长江中游航道货运承载能力表征模型与算法研究

徐湘文 杨传波

(1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司 武汉 430071； 2.长江航道测量中心 武汉 430010)

长江经济带依托长江黄金水道横跨我国东、中、西三大区域，中游起着承东启西的重要作用。长江中游航道货运承载能力是长江开发与保护规划的数据基础。目前的规划中通常采用的内河航道通过能力，其实质是指某一航段，某一时间段内，通过航段断面的船舶数量[1]，通过能力的应用具有一定的局限性[2]，在由不同尺寸的航段连成的多级航道中，只能用最大流最小分割法确定通过能力。货运承载能力由环境承载能力衍生而来，是承载能力概念在交通领域的拓展。

环境科学的快速发展为航道货运承载能力的研究提供了新思路。Odum[3]运用数学公式，将承载力概念用对数增长方程表示。Bishop等[4]将环境承载力定义为在可接受的生活水平条件下，区域内能够永久承载的人类活动的强烈程度。高吉喜[5]提出了生态弹性系数的概念，将环境承载力由原来的一个固定的值变化为一个区间。格日乐等[6]在额济纳绿洲土地承载力的研究中，建立了土地承载力的系统动力学模型来预测土地承载力的变化机理与因素。长江中游各航段等级不同，各航段通过能力不同，考虑货流OD矩阵，形成对长江中游货运承载能力的表征模型和测算方法。

1 表征模型

长江中游航道承载的货流量可分为：起运港和终点港均在长江中游航道的内部货流；起运港和终点港位于上下游港口，货物只通过长江中游航道的过境货流；起运港在长江中游航道内部，终点港为上下游各港口，或者起运港的区间货流等3类。

长江中游航道货运承载能力是指在单位时间(以年为时间周期)内的长江中游航道所承载的总货量(Q)的最大值。长江中游航道货运承载能力的表征方式为

2 货运网络OD矩阵

根据长江干线港口吞吐量数据，结合复杂网络的相关研究结果，推算长江中游货运网络OD矩阵。通过港口吞吐量推算货运网络OD矩阵。推算采用如下公式

式中：Dj为第j港口的进港货量；Oi为第i港口的出港货量。

多次迭代，直到

表1 P矩阵

3 航段通过能力

3.1 长江中游航段情况

长江从中游开始进入我国地势第三阶梯的长江中下游平原地区，中游航道两岸地势平坦，河道迂回曲折，水位、水流、水深、河床地形等关键航道要素变化复杂，相较于南京以下12.5 m水深渠化航道，整个中游航道等级偏低，通航环境复杂，通航能力较差。

中游航道长共955 km，可分为宜昌下临江坪-大埠街，宜昌大埠街-岳阳城陵矶，城陵矶-武汉长江大桥，武汉长江大桥-江西湖口共4段。其中宜昌下临江坪-宜昌大埠街-岳阳城陵矶-武汉长江大桥段，长613 km。宜昌下临江坪-宜昌大埠街段为山区天然航道向平原航道过渡段、大埠街-城陵矶-武汉长江大桥段为平原航道，河道特性表现为以分汊河道为主，浅滩演变较为剧烈，放宽处有江心洲和江心滩出现，洲滩不稳定，主、支汊兴衰交替，过渡段水深不足，航道易出浅碍航。武汉长江大桥-江西湖口段，长342 km。武汉长江大桥至湖口为平原航道，河道特性表现为河道宽窄相间、多分汊。

除了不同河段的特征外，长江航道条件还有季节性特点。洪水期水深提高，但流速增加、流态紊乱，有些河段洲滩散布，深槽变化剧烈，破坏了既有的航道格局。枯水期，虽然水流归槽，但水位持续下降，浅滩航道水深不足，有时会因洪冲枯淤的特点而改变整个河势，造成适航航槽移位。2015年长江中游航道分月维护水深见表2。

表2 2015年长江中游航道分月维护水深

按照《航道养护标准》，长江中游航道尺度标准见表3。

表3 长江中游航道尺度标准

从长江航运规划工作的梳理情况来看，目前已实现宜昌至城陵矶河段为内河一级航道、水深为3.5 m，城陵矶至武汉河段的航道水深为3.7 m，武汉至江西湖口河段的航道水深为4.5 m的规划目标，未来将着力推进“645”长江深水航道整治工程，以保证长江干流武汉至安庆航道水深6 m，宜昌至武汉航道水深4.5 m。

3.2 各航段通过能力限制

长江中游航道以中游港口为界，共分为5段，宜昌-荆州，荆州-岳阳，岳阳-武汉，武汉-黄石，黄石-九江航段分别命名为1,2,3,4,5。长江中游航道属于平原航道，枯水期水流一般流速1.0～1.7 m/s，洪水期流速2.0～3.0 m/s，全年平均水流速度约为1.8 m/s(6.48 km/h)。

对于长江航道的研究，张俊勇等[7]提出用基建性工程措施提高航道等级，加大通航能力。航段通过能力是指在不受妨碍的航段中，标准船舶组成的理想船舶交通流，在单位时间内通过该航段断面的最大船舶货流量，以载重量(t)表示。长江中游各航段通过能力Ck(万t/d)为：

Ck=s·w·t·Qmax/10 000 (k=1,2,…,5)

式中：s为航道断面允许并列航行的船舶数，根据船舶航行横向安全距离的要求，长江中游航道宽度不能满足船舶并行的要求，s=1；w为标准船舶吨位;t为日通航时间。根据长江中游船舶航行情况选取的船型参数见表4。

表4 标准船型参数

根据船舶交通流最大流量Qmax，计算的航段通过能力Ck=s·w·t·Qmax/10 000。则航段通过能力见表5。

表5 航段通过能力限值

4 航段通过能力

根据表1所示P矩阵计算可得：下行经过断面2/3的货流比例为P13,P14,P15,P16,P17,P18,P23,P24,P25,P26,P27,P28之和；下行经过断面3/4的货流比例为P14,P15,P16,P17,P18,P24,P25,P26,P27,P28,P34,P35,P36,P37,P38之和；下行经过断面4/5的货流比例为P15,P16,P17,P18,P25,P26,P27,P28，P35,P36,P37,P38，P45,P46,P47,P48之和；下行经过断面5/6的货流比例为P16,P17,P18,P26,P27,P28,P36,P37,P38,P46,P47,P48,P56,P57,P58之和；下行经过断面6/7的货流比例为P17,P18,P27,P28,P37,P38,P47,P48,P57,P58,P67,P68之和。

上行经过断面2/3的货流比例为P81,P82,P71,P72,P61,P62,P51,P52,P41,P42,P31,P32之和；上行经过断面3/4的货流比例为P81,P82,P83,P71,P72,P73,P61,P62,P63,P51,P52,P53,P41,P42,P43之和；上行经过断面4/5的货流比例为P81,P82,P83,P84,P71,P72,P73,P74,P61,P62,P63,P64,P51,P52,P53,P54之和；上行经过断面5/6的货流比例为P81,P82,P83,P84,P85,P71,P72,P73,P74,P75,P61,P62,P63,P64,P65之和；上行经过断面6/7的货流比例为P81,P82,P83,P84,P85,P86,P71,P72,P73,P74,P75,P76之和。长江中游货运承载能力计算结果见表6。

表6 长江中游货运承载能力测算结果

航道承载能力=航段通过能力限制值/经过断面比例和，取最小值，研究结果表明：长江中游下行航道货运承载能力36.9亿t，限制航段4/5断面，即岳阳到武汉航段。长江中游上行航道货运承载能力21.9亿t，限制航段为6/7断面，即黄石到九江航段，长江中游航道货运承载能力为68.8亿t。

5 结语

本文以长江中游航道货运承载能力为中心，系统研究了长江中游航道货运承载能力的定义、表征模型和计算方法，并根据现有数据测算出了长江中游航道货运承载能力和指出了限制航段。

后续研究在此基础上可以进行航道货运承载能力的演化研究，根据航道开发的情况，从自然航道，低等级航道到高等级航道过程中，研究航道相关尺寸数据的变化，对应的航道货运承载能力随时间的变化情况；也可以航道开发投资为变量，以现有情况为基础，探究投资额与航道货运承载能力的定量关系，为投资决策提供依据。