劉春陽(yáng)，杜木子，陳 琦

(1.寧波中交水運(yùn)設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江 寧波315100；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

龍門港區(qū)是臺(tái)州港“一港六區(qū)”的重要組成部分[1]，同時(shí)也是溫嶺市發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和載體。近年來(lái)隨著龍門港區(qū)的整體開(kāi)發(fā)穩(wěn)步推進(jìn)，龍門港區(qū)泊位數(shù)量不斷增加、港口吞吐量快速增長(zhǎng)，龍門港區(qū)進(jìn)港船舶數(shù)量也明顯增加。為了確保龍門港區(qū)的順暢運(yùn)行，迫切需要建設(shè)配套錨地，以滿足船舶作業(yè)的需求。

龍門港區(qū)主要生產(chǎn)性泊位受到港區(qū)自然條件和航道條件的限制，主要船型需要乘潮進(jìn)出港。在設(shè)計(jì)龍門港區(qū)錨地錨位數(shù)量時(shí)，需要同時(shí)考慮錨地待泊、候潮的功能，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)錨地的總體規(guī)模，合理設(shè)置錨位數(shù)量。

關(guān)于錨位數(shù)量計(jì)算方法，《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]均提出錨地的規(guī)?？筛鶕?jù)反映船舶到港規(guī)律的排隊(duì)論模型進(jìn)行計(jì)算。這種模型認(rèn)為船舶到港規(guī)律及船舶在港作業(yè)時(shí)間遵守一定的數(shù)學(xué)分布，可以通過(guò)在港船舶保證率及泊位數(shù)量推算錨位數(shù)量，但只適用于計(jì)算待泊錨位數(shù)量。關(guān)于候潮錨地的錨位數(shù)量，目前行業(yè)內(nèi)尚無(wú)權(quán)威性的計(jì)算方法。

對(duì)于候潮錨地錨位計(jì)算問(wèn)題，連石水等[4]認(rèn)為候潮錨地錨位數(shù)與潮汐特征、航道管理及船舶到港時(shí)間規(guī)律等因素有關(guān)；曾建峰等[5]在條帚門外錨地工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)預(yù)測(cè)每日乘潮到港船舶流量配置候潮錨位。

本文從龍門港區(qū)實(shí)際條件和錨地待泊、候潮功能出發(fā)，提出了兼具待泊、候潮功能錨地錨位數(shù)量的設(shè)計(jì)方法和以候潮為主(純候潮或候潮+待泊)錨地錨位數(shù)量的設(shè)置方案，可為類似錨地工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 龍門港區(qū)現(xiàn)狀條件

龍門港區(qū)主要業(yè)務(wù)集中在龍門港務(wù)公司，共有3個(gè)碼頭泊位，泊位總長(zhǎng)328 m，可滿足1艘3 000噸級(jí)和2艘2 000噸級(jí)船舶同時(shí)停靠要求。2017年，因業(yè)務(wù)發(fā)展需要，碼頭等級(jí)由3 000噸級(jí)提升為減載靠泊5 000噸級(jí)船舶。龍門港區(qū)主要到港船型以5 000噸級(jí)及以下散貨、雜貨及集裝箱船為主。

航道條件方面，目前龍門港區(qū)進(jìn)港航道為港區(qū)北側(cè)九洞門航道，航道寬度為70 m，海圖最小水深2.95 m，僅滿足在氣象海況良好情況下3 000噸級(jí)設(shè)計(jì)船型和減載靠泊5 000噸級(jí)限定船型乘潮單向通航要求。龍門港區(qū)南側(cè)進(jìn)港航道工程正在建設(shè)中，該航道為減載5 000噸級(jí)單向航道，航道寬100 m，海圖水深7.6 m，保證率90%的乘潮水位為4.23 m(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?。該航道建成后，龍門港區(qū)將擁有開(kāi)展夜航的條件。

2 待泊錨位數(shù)量的確定

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量的資料證實(shí)，船舶到達(dá)符合泊松分布，我國(guó)日照港、大連港、天津港、秦皇島港、青島港、上海港等港口的船舶到達(dá)均遵從泊松分布。每艘船在港裝卸服務(wù)的時(shí)間則遵循負(fù)指數(shù)分布、K階愛(ài)爾蘭分布或定長(zhǎng)分布。根據(jù)此前提，龍門港區(qū)待泊錨位數(shù)量的計(jì)算可以采用《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的M/M/S排隊(duì)論模型計(jì)算，其表示的是：船舶到達(dá)為泊松分布，占用碼頭時(shí)間為負(fù)指數(shù)分布，泊位數(shù)量為S個(gè)。

(1)

(2)

(3)

令在港出現(xiàn)n艘船的保證率Qn為：

(4)

因此可以設(shè)置保證率，求出相應(yīng)在港(包括港內(nèi)和錨地)船舶艘數(shù)n，則錨地待泊錨位數(shù)An為：

An=n-S

(5)

根據(jù)龍門港務(wù)公司2019年3月—2020年3月船舶到港的情況分析，平均每天到港船舶1.97艘、平均每艘船占用泊位0.89 d，為達(dá)到錨地建設(shè)成本與港區(qū)生產(chǎn)效率的最佳匹配，可在保證率90%～99%范圍內(nèi)取值。本工程令Qn=95%，計(jì)算得到船舶艘數(shù)為6艘，即需要3個(gè)待泊錨位。

3 候潮錨位數(shù)量的確定

3.1 候潮錨位數(shù)量的理論計(jì)算方法

關(guān)于候潮錨地的錨位數(shù)量，目前行業(yè)內(nèi)尚無(wú)權(quán)威性的計(jì)算方法。在通常情況下，由于候潮船舶靠船的頻率較低，一般不需要考慮候潮船舶乘潮進(jìn)港后等待泊位的情況。可以認(rèn)為候潮錨位數(shù)量主要受船舶到港規(guī)律和潮汐特征的影響，忽略船舶在港裝卸時(shí)間和泊位數(shù)量的影響。另外還需考慮夜間航行管理要求的影響，當(dāng)航道允許夜間通航時(shí)，一般只要潮位合適，船舶即可于夜間進(jìn)出港；如果不允許夜航，夜間來(lái)船需要更長(zhǎng)時(shí)間等待。

綜上，候潮錨地錨位數(shù)應(yīng)綜合考慮潮汐特征、航道乘潮保證率、航道管理、乘潮船舶數(shù)量及船舶到港時(shí)間規(guī)律等因素，候潮錨地錨位數(shù)Mω1及在港乘潮船舶的保證率Qω1為：

Mω1=ω1ε1ε2

(6)

(7)

式中：ω1為保證率90%～99%時(shí)對(duì)應(yīng)在港乘潮船舶數(shù)量；ε1為潮汐特征影響系數(shù)；ε2為航道夜航管理影響系數(shù)；Qω1為在港有ω1艘乘潮船舶的保證率，即到港少于和等于ω1艘乘潮船舶的概率之和，參照待泊錨地錨位數(shù)計(jì)算時(shí)保證率，取90%～99%；P(k)為在港有k艘乘潮船舶的狀態(tài)概率。

其中ε1與根據(jù)逐時(shí)潮汐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的保證率90%的連續(xù)不能乘潮進(jìn)出港時(shí)間t有關(guān)，ε1=t/24，當(dāng)t≤24 h時(shí)ε1取1.0；當(dāng)進(jìn)港航道允許夜航時(shí)，ε2取1.0，當(dāng)進(jìn)港航道禁止夜航時(shí)ε2=1+12/t，當(dāng)t≤24 h時(shí)ε2取1.5。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，取港區(qū)乘潮進(jìn)出港船舶到港規(guī)律與港口所有船舶到港規(guī)律一致，服從泊松分布，則在港口有k艘乘潮船舶的狀態(tài)概率Pk為：

(8)

式中：γ為平均每天到達(dá)的乘潮船舶艘數(shù)，應(yīng)按乘潮船舶年運(yùn)量、船舶的實(shí)際載貨量、泊位年可運(yùn)營(yíng)天數(shù)等因素綜合考慮。

3.2 龍門港區(qū)候潮錨位數(shù)量的計(jì)算

根據(jù)龍門港務(wù)公司2019年3月—2020年3月船舶到港的情況分析，3 000噸級(jí)及以下乘潮船舶每天到達(dá)約1.27艘；5 000噸級(jí)乘潮船舶每天到達(dá)約0.7艘。令保證率Qω1=95%，根據(jù)3.1節(jié)所述理論計(jì)算公式計(jì)算得到：3 000噸級(jí)乘潮船舶ω1=3，5 000噸級(jí)乘潮船舶ω1=2。根據(jù)龍門港區(qū)2018年全年潮位歷時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到潮位歷時(shí)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 龍門港區(qū)2018年全年潮位歷時(shí)曲線

船舶乘潮水位按龍門港區(qū)南航道乘潮歷時(shí)1.0 h、保證率90%的水位4.23 m(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?分析，得到全年連續(xù)不能通航的時(shí)間及累計(jì)頻率，見(jiàn)表1，航道保證率90%對(duì)應(yīng)的連續(xù)不能乘潮進(jìn)出港時(shí)間t約為12 h，取ε1=1。

表1 龍門港區(qū)進(jìn)港航道連續(xù)不能通航時(shí)間及頻率

其中連續(xù)不能通航的時(shí)間在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮到兩種情況：

1)當(dāng)某一時(shí)間點(diǎn)Ti(i=1，2，…)的航道水位Hi低于乘潮歷時(shí)N的乘潮水位HN，則Ti時(shí)刻的連續(xù)不能通航時(shí)間為第1次高于HN且其后N內(nèi)水位均高于HN的時(shí)刻與Ti時(shí)刻之間的時(shí)差。

2)當(dāng)某一時(shí)間點(diǎn)Ti(i=1，2，…)的航道水位Hi高于乘潮歷時(shí)N的乘潮水位HN，如果第1次航道水位低于HN的時(shí)刻在N之后，則連續(xù)不能通航時(shí)間為0；否則Ti時(shí)刻的連續(xù)不能通航時(shí)間為第1次高于HN且其后N內(nèi)水位均高于HN的時(shí)刻與Ti時(shí)刻之間的時(shí)差。

考慮到南航道開(kāi)通后，龍門港務(wù)公司碼頭已經(jīng)具備夜航條件，因此本錨地計(jì)算按允許夜間通航考慮，ε2=1。因此3 000噸級(jí)及5 000噸級(jí)乘潮船舶所需錨位數(shù)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各船型所需候潮錨地錨位數(shù)量

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，3 000噸級(jí)及以下普通貨船需3個(gè)乘潮錨位，5 000噸級(jí)及以下普通貨船需2個(gè)乘潮錨位。經(jīng)過(guò)與龍門港區(qū)目前實(shí)際候潮錨位需求的對(duì)比，認(rèn)為本文所應(yīng)用的理論計(jì)算方法能夠較好地體現(xiàn)候潮錨位的需求。

4 錨泊綜合需求分析

本文所研究的龍門港區(qū)配套錨地除了待泊、候潮作用外，還考慮外輪及大型船舶引航的使用需要?？紤]到引航與候潮、待泊常常為同一連續(xù)的過(guò)程，而候潮、待泊錨位設(shè)置的保證率均取95%的較大值，因此可不單獨(dú)設(shè)置引航錨位，與待泊錨位、候潮錨位共用。

綜合以上論述，龍門港區(qū)配套錨地錨位數(shù)量將主要由待泊錨位和候潮錨位二者共同確定。待泊錨位與候潮錨位計(jì)算中，到港船舶規(guī)律均遵循泊松分布，且船舶到港(在港)保證率均取95%，考慮到大部分主力到港船型(3 000噸級(jí)與5 000噸級(jí))均須乘潮，進(jìn)錨地船只基本均以候潮為主(純候潮+候潮且待泊)，純待泊發(fā)生概率較小，因此在保證率一致的情況下，錨位數(shù)量考慮取待泊錨位數(shù)與候潮錨位數(shù)中的較大值，即候潮錨地錨位數(shù)量。

根據(jù)理論計(jì)算，龍門港區(qū)配套錨地所需待泊錨位計(jì)算值為3個(gè)，所需候潮錨位計(jì)算值為5個(gè)，因此錨地總錨位定為5個(gè)，其中3 000噸級(jí)及以下普通貨船錨位3個(gè)、5 000噸級(jí)及以下普通貨船錨位2個(gè)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)采用排隊(duì)論模型及連石水等對(duì)候潮錨位數(shù)量研究公式進(jìn)行綜合分析，得出了龍門港區(qū)配套錨地所需待泊錨位和候潮錨位計(jì)算值，總錨位數(shù)量取待泊錨位及候潮錨位計(jì)算值中的大值，為5個(gè)。

2)由于規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊(cè)中所列錨位計(jì)算方法僅適用于計(jì)算待泊錨位數(shù)量，無(wú)法為候潮錨位數(shù)量的計(jì)算提供依據(jù)。通過(guò)龍門港區(qū)配套錨地的實(shí)際案例分析，驗(yàn)證了錨地所需候潮錨位數(shù)量可根據(jù)綜合考慮船舶到港規(guī)律、潮汐特征、航道管理等因素的公式Mω1=ω1ε1ε2計(jì)算確定。

3)本文可以為龍門港區(qū)配套錨地的錨位數(shù)量的確定提供依據(jù)，減少錨地過(guò)度建設(shè)造成的資金浪費(fèi)，同時(shí)可以降低錨地建設(shè)過(guò)少帶來(lái)的船舶作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。龍門港區(qū)配套錨地在后期實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，可考慮到港船舶實(shí)際情況及錨地使用情況，進(jìn)一步評(píng)估錨位數(shù)量的合理性，并預(yù)留后續(xù)拓展錨位數(shù)量的條件。

4)本文可為港口錨位的計(jì)算提供參考。對(duì)于同時(shí)擁有待泊及候潮功能的錨地，錨位數(shù)量應(yīng)由待泊錨位和候潮錨位二者共同確定，對(duì)于進(jìn)錨地船只以候潮為主(純候潮或候潮+待泊)的錨地，在保證率一致的情況下，錨位數(shù)量可以考慮取待泊錨位數(shù)計(jì)算值與候潮錨位數(shù)計(jì)算值中的較大值。