李帥斌 王家宏 艾萬政

【摘 要】 為確保船舶在內(nèi)河航道的通航安全，運用概率理論和船舶領(lǐng)域理論研究船間間距、船岸間距確定方法，運用水動力學(xué)理論研究彎道流致漂移量和船橋間距確定方法。研究結(jié)果表明：運用概率理論、船舶領(lǐng)域理論及水動力學(xué)理論研究船間間距、船岸間距及彎道流致漂移量、船橋間距科學(xué)合理；內(nèi)河航道寬度的確立應(yīng)綜合運用各種理論。內(nèi)河航道寬度的確定，有利于減少船舶交通事故發(fā)生的概率。

【關(guān)鍵詞】 航道寬度；通航安全；流致漂移量；船橋間距

0 引 言

航道是船舶通航的載體，其主要功能就是為船舶通航服務(wù)。相關(guān)統(tǒng)計資料表明，大約15%的交通事故是由航道缺陷造成的。因此，合理改造航道、科學(xué)布置航道浮標(biāo)，是確保船舶通航安全的重要前提之一。對于內(nèi)河航道浮標(biāo)設(shè)置而言，最重要的是航道兩邊的邊界浮標(biāo)設(shè)置問題。航道兩邊邊界浮標(biāo)之間的間距安排，是與航道寬度密切相關(guān)的。如果航道兩邊邊界浮標(biāo)之間的距離設(shè)置較大，就會浪費航道資源；如果航道兩邊邊界浮標(biāo)間距過小，就會影響船舶的通航安全。因此，航道邊界浮標(biāo)設(shè)置力求科學(xué)、合理。

眾所周知，影響內(nèi)河航道寬度的主要因素包括代表船型船舶航跡帶寬度、船間間距、船岸間距、附加寬度等。目前我國《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》對內(nèi)河航道寬度都有明確的界定。在該標(biāo)準(zhǔn)中，船舶航跡帶寬度、船間間距、船岸間距等參數(shù)都是以代表船型尺度（船長、船寬）來確定的。毋庸置疑，船舶航跡帶寬度與船舶的長度、寬度、偏航角相關(guān)，其完全可通過通航船舶的長度和寬度來確定。該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于航道的附加寬度并未有明確界定，尤其是天然彎曲航道的附加寬度，只提到應(yīng)適當(dāng)加寬，并未明確具體的計算方式和范圍。不少學(xué)者認(rèn)為，航道的附加寬度主要是指風(fēng)、流等因素對船舶造成的漂移量。目前，有關(guān)順直航道的風(fēng)致漂移量和流致漂移量的研究成果較多，可直接借鑒或用于順直航道的浮標(biāo)布置。[1]由于彎曲航道環(huán)流流向、流速均隨水深的變化而變化，如何確定彎曲航道船舶的流致漂移量，有待于進(jìn)一步研究。[2]船間間距、船岸間距的大小與船間效應(yīng)、岸壁效應(yīng)密切相關(guān)，而船間效應(yīng)、岸壁效應(yīng)不但與通航船舶的尺度相關(guān)，而且還與水流條件密切相關(guān)，是兩個非常復(fù)雜的問題。因此，單純以船舶尺度確定船間間距和船岸間距，明顯不夠合理。為此，關(guān)于內(nèi)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，有必要圍繞船舶通航安全討論船間間距、船岸間距及彎曲航道流致漂移量等問題，以便為內(nèi)河航道寬度的確定奠定基礎(chǔ)，以利于減少船舶交通事故的發(fā)生。

1 船間間距和船岸間距的確定方法

1.1 概率論確定法

目前關(guān)于船間效應(yīng)和岸壁效應(yīng)的研究成果較多，但這些成果多數(shù)只限于定性分析層面，尚未有關(guān)于數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗公式的研究。由于船間效應(yīng)和岸壁效應(yīng)的復(fù)雜性，很難從定量層面確定船間間距和船岸間距的大小。但是，概率論的相關(guān)知識為其提供了較好的解決辦法。

假設(shè)上水船和下水船偏離航道軸線的距離分別為x1和x2（見圖1）。由于兩船偏離航道軸線的距離不存在關(guān)系，因而x1和x2是無關(guān)隨機(jī)變量且服從正態(tài)分布。由圖1可得：

相關(guān)研究表明：均方差 x與船舶的尺度有關(guān)，其大小可以根據(jù)航道內(nèi)多年船舶通航觀測數(shù)據(jù)確定；同理可確定船岸間距。

1.2 船舶領(lǐng)域理論確定法

日本學(xué)者藤井彌平利用二維頻率分布法對日本近海船舶的相對位置信息進(jìn)行分析和研究，并得出船舶領(lǐng)域模型。此模型外形為橢圓形，本船處于橢圓圓心，橢圓長軸為本船中心線方向，短軸為本船正橫方向。船舶領(lǐng)域一般尺寸的具體數(shù)值為橢圓長軸是本船船長的7倍，短軸為本船正橫距的3倍。在現(xiàn)實船舶追越局面中，由于水域較寬，認(rèn)為本船可能會被追越船碰撞的船舶領(lǐng)域可以放大，其橢圓長軸一般為8倍船長，短軸為3.2倍正橫距。當(dāng)船舶航行到如港口內(nèi)部或狹窄水道等需要慢行的水域時，船舶領(lǐng)域取值為橢圓長軸為船長的6倍，短軸為正橫距的1.6倍。

Goodwin通過對藤井的船舶領(lǐng)域模型進(jìn)行研究與分析，創(chuàng)立了適用于寬闊水域的船舶領(lǐng)域模型（見圖2）。Goodwin認(rèn)為，船舶領(lǐng)域模型應(yīng)是不對稱的幾何圖形，藤井的船舶領(lǐng)域模型存在一定的問題，因而基于船舶號燈顯示范圍，重新劃分船舶領(lǐng)域，按照號燈顯示范圍以扇形區(qū)域進(jìn)行布置。

無論是藤井船舶領(lǐng)域模型還是Goodwin船舶領(lǐng)域模型，均是在分析大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出的，對船舶安全航行具有指導(dǎo)意義。在確定內(nèi)河船間間距及船岸間距時，也可以參考船舶領(lǐng)域理論，將船舶橫向領(lǐng)域的最大范圍作為船間間距及船岸間距的參考量。

2 彎道流致漂移量的確定方法

天然彎曲航道存在彎道環(huán)流，這種環(huán)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(yīng)考慮彎道環(huán)流引起的船舶橫向漂移量，這樣有利于船舶通航安全。彎道環(huán)流與普通橫流的不同之處在于：彎道環(huán)流的面流流向凹岸，隨著水深的增加，環(huán)流流速逐漸減??；當(dāng)水深到達(dá)某一深度時，環(huán)流開始反向（從凹岸流向凸岸），流速逐漸加大。彎道環(huán)流的這一特性，決定了其對吃水不同的船舶產(chǎn)生不同的橫向漂移量。

彎道環(huán)流流速表達(dá)式為

vr=4.8v （y 0.44 y1.268 0.307）（6）

式中：vr為彎道環(huán)流流速；v為彎道縱向流速；h為彎道水深；y為相對水深（相對水深的水深起點為河底，y=z/h）；r為彎道曲率。

因為彎道橫流與底流流向相反，設(shè)船舶吃水為d，則作用于船體上的平均彎道環(huán)流流速vd為

式（8）表明，作用在船體上的平均彎道環(huán)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（8）應(yīng)用到順直航道船舶流致漂移量計算公式中，即可得彎道船舶流致漂移量。

3 船橋間距的確定方法

內(nèi)河橋區(qū)航道往往也是事故多發(fā)地段。對于橋區(qū)航道而言，橋墩與航道邊界浮標(biāo)之間的間距也是航道寬度設(shè)計時的重要考慮因素。內(nèi)河航道建橋后，由于橋墩的存在，水流結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，船舶航行安全隱患也隨之增加。由橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)（見圖3）可以看出，橋墩紊流漩渦區(qū)是船舶通航應(yīng)回避的區(qū)域[3]；因此，也有人認(rèn)為橋區(qū)航道應(yīng)布置在橋墩紊流漩渦區(qū)外，也可以說，橋墩紊流漩渦區(qū)的橫向最大范圍應(yīng)是船橋之間應(yīng)保持的最小距離。關(guān)于橋墩紊流漩渦區(qū)范圍的相關(guān)研究較多，可選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗計算模型確定。計算確定的橋墩紊流漩渦區(qū)范圍完全可應(yīng)用到橋區(qū)航道寬度設(shè)計中。

4 結(jié) 語

內(nèi)河航道寬度布置涉及船舶的通航安全。對于內(nèi)河航道寬度而言，最關(guān)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，這些參數(shù)與多種影響因素相關(guān)，難以單純從定量角度確定。本文結(jié)合船舶操縱特性，從概率論和船舶領(lǐng)域理論兩個角度提出了確定船間間距和船岸間距的方法，從水動力學(xué)角度提出了彎道流致漂移量和船橋間距確定方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉明俊，艾萬政，程志友.蘇通大橋橋區(qū)水域船舶通航能力研究[J].船海工程，2006（4）：80-82.

[2] 劉明俊，呂習(xí)道.船舶過彎道所需航寬建模[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2006（1）：178-179.

[3] 莊元，劉祖源.橋墩紊流寬度的試驗研究[J].中國航海，2007（4）：5-9.