參數(shù)對長沙樞紐雙線船閘通過能力的影響，根據(jù)初步設(shè)計文件、有關(guān)技術(shù)支持報告及同類船閘運行的實際經(jīng)驗，設(shè)計了兩種工況（表1）。工況1、工況2分別為運行初期開始及逐步運行一段時間后設(shè)計水平下船閘的運行情況。一次過閘平均時間計算時考慮一次過閘7條船舶，船閘單向運行與雙向運行次數(shù)的比例為1：4。

表1 一次過閘平均時間參數(shù)Tab.1 Average time parameter of ship lock operation

（2）船舶到達(dá)規(guī)律。

船舶到達(dá)規(guī)律包括船舶小時到達(dá)數(shù)量和船型分布兩個方面。船舶到達(dá)數(shù)量分布一般為隨機(jī)性事件，由于長沙樞紐船閘缺少相應(yīng)資料，根據(jù)經(jīng)驗假定到閘船舶數(shù)量服從泊松分布。由長沙樞紐船閘實際調(diào)研資料可知，泊松分布的期望λ=178；其船型分布情況，主要由調(diào)研資料確定，并適當(dāng)考慮了運砂船較多的實際情況（表2）。

（3）船閘排擋方案。

表2 近期過閘船舶（代表船型）交通特性統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of traffic characteristics for passing ships in recent time

根據(jù)各貨類船舶運輸特點，并考慮湘江企業(yè)的實際需求，為研究不同船閘排擋方案下船閘的通過能力，設(shè)計了3組排擋仿真實驗方案。

方案一：①船舶過閘優(yōu)先級按下列次序：危險品船＞公務(wù)船＞客船和載運鮮活貨的客船＞集裝箱運輸船舶＞貨船等，其中危險品船包括運輸煙花爆竹的船舶與液化氣體船（如油船）兩大類，公務(wù)船指擔(dān)任特殊任務(wù)的警衛(wèi)船、軍事運輸船等；②危險品船舶安排專閘通過；③同一優(yōu)先級船舶采用先到先過的原則。

方案二：在調(diào)度方案一的基礎(chǔ)上，針對同一優(yōu)先級別的船舶，排檔時小船協(xié)同大船，以閘室利用率最大為目標(biāo)，形成過閘隊列。

方案三：為應(yīng)急調(diào)度預(yù)案，即當(dāng)船閘可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)大量船舶積壓時，在調(diào)度方案二的基礎(chǔ)上，將易燃易爆危險品船不再優(yōu)先并安排專閘通過，而是安排集中通過，即在錨地待閘的危險品船舶數(shù)量滿足一定條件時才允許過閘，但同樣不同類型的危險品船不能同一閘通過。調(diào)度時允許過閘的條件是閘室利用率大于0.50，以提高船閘的利用率。

（4）運量不均衡系數(shù)及裝載系數(shù)。

根據(jù)長沙樞紐工程初設(shè)文件，該船閘的運量不均衡系數(shù)為1.3，裝載系數(shù)為0.7。

2.2 仿真模型設(shè)計

采用Arena仿真軟件，根據(jù)船閘排擋方案建立了雙線船閘的船舶過閘交通組織模型［6-7］，其中船閘排擋算法是模型的關(guān)鍵，模型中采用的是可排點概念進(jìn)行船舶的排擋，圖1和圖2分別為船舶過閘流程圖和船閘排擋算法流程圖。

圖1 船舶過閘流程圖Fig.1 Ship-crossing flowchart

圖2 船閘排檔算法流程Fig.2 Ship lock schedule algorithm flowchart

3 結(jié)果與分析

由仿真模型多次運算，統(tǒng)計了近期船閘運行一個月的指標(biāo)情況（表3）。當(dāng)過閘交通量λ=178艘/d即λ=3.7艘/h時，相當(dāng)于年單向過閘運量1 900萬t，工況1條件下，調(diào)度方案一對應(yīng)的日平均過閘14.4閘次，閘室利用率平均為0.48，上游和下游錨地平均延誤船舶量分別為3.5艘和3.1艘。工況2條件下，調(diào)度方案一對應(yīng)的日平均過閘16.6閘次，閘室利用率平均為0.46，下游和上游錨地平均延誤船舶量均為0.6艘。表明，在船閘運行初期交通需求量較小時，到閘船舶基本可以隨到隨走，船閘的運行狀態(tài)較優(yōu)。

表3 近期船閘運行一個月的指標(biāo)統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of operation indexes in the firstmonth navigation

相同調(diào)度方案下，工況2的平均日過閘次數(shù)和通過能力均較工況1大，而且相應(yīng)的交通運行狀態(tài)較工況1優(yōu)，顯然，提高一次過閘時間，增加船閘日過閘次數(shù)，是提高船閘通過能力的重要途徑。

相同工況條件下，對于調(diào)度方案一、調(diào)度方案二和調(diào)度方案三，當(dāng)過閘交通需求量較大時，它們對應(yīng)的通過能力依次增加，而過閘交通需求量較小時，3個調(diào)度方案所反映出來的船閘運行指標(biāo)是基本一致的。這主要是因為交通需求量較小時，由于到達(dá)船舶的隨機(jī)性，為兼顧船閘運行成本和船舶延誤時間，閘室利用率并不能得到顯著提高，而且可能還會大大增加個別船閘的延誤，如調(diào)度方案三中油船的日到船量僅為3艘，先期到達(dá)的油船要延誤好幾天才能等到足夠的同類船舶一起過閘（要求閘室利用率大于0.5）；而交通需求量較大時，往往是錨地有大量的船舶等待過閘，這時可充分提高船閘的閘室利用率。

考慮排隊系統(tǒng)的最大容量，仿真計算了工況1和工況2條件下各調(diào)度方案的日最大過船量（表4）。以工況1條件時調(diào)度方案三為例，當(dāng)日過閘需求量或船舶流量小于215艘/d時，船閘運行狀況較優(yōu)，不會出現(xiàn)大量的船舶積壓，當(dāng)船舶流量大于215艘/d時，船閘將會出現(xiàn)大量的船舶積壓。

表4 近期船閘的最大日過船量（艘/d）Tab.4 Themaximum lock capacity in recent time

4 結(jié)論與建議

（1）長沙樞紐船閘交通流量大，在運行初期由于一次過閘時間較長，船閘設(shè)備故障等原因，抗風(fēng)險能力相對較低。為防范可能出現(xiàn)的交通擁堵，建議加強(qiáng)壩區(qū)船舶航行交通管制，制定有關(guān)通航應(yīng)急預(yù)案，建立相應(yīng)預(yù)警機(jī)制。

（2）運砂船的船型龐大，進(jìn)出船閘也有一定危險，為保證船閘運行安全，提高船閘通過能力，應(yīng)推進(jìn)對現(xiàn)有運砂船的改造，并進(jìn)一步促進(jìn)湘江航運船舶的大型化及標(biāo)準(zhǔn)化；同時做好船閘排擋工作，增加每閘次的過船量，提高船閘閘室利用率。

（3）船舶良好過閘秩序的形成、及船閘通過能力最大化的實現(xiàn)與船舶航行及船閘的調(diào)度管理息息相關(guān)，為提升長沙樞紐雙線船閘通過能力，必須建立高效的船舶監(jiān)管及過閘調(diào)度機(jī)制，因此，必須實現(xiàn)湘江航運管理的信息化，以保障湘江黃金水道建設(shè)的順利推進(jìn)。

［1］張明,李民,馮小香.長洲樞紐雙線船閘堵船原因分析及對策［J］.水道港口,2012,33（2）:142-146. ZHANG M，LIM，F(xiàn)ENG X X.Causes and Countermeasures of traffic jam in Changzhou double line ship lock［J］.Journal of Waterway and Harbor,2012,33（2）:142-146.

［2］湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,湖南省水利水電勘測設(shè)計研究院.湘江長沙綜合樞紐工程初步設(shè)計［R］.長沙：湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,2009.

［3］張明.湘江長沙綜合樞紐工程船閘交通組織研究［R］.天津:交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所,2012.

［4］高雄.三峽船閘試通航半年簡析［J］.水運工程,2004（5）:64-68. GAO X.SIX Months′Trial Navigation of Three Gorges Ship Lock［J］.Port&Waterway Engineering,2004（5）:64-68.

［5］宋維邦.三峽雙線五級船閘通過能力分析［J］.中國三峽建設(shè),2003（9）:44-45. SONGW B.On traffic capacity of Three Gorges double line five step ship lock［J］.China Three Gorges Construction,2003（9）: 44-45.

［6］朱順應(yīng),朱凱,王麗錚.基于Arena的三峽樞紐運輸系統(tǒng)仿真模型［J］.水運工程,2011（2）:.40-44. ZHU SY,ZHU K,WANG L Z.A simulation model based on Arena for the transportation system of the Three Gorges Region［J］. Port&Waterway Engineering,2011（2）:40-44.

［7］商劍平,吳澎,唐穎.基于計算機(jī)仿真的船閘聯(lián)合調(diào)度方案研究［J］.水運工程,2011（9）:199-204. SHANG JP,WU P,TANG Y.On multiple-lane lock′s joint scheduling plan based on computer simulation［J］.Port&Waterway Engineering,2011（9）:199-204.

珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展上升為國家區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略

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Study on recent lock capacity of Changsha hydro-junction

JIANG M ing-feng1,ZHANG M ing2,LIAO Peng3,FENG Xiao-xiang2,PU Xiao-gang2
(1.Changsha Xiang-river comprehensive hub DevelopmentCo.,LTD.,Changsha 410200,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;3.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Changsha hydro-junction is located at the throat position of Xiangjiang river,and the ship locks are confronted with much pressure due to the heavy shipping traffic.Based on the analysis of the navigation environment and the scheduling scheme,the simulation model was established to simulate the lock capacity of the Changsha hydro-junction in the recent time in this paper.

lock capacity;ship lock;traffic simulation;Changsha hydro-junction

U 641.7+3

A

1005-8443（2013）04-0359-05

2012-12-18；

2013-04-11

湘江長沙綜合樞紐公司項目（CSSN-服務(wù)-38-03）：湘江長沙綜合樞紐工程船閘交通組織研究

蔣明鋒（1982-），男，廣西桂林人，工程師，主要從事港口與航道工程的設(shè)計與管理工作。

Biography：JIANGMing-feng（1982-）,male,engineer.